风光接入水电站对水电出力的影响浅析

方兴波 陈哲之 吉星宇恒 邓凯 胡向昌

摘 要：金沙江流域水能、风能、太阳能资源丰富，其中风光发电的出力受天气、风速等影响呈现出间歇性和不稳定性。风光发电输出是直流电，需要使用逆变器将其转换为交流电才能并网，高频工作状态下，逆变器容易产生高次谐波污染电网。提出利用金沙江流域风光能源在水电站建设配套抽水蓄能设施，实现水风光互补增加水电站出力及水电站年发电量。

关键词：水风光互补；间歇性；逆变器；谐波污染；抽水蓄能

中图分类号：TM614；TM615；TV743 文献标志码：A

0 引 言

“构建以新能源为主体的新型电力系统”是国家重大战略需求。在此背景下，风力发电、光伏发电等清洁新能源得到飞速发展，大力发展风、光等新能源可有效解决未来能源安全以及应对全球气候变暖的问题[1-3]。金沙江流域水能、风能、太阳能资源丰富，其中风能、太阳能又是最具规模化开发前景的新能源，但风能、太阳能发电均容易受天气条件影响导致出力呈现出随机波动性和难以预测性[1-4]。随着风光建设项目的不断推进完善，风、光的装机规模越来越大，大规模风电、光电直接并入系统，这些分布式电源出力的不稳定性会对电力系统的调峰调频以及安全稳定运行带来极大压力[3-5]。水电机组具有启停灵活、出力变化幅值大、调节速率较快等优势，但为更高效地处理风光大规模并网带来的出力不稳定性，可能需要频繁启停水电机组，降低机组的使用寿命。因此，利用风能、光能等不可控能源，实现水风光资源互补，将水电站下游河道水资源抽回水电站上游库区实现储能具有重要研究意义[6]。

1 传统水风光互补模式

目前已建成投产的光伏发电站或风力发电站几乎都是单独并入系统的，这类分布式电源往往都需要重新架设导线，重新整定继电保护。太阳能发电输出是直流电，需要使用逆变器将其转换为交流电才能并网，逆变器处于高频工作状态，容易产生高次谐波污染电网；而且，风力发电和太阳能发电均需要建设相应的输电线路，如果利用现有水电站的输电线路，需要改接线形式，使保护变得更为复杂。水电站库区周边的风光能源可以与水电站相互配合，相互补充，但会导致水电站机组为配合风光新能源调峰调频，加大水电机组开停机频率，对机组使用寿命产生不利影响。

1.1 接入水电站500 kV系统

金沙江流域水电站500 kV开关站大都采用二分之三或三分之四接线方式，风光新能源可利用水电站已经建好的外送输电线路将电能送出。这种做法虽然节约了风光外送线路的建设成本，但是由于水电站的开关站一般都建设在洞室内，如果设计时没有考虑预留出位置，重新改建和扩建会极为困难。新能源接入后，保护配置将变得复杂，现有保护装置可能无法满足新能源接入后的运行要求，需要重新配置，在此期间可能导致水电机组陪停，造成水电站弃水。同时，已建好的水电站输电线路输送容量可能无法满足风光能源同时送出的要求。综合判断，新能源接入水电站现有500 kV系统对水电站运行具有一定的挑战性。

1.2 单独架设输电线路

已建成投产的水电站主接线改建和扩建困难，目前，大部分风光电站均采用独立的输电线路。与直接接入水电站500 kV系统相比，保护配置以及线路输送容量均需重新设计计算，建设成本比直接接入水电站500 kV系统高。

2 风光抽水蓄能模式

风电、光伏和水电是当前技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式，可实现二氧化碳和常规污染物协同减排，转变能源结构，提高环境质量[7]。在水电站库区利用风光抽水蓄能具有天然优势，一方面水风光出力具有天然互补特性，在多年时间轴上表现出“枯水年水少则风光强、丰水年水多则风光弱”的特点，在季节时间轴上表现出“风光的‘峰谷与水电的‘谷峰相对应”的特点[7]；另一方面，风光电站分布范围广且距离主网较远，将分散的风光新能源电站通过在水电站以抽水蓄能的形式汇集起来，光伏的发电出力将在中午时分达到最大值，此时电网负荷端的工业用电也呈现出相同的趋势，在光伏发电出力与用电负荷上表现出“峰对峰”的特点。由于光伏发电站的分散性，高频逆变器产生的高次谐波叠加后，将对电网产生严重的高次谐波污染，降低了电网供电质量。面对分散的光伏发电站，继电保护将变得复杂多样，对电力系统稳定控制是一大挑战。利用风光发电站发出的电能将水电站下游尾水抽回水电站上游库区，即风光抽水蓄能模式，该模式实现风光系统与主网隔离运行，可有效解决上述问题。

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能既是一种储能方式，也是一种水电形式，是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的绿色低碳清洁电源。抽水蓄能电站启停速度快、运行范围广，能有效地应对负荷变化[7]。在水电站建设风光抽水蓄能可有效提高电网消纳风光新能源的水平。风电、光伏能量是分散的，利用水电站周边的风力发电、太阳能发电给水泵供电，用水泵将水电站下游水资源抽回到水电站上游实现蓄能，光伏、风力发电这类出力不稳定的能源转换为水的势能存储起来，实现能量的积少成多，利用水电机组发电，减小分布式能源对电力系统的危害，同时还可增加水电站的发电量。

