多能互补发电的发展及其关键技术

李 妍，彭姚红，崔寒珺

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001；2.国网攀枝花供电公司，四川 攀枝花 617000；3.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

环境恶化和能源的短缺问题促使人类将目光投向了可再生的清洁能源，其中太阳能和风能得到了最大的发展。中国是世界上大规模开发太阳能和风电的国家之一，太阳能发电和风电的装机容量飞速增长。据统计，2015 年全球风电产业新增装机63013MW，同比增长22%;其中，中国风电新增装机容量达30500MW；到2015 年年底，全球风电累计装机容量达到432419MW，累计同比增长17%。光伏和风电在我国电力系统的渗透率日益增大。其他的新能源发电例如生物质能发电也有发展。但是，光伏发电和风电具有随机性、间歇性和波动性的特点。光伏发电和风电的并网对电力系统的规划、安全、调度和控制等方面的影响也越来越大。虽然光伏和风电的装机容量很大，但是它们的并网消纳仍是一个有待解决的问题。以太阳能和风能为主要代表的清洁可再生能源如何最大程度地消纳得到了学术界和工程界的广泛关注。

新能源发电的出力大多不平衡，对电网的安全稳定运行是巨大的挑战。新能源发电以太阳能和风能发电的规模最大，但是太阳能和风能的并网消纳受到了很大的限制，主要是因为以下几个方面：

1）电网的建设相对滞后。我国太阳能和风能资源主要集中在“三北”地区，该地区能源丰富，但不是负荷中心。虽然该地区的光伏和风电的装机容量很大，但是电网的网架结构还不能够全部承担输送的任务。

2）电网调峰能力不足。太阳能和风能本身的随机性、间歇性和波动性对电力系统调度和安全稳定的影响，正是由于这种特点，电网需要足够调峰容量来平衡太阳能和风能出力的波动性。

3）出力预测不够准确和精细化。目前对光伏和风电出力的出力预测还远远达不到调度的要求。这会加大调度的难度，往往因为预测不准而弃光或者弃风。

4）调度模式有待完善。我国电网采用的分省平衡。随着光伏和风电的装机容量日益增大，采用分省平衡的调度方式会造成没有足够的调节容量，限制了光伏和风电的并网容量。

5）消纳政策有待完善。国家政策对新能源发电电价的补贴使得电网采购电价成本增大，而且新能源会占用系统中火电或者水电的容量，使火电或者水电保留一定的容量来平衡新能源出力的波动性。

因此，为了增大对新能源的消纳，必须加快加强电网结构的建设，完善新能源消纳的政策法规，并提高新能源出力预测的精确度。

1 多能互补发电

多能互补发电是指利用新能源（主要指太阳能和风能）和传统的能源（水电或者火电）相互的优势互补发电，有的会配置一定容量的储能装置来调节系统的出力的不平衡。

多能互补发电利用各种能源的特点进行优势互补，主要有以下的优势：

1）弥补各自的缺点，平滑出力曲线，可以向电网提供更多优质稳定的清洁能源；

2）共用变电设施，减少建设投资；

3）统一管理，提高工作效率；

4）充分利用资源，合理利用空间。

1.1 多能互补发电的发展

鉴于目前的技术，多能互补发电主要有风光/风光储互补、风水互补、水光互补、光生（生物质能）互补等形式。

1.1.1 风光/ 风光储互补发电

太阳能和风能在季节上有互补特性，很多地区太阳能夏季丰富，冬季匮乏；而风能恰好相反。采用风光进行互补发电可以实现季节上的互补。风电和光伏发电往往会配置一定容量的储能装置来平衡系统出力的波动性。风光/风光储互补在太阳能和风能丰富的地区可以构建成微电网，解决偏远地区的供电问题。

1.1.2 风水/ 水光互补发电

水能是可再生的清洁能源，水力发电具有比火力发电更灵活的调节能力。水力发电机组的这一特点，可以用来调节风电/光伏发电出力的波动性、随机性和间歇性。

我国的一些地区具有实现风水/水光互补的优良条件。在我国的“三北”地区，风力资源丰富，风能呈现“夏秋季风较小，春冬季风能丰富”的特点，但是水力资源却在夏秋季是丰水期，冬春季是枯水期，因此风电和水电在季节上可以实现优势互补。

青海太阳能资源丰富，土地人口密度小，且有丰富的水电。光伏和水电互补也具有很好地条件，青海省是进行水光互补的理想地。龙羊峡水光互补电站是目前全球最大水光互补电站，给新能源消纳指出了新的方向，具有很强的示范意义。

1.1.3 光生（生物质能）互补发电

光生互补发电是将光伏与生物质能结合在一起进行优化的热力发电。在有阳光的时候，光生互补发电系统一起运行，太阳能集热系统和生物质能发电系统共同推动汽轮机；在没有阳光时由生物质能单独发电。

1.2 多能互补发电的关键技术

1.2.1 新能源出力预测

新能源的出力特点对电力系统的调度造成了困难，同时大规模的新能源并网会对电力系统安全稳定运行造成威胁。目前，新能源的出力预测技术在时间尺度和精准度还达不到调度的要求。

出力预测的研究对象是输出功率不为恒定值的能源短期预测，预测的参数有光照强度、风速大小等环境自然变量，根据自然变量的不同特性有不同的预测方法。

其中光伏功率预测研究现集中在超短期和短期预测上,我国对NWP 的预测在时间尺度和精度尚未达到高精确度光伏出力预测的要求,同时受到光伏数据积累量和限电等制约,预测结果与实际情况还有一定的差距。

