黃顯峰，顏山凱，李大成，吳 迪，李 旭

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

水能、太陽能光伏均為清潔能源，水電出力受天然來水差異的影響，表現(xiàn)為豐水期出力大、枯水期出力小的特性。光伏出力因季節(jié)更替、云層厚度和天氣變化等因素存在“間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性”等人為不可控的特性，對電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，還會(huì)在光伏發(fā)電高峰時(shí)段，因富余光電無法儲(chǔ)存而出現(xiàn)大量棄光現(xiàn)象。因此要利用水電和光伏的特性，進(jìn)行水光互補(bǔ)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)在盡可能小影響水電效益情況下提高光伏消納率。水光互補(bǔ)是利用擁有調(diào)節(jié)能力水電站的調(diào)節(jié)補(bǔ)償能力，對距離稍近的光伏電站優(yōu)先進(jìn)行補(bǔ)償，并利用水電站多余調(diào)節(jié)能力，滿足電網(wǎng)的電力負(fù)荷需求，提高波動(dòng)性大的光伏電站的消納，最終實(shí)現(xiàn)水電站和光伏電站發(fā)電的效益最大化[1]。

風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源的并網(wǎng)消納仍有很多問題，為了使這些清潔能源能夠最大限度地被電網(wǎng)消納吸收，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。安源等[1]建立了水光日內(nèi)互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行模型，改善了光伏的發(fā)電質(zhì)量，并提高了光伏的利用率，減少了光伏電量的損失；賈一飛等[2]研究了單庫水電站與光伏電站的互補(bǔ)調(diào)度，建立了水光互補(bǔ)短期優(yōu)化調(diào)度模型，使得水光互補(bǔ)系統(tǒng)在不產(chǎn)生棄水的情況下，僅產(chǎn)生少量棄光，提高了光伏利用率；朱燕梅等[3]建立了風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電優(yōu)化模型，以棄風(fēng)光電量最小和接入的風(fēng)光總規(guī)模最大為目標(biāo)對模型進(jìn)行求解，結(jié)果表明這種互補(bǔ)發(fā)電模式減小了棄風(fēng)量和棄光量，提高了清潔能源的利用率。以上學(xué)者主要是對風(fēng)-光-水等清潔能源的日內(nèi)互補(bǔ)方式進(jìn)行研究，一定程度上提高了清潔能源的通道利用率。

本文在水光日內(nèi)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大水光互補(bǔ)的力度，進(jìn)行水光月內(nèi)互補(bǔ)，在對水電效益影響盡可能小的情況下研究互補(bǔ)運(yùn)行方式，提出了水光月內(nèi)互補(bǔ)調(diào)度規(guī)則，并以瀾滄江上游西藏段梯級(jí)水電站為例進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 水光日內(nèi)互補(bǔ)規(guī)則

1.1 水光不互補(bǔ)

水光不互補(bǔ)指的是原水電出力過程與原光伏出力過程簡單疊加，得到逐時(shí)的水電與光伏疊加出力過程(以下簡稱水光合計(jì))。通道為水電與光伏出力疊加之后，水光合計(jì)的出力上限，若水光合計(jì)超出通道，則需要棄光或棄水[4]。

1.2 水光日內(nèi)互補(bǔ)

1.2.1水光日內(nèi)互補(bǔ)原理

水光日內(nèi)互補(bǔ)是指在水光不互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，利用水庫的可調(diào)節(jié)性能，通過降低水光合計(jì)出力超通道時(shí)段的水電出力，騰出一定輸電通道給光伏出力，使光伏電量得到最大化的消納利用[1]。同時(shí)，為了保證水電出力日內(nèi)平衡，要盡量在光伏出力較小且受端用電高峰時(shí)段(9：00—21：00)加大水電出力。若用電高峰時(shí)段水電的出力不能平衡，則繼續(xù)在用電低谷時(shí)段(0:00—8：00、22:00—24：00)加大水電出力，直到水電出力達(dá)到日內(nèi)平衡[5]。即保證一日之內(nèi)不產(chǎn)生棄水的情況下，盡可能地消納光伏。

但降低出力和加大出力是有限度的，亦即瞬時(shí)梯級(jí)出力上下限。瞬時(shí)梯級(jí)出力上限指當(dāng)前預(yù)想出力，預(yù)想出力最大值為基地水電總裝機(jī)容量。瞬時(shí)梯級(jí)出力下限為每個(gè)電站單機(jī)容量的一半之和。