金沙江流域的梯级水电站群的水风光一体化发电系统中，流域梯级水电站不仅承担发电的任务，还兼备着防洪、供水、生态、航运等水资源安全与综合利用功能。然而，由于风电和光伏发电具有不可调度性，且流域梯级水电站与风光新能源电站的距离往往较远，目前仅仅依靠流域梯级水电站来配合新能源电站进行调峰调频，使得电网对新能源电能的安全消纳以及电网安全运行存在较大风险。因此，有必要建设配套的风光抽水蓄能，降低新能源接入电网对流域梯级水电站带来的不利影响，提升新能源并网稳定性。

水风光一体化运行控制主要通过监控风、光电的出力变化，实时调整抽水泵的运行功率（见图1），利用水电机组运行灵活、跟踪负荷能力强等优势，平抑风光出力波动，减少风光出力不确定性对电网的影响，通过水电机组发电提高送端整体的电能质量，实现稳定电力送出，提升水电站送出通道利用率和水电电价竞争优势[7]，增加机组年利用小时数。

光伏板输出的电压为直流电压且单块光伏板的输出功率较小，需要用汇流箱将不同光伏板发出的电能汇集起来，再将光伏发出的直流电经逆变器转变为50 Hz的交流电，再经升压变压器升压后送到抽水水泵。同理，风力发电机输出的电流亦为直流电，电压较低，需要经过逆变器转变为50 Hz的交流电，再经升压变压器升压后送到抽水水泵，实现将零散的光伏和风力发电电能转化为水的势能存储起来，有效增加水电站的发电量，同时提高电力系统的稳定性。

在进行风光抽水蓄能时，要实时监测水电站下游河道的水位情况以及下游流量是否符合生态环保要求，同时保证上游库区水位不超过规程规定水位。根据上下游水位以及生态流量要求实时调整水泵运行功率，减小弃风弃光的概率，使风光得到充分利用，水电机组实现发得出，顶得上。

水泵在抽水时需要判断相应条件是否满足要求，否则不能启动抽水。具体流程如图2所示。

S0：判断水电站下游河道的水位及流量是否满足抽水要求，满足条件进入S1，否则不执行抽水指令。

S1：判断光伏板或风机电压是否正常（光伏板或风机电压只需要一个电压正常即可满足抽水条件），电压正常进入S2，否则不执行抽水指令。

S2：判断光伏逆变器或风机逆变器是否存在故障（光伏逆变器或风机逆变器只需要一个正常工作即可满足抽水条件），逆变器正常进入S3，否则不执行抽水指令。

S3：判断水泵抽水条件是否满足，条件满足进入S4，否则不执行抽水指令。

S4：所有条件都满足后，启动水泵向上游水库库区补水储能。

S5：水泵启动后，监视下游河道的水位及流量是否满足设定值，高于设定值时继续正常抽水，低于设定值时进入S6。

S6：降低水泵运行功率，减小抽水量。

S7：通过调节水泵的运行功率，维持下游河道的水位及流量满足要求。

2.2 水位监测装置

电网负荷高峰往往出现在白天，新能源出力在白天也较大，但水电站受水流量影响在非汛期往往无法实现满发，利用风光能量将水电站下游河道的水抽回上游库区，通过风光抽水蓄能可以实现风光电能就地平衡，因此，需要对下游水位进行实时监测。现有的水位监测方式一般是利用水位标尺进行监测，无法做到实时远程监测，在此期间，水电站下游河道水位可能出现频繁升降，对下游河道水位检测装置带来挑战，一些电子式的监测设备在水流变大时容易损坏。本文提供一种水位监测装置（见图3），以解决电子式水位监测设备常年置于水中，在水流增大时易损的问题[6]。

水电站下游河道水位监测装置主要由壳体、水位计以及导流叶片构成。其中，壳体采用金属结构以支撑内部的水位感应装置及导流叶片，将水位测量固定于金属壳体内，通过水位监测装置上的侧孔调节导流叶片开度，避免水流增大或流速过快时损坏水位计，在导流叶片全开时可更换水位计。

3 结束语

面对风光能源出力典型的间歇性以及预测和统一调度难度大等问题，本文提出在水电站建设配套风光抽水蓄能装置，利用不可控的风光能源将水电站下游河道水资源抽回水电站上游库区实现储能，以有效解决大规模风光并网带来的出力随机波动性和难以预测性难题，还可增加水电站的发电量，同时降低分布式电源的高次谐波对电网产生的危害。

参考文献：

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[6] 陈哲之，方兴波，刘瑞平，等.一种水位监测装置及水电站利用风光能增加发电量的方法：中国，CN117005976A[P]. 2023-11-07.

[7] 张玮，孙长平.水风光一体化发电系统研究进展[J].中国农村水利水电，2023（4）：285-293.

Influence of Wind and Solar Access to Hydroelectric Power Stations on Hydropower Output

FANG Xingbo，CHEN Zhezhi，JI Xingyuheng，DENG Kai，HU Xiangchang

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Kunming 651500，China）

Abstract：The Jinsha River Basin is rich in water energy，wind energy and solar energy resources. Due to the influence of weather and wind speed，the output of wind power generation is intermittent and unstable. Grid connection of wind power requires an inverter to convert it from direct current to alternating current. Under high-frequency operation，the inverter is prone to generate high harmonics which pollute the grid. In this paper，we suggest to use wind energy from the Jinsha River Basin to improve pumped storage facilities at hydropower stations. The aim is to build a hydro-wind-scenery complementary system to increase both the output and annual electricity production of the hydroelectric power plant.

Key words：hydro-wind-photovoltaic complementary；intermittent；inverter；harmonic pollution；pumped storage.

作者简介：方兴波，男，助理工程师，本科，主要从事水电站运行管理工作。E-mail：fang_xingbo@ctg.com.cn