从风力发电功率的长期跟踪预测的实际应用中发现，为提高风力发电出力预测的精度，可以通过提高NWP 的预报精度进行改善，结合多种预测因素（物理模型、气象信息）的预测方法发展前景广阔。

1.2.2 多能互补系统态势感知

包括光伏、风电等多种采用清洁能源的可再生发电单元本身具有波动特性，且运行模式更加多样，控制方式更加复杂，因此在接入原有系统运行时，增加了许多不确定因素，不便于对其进行调度控制。在此背景下，采用适当技术实时感知多能互补系统中各电源与负荷的运行状况。

态势感知技术只是刚刚应用在电力系统中，在配电自动化和调度自动化中产生了萌芽，电力系统能量管理系统（EMS）的应用也随着态势感知的应用朝着更高级的应用功能方向发展。电力系统能量管理人员的“决策”可依托态势感知系统“理解”和“预测”作为重要的应用功能。

1.2.3 能量管理系统

多能互补系统由于新能源的随机性，必须对其出力的过程进行监视和控制。在多能互补系统中必须利用SCADA、AGC 和AVC 等构成一套完善的能量管理系统。

1.2.4 系统的保护与控制

多能互补系统的保护与控制是指系统故障发生时可以快速准确定位、切除故障，并恢复系统正常。

2 水光互补发电系统工程实例

光伏电站、水电站和水库组成了常见的光伏- 水电联合运行系统。环境因素会影响到水利发电和光伏发电的出力，其中水库的库容大小影响到水利发电的出力大小，日照强度和气候温度会影响到光伏发电的出力大小。两种发电形式受到环境影响的趋势也呈现出互补的关系，晴朗天气时，日照强度和气候温度较高，光伏出力较高，但水库容量较低，水电出力较低，阴雨天气恰恰与之相反。水光发电系统联合运行原理见图1。

图1 水光发电系统联合运行原理图

陕西省延安市安塞区王瑶水库坝址位于杏子河中游河段，坝址以上集水面积820 km2，全流域为55.3%，干流总长为54 km，河道平均比降为4.49‰。多年平均径流量为4050 万m2，均质土坝坝高55 m，总库容2.03 亿m3，水库距离下游延安市约65 km。王瑶水库坝后电站最大水头52.48 m，最小水头45.58 m，结合机组选型、转轮机直径的取值，最小发电流量0.13 m3/s，计算得出力加权平均水头49.93 m，装机容量为820 kW·h，多年平均发电量302.16 万kW·h，年利用小时数3685 h。依据《小型水力发电站设计规范》（GB 50071-2002），王瑶水库坝后电站设计保证率选择为P=85%。根据王瑶水库坝后电站出力- 频率关系曲线，查得其保证出力N保=310 kW。

陕西安塞协合200 MWp 生态光伏发电项目电池组件选用295 Wp 多晶硅电池组件，选用500kW逆变器，规划容量200 MWp。按照《太阳能资源评估方法》（QX/T 89-2008）修正太阳能辐射的数据，本光伏发电站的光伏总辐射量为5662 MJ/m2，所处环境的日照小时数为2706 h。

电力系统中发电站存在着四种运行方式，分别为：夏季大方式、夏季小方式、冬季大方式与冬季小方式，四种运行方式取决于两个影响因素：接线与开机。夏季大方式下发电站出线全部接线，发电机全部开机，是发电站出力最大的运行方式，本文研究选取此方式。

夏季大方式某一日中安塞区日照强度和王瑶水库的径流量关系，见图2。

图2 夏天大方式某一日中日照强度和水源的径流量关系

由图2 可知，光伏出力随着日照强度的变化出现很大的波动性，而水电站出力基本保持不变，这种情况对于水- 光互补系统的出力分配是不经济的。

光伏- 水电联合系统容量优化时间跨度为某自然日，时间精度为某自然日中的每一小时，约束条件为水电出力大于光伏出力，水电出力与光伏出力之和等于负荷容量，优化后的光伏出力，见图3。

图3 优化前一日中光伏、水电输出以及负荷分布

由图3 可知，夏季大方式某一日中的有功负荷分布与日照强度分布相似，未优化的光伏- 水电联合系统中光伏出力受到了很大的制约，既过度消耗了水库容量，又产生了弃光现象。

利用粒子群算法，迭代优化后的水电出力和光伏出力曲线，见图4。

图4 优化后一日中光伏、水电输出以及负荷分布

由图4 可知，水- 光联合系统优化后，可以增加光伏发电的出力，水电可作为热备用，增加水库的库容。计算优化后水力发电的用水量，见图5。

图5 优化前后水力发电用水量对比

由图5 可知，水- 光联合系统互补优化后，水利发电的用水量显著降低，水库的库容也随之增加。

3 结语

新能源发电已形成一定的规模，但是其消纳存在很大的问题，利用多能互补可以为新能源的消纳提供有效途径。我国新能源丰富，多能互补发电仍处于起步阶段。本文针对多能互补的发展和关键技术分析得出以下几点启示：

（1）新能源出力预测技术必须提高精准度；

（2）新能源的调度和消纳的政策和法规还有待进一步的完善；

（3）多能互补可以发挥各种能源的优势，为电网提供更多的优质电能，是新能源消纳的有效途径。

（4）在工程实际应用中可以看出，利用多能互补发电优化后的常见的水- 光联合输出系统中，从环境效益上来看，光伏发电站的装机容量越大，水电站的库容越大；从经济效益上来看，光伏发电站的装机容量越大，联合系统的经济效益越好；从系统效益上来看，光伏发电站的装机容量越大与水电站的装机容量优化的紧密，联合系统的稳定性越好，水利发电站作为热备用随时待命。