水光互补发电运行策略研究

魏宏阳，姚李孝，张凯棋（.西安理工大学水利水电学院，西安　70049；.国网安徽长丰县供电有限责任公司，安徽　长丰　300）

水光互补发电运行策略研究

魏宏阳1，姚李孝1，张凯棋2
（1.西安理工大学水利水电学院，西安710049；2.国网安徽长丰县供电有限责任公司，安徽长丰231100）

大规模光伏发电因其间歇性、波动性和随机性的出力特点，直接并入电网会对电力系统的稳定运行和调峰产生不利影响，经水电补偿后可变为易于电网接受的优质能源。提出3种水光互补发电运行策略，建立最优运行策略的模型，并对格尔木水光互补发电项目的实际分析。仿真结果表明，该运行策略在水光互补发电运行中具有良好的应用效果。

光伏发电；水光互补；运行策略；最优

0　引言

光伏发电安全、无污染、不消耗燃料，是理想的清洁能源。但其出力具有随机性、波动性、间歇性等特点，对电力系统的稳定运行产生一定的影响。水电站具有运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点［1］，可对不稳定的电源进行补偿。利用水能、光能的互补性，依托水轮发电机组的快速调节能力，当光伏电站出力发生变化时调整水电站的有功出力进行补偿，实现水光互补发电，达到平滑光伏出力曲线、提高光伏发电质量的目的［2］。

世界第一座水光互补电站于2009年落户青海玉树，实现了光能与水能之间的互补，填补了国际大规模水光互补关键技术的空白，为我国清洁能源提供了互补的新型发展模式［3］。文献［3-5］分析了水光互补电站推广应用的可行性；文献［6］提出了两种水光互补发电系统的模型，并对其进行了仿真研究；文献［7］介绍水光互补微网系统的拓扑及运行模式；文献［8］归纳总结出风光互补系统的几种运行模式和工作状态；文献［9］建立了大规模并网风光互补发电系统动态分析模型，并对其运行特性进行了研究；文献［10］提出了“风光水”互补发电系统的调度策略，建立了系统优化模型。

目前许多学者和专家在新能源联合利用领域展开了研究，尤其是对风光互补发电研究较多，但对水光互补发电的研究相对较少。本文主要介绍了水光互补发电的原理和系统模型，提出3种运行策略，结合格尔木水光互补系统的发电特性，分析3种运行策略的优劣，提出最优运行策略，对促进水光互补发电系统发展以及新能源联合利用具有重要意义。

2　水光互补发电系统模型

水光互补发电原理主要包括两个方面［11］。

利用水电机组的快速调节能力对光电进行实时补偿，使原本因随机性、波动性和间歇性而呈锯齿状的光电出力曲线平滑稳定，如图1所示。

图1　水电平拟光电波动性、随机性出力

水光互补运行需要将光电接入水电站，与水电作为一个组合电源接受电网的调度，如图2所示。

图2　水电平拟光电间歇性出力

水光互补发电系统主要由光伏电站、水电站和调节水库组成。

光伏电站输出功率模型［12］为

式中：ηS为光伏电站发电系数；PSg为光伏电站装机容量；ES为日照强度。

水电站输出功率模型［13］为

式中：ηH为水电站发电系数；WH为水电站发电用水量。

水光互补发电系统总输出功率模型为

3　水光互补运行策略分析

为总结已有水电站优化调度的经验，考虑各种可能的补偿方式及其影响［14］，提出3种水光互补运行策略。

策略1：利用水电的快速调节能力，使光伏原本呈锯齿状的出力曲线变成光滑的曲线，经水电补偿后的光伏电站作为独立电源并入电网。

策略2：光伏电站和水电站组合为一个电源，经水电站对光伏电站进行补偿后，送入电网，联合系统基荷出力为光伏电站出力与水电站基荷出力之和。

策略3：光伏电站和水电站组合为一个电源，经水电站对光伏电站进行补偿后，送入电网，保持联合系统基荷出力等于互补前水电站基荷出力。

策略3由于互补后系统出力大小保持不变，水电出力在光伏出力期间有所下降，这一时段减小的水电出力可全部参与调峰，故可调电量增加。从水电补偿光伏出力的速度来看，由于联合系统基荷出力已确定，策略3比策略1、2的补偿速度更为迅速、准确，反应更为灵敏。结合格尔木水光互补发电系统的特点，策略3为最优运行策略。

策略3的内涵是将光伏电站接入水电站作为水电站的额外机组，与水电站作为一个组合电源整体接受电网的调度，共同参与电网调峰。

策略3的数学模型为

式中：Pi为i时刻系统基荷出力；PSi为i时刻光伏出力；PHi为i时刻水电站出力。

格尔木水光互补发电项目由格尔木河流域已建成的7座水电站和水电新光光伏电站组成。水电总装机101.1MW，包括乃吉里水电站（3×4MW）、小干沟水电站（4×8MW）、大干沟水电站（2×10 MW）、一线天水电站（3×2.5MW）、一线天二级水电站（2×4MW）、奈金河水电站（2×6.5MW）、瑶池水电站（2×4.3MW）。现已开工建设两座电站总装机32MW，南沟水电站（2×6MW）、昆仑泉水电站（2×10MW）。

水电新光光伏电站一期于2011-12-23并网，容量20MW；二期于2012-12-26并网，容量20WM；三期于2013-12-20并网，容量30WM。现在光伏电站总容量为70WM。

根据策略3，水电新光光伏电站可作为格尔木河流域上的第8座水电站，接受青海电网的调度。依据格尔木水电站和水电新光光伏电站的实际运行资料，选取典型日数据按照策略3进行仿真，仿真结果如图3～5所示。

图3　11月晴天水光互补总出力过程

图4　2月阴天水光互补总出力过程

图5　7月雨天水光互补总出力过程

从图3～5可以看出，在有光照时间段内，水电的出力曲线随光伏的出力曲线发生近似镜像变化，以维持系统基荷出力不变；无光照时间段内，水电出力曲线保持系统基荷值水平。阴天和雨天中光伏出力波动很大，当光伏出力发生波动时，水电迅速、准确补偿光电，大幅度提高光伏出力的电能质量，使其更为稳定、可靠，易于电网接纳吸收。调峰能力上，水电提供容量保证，光电提供电量充足，系统具有良好的调峰能力。

4　结语

水光互补发电充分利用太阳能与水能各自的优点，提高清洁能源的利用率，不仅大幅度提高电能质量，也解决了光伏电站并网的难题。本文介绍了水光互补发电的原理及模型，提出了3种水光互补运行策略；对比分析了3种运行策略的优裂，得出最优策略；介绍最优策略的内涵，并建立其数学模型。对格尔木水光互补发电项目进行实际分析，结果表明最优策略在水光互补发电运行中具有良好的应用效果。

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Operation Strategy of Photovoltaic-hydro Com p lementary Power Generation System

WEIHongyang1，YAO Lixiao1，ZHANG Kaiqi2
（1.Institute ofWater Resource and Hydro-electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710049，China；2.State Grid Changfeng Electric Power Supply Company，Changfeng 231100，China）

Due to characteristics of intermittent，volatility and randomness output，the large scale photovoltaic power generation directly incorporated into the power grid would affect the stable operation and peak load regulation.However，through the compensation of hydropower，the photovoltaic power generation becomes easy to be accepted by the power grid as the high quality energy.Three operation strategies of complementary photovoltaic-hydro power generation system are proposed，and the model of optimal operation strategy is established，then the project of complementary photovoltaic-hydro power generation system in Golmud is analyzed.Simulation results show that this operation strategy has good application effects in operation of the complementary photovoltaic-hydro power generation system.

photovoltaic；complementary photovoltaic-hydro；operation strategy；optimal

TM615；TM76

A

1007－9904（2016）04－0043－03

2016-02-18

魏宏阳（1991），男，硕士研究生，研究方向为电力系统分析与优化运行；

姚李孝（1962），男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统规划与运行；

张凯棋（1992），男，研究方向为电力系统分析与优化运行。