汛期水電、光伏整體出力以承擔(dān)基荷為主，最大限度利用通道能力送出水電和光伏電量?？萜谒姵隽傮w較小，可利用水電調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)水電日出力過程，參與受端調(diào)峰運(yùn)行[6]。在光伏出力大且用電高峰時(shí)段，為了消納更多的光伏，水電出力可能會(huì)降至瞬時(shí)梯級(jí)出力下限以下，這時(shí)只能犧牲一部分光伏，讓水電達(dá)到瞬時(shí)出力下限，以保證壩址下游生態(tài)流量[7]；若光伏出力小且當(dāng)日來水較多，水電出力較大，在用電高峰時(shí)段降低水電出力之后，要在用電低谷時(shí)段加大水電出力[8]，使當(dāng)日水電出力達(dá)到平衡，但加大后的水電出力不可以超過瞬時(shí)梯級(jí)上限。

結(jié)合水電站具有快速啟?；蛘{(diào)整發(fā)電出力的優(yōu)點(diǎn)，采用水電消納光電即為水光互補(bǔ)，在光伏出力高峰時(shí)段超出電網(wǎng)通道時(shí)發(fā)生棄光，需要水庫減小發(fā)電流量，降低該時(shí)段的水電出力，將該時(shí)段水光合計(jì)出力整體降低，原超出通道的光伏出力回落至通道以內(nèi)，這部分由棄光變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的光電，即為被水電消納的光電；在光伏出力低峰段，水庫增加發(fā)電流量，加大該時(shí)段的水電出力，保證水電出力平衡的同時(shí)平抑光電單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)的波動(dòng)性。綜上，通過水光互補(bǔ)打捆并網(wǎng)，可有效提高光伏利用率，同時(shí)提高光電并網(wǎng)時(shí)的電能質(zhì)量。

1.2.2需調(diào)和可調(diào)的概念

水光合計(jì)出力為光伏出力與梯級(jí)水電出力逐時(shí)疊加的出力過程，計(jì)算公式為

Ni=Ni，h+Ni，p(i=1，2，…，24)

(1)

式中：Ni為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段的水電與光伏的合計(jì)出力，萬kW；Ni，h、Ni，p為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段的水電出力、光伏出力，萬kW。

水電需調(diào)出力(簡稱需調(diào))是為了保證不產(chǎn)生棄光，在水光合計(jì)出力超過通道的時(shí)段需要降低的梯級(jí)水電出力，亦即水電可以降低的出力下限，即當(dāng)NiNi，c時(shí)，Ni,na=Ni-Ni,c，其中Ni，c為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段通道的容量，萬kW，Ni，na為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段梯級(jí)水電需要降低的出力，萬kW。

水電的可調(diào)出力(簡稱可調(diào))為通道剩余出力空間和梯級(jí)水電剩余出力空間的較小值，亦即水電可以增加的出力上限，公式如下：

Ni，ca=min{Ni，cr,Ni，hr}

(2)

式中：Ni，ca、Ni，hr分別為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段梯級(jí)水電出力的可調(diào)出力、剩余出力空間，萬kW；Ni，cr為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段通道的剩余空間，萬kW。

圖1 日可調(diào)、日需調(diào)關(guān)系

1.2.3互補(bǔ)光伏消納率

棄光出力為水電需調(diào)出力與可調(diào)出力之差：

(3)

式中Ni,pd為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)第i個(gè)時(shí)段棄光出力，萬kW。

Ni,na≤Ni,ca時(shí)，說明水庫可以利用自身的調(diào)節(jié)能力調(diào)整一日之內(nèi)的出力過程，使得該日的光伏被完全消納，不會(huì)產(chǎn)生棄光(圖1(a)(b))；Ni,na>Ni,ca，說明水庫通過一日之內(nèi)的出力調(diào)整之后，已用盡當(dāng)日的可調(diào)節(jié)能力，但是仍不能將當(dāng)日的光伏出力完全消納，從而產(chǎn)生棄光[9](圖1(c))。

光伏消納率的計(jì)算公式為

α=(∑Ni,p-∑Ni,pd)/∑Ni,p

(4)

式中α為水光互補(bǔ)系統(tǒng)日內(nèi)光伏消納率，%。

2 水光月內(nèi)互補(bǔ)規(guī)則

2.1 水光月內(nèi)互補(bǔ)原理

進(jìn)行水光月內(nèi)互補(bǔ)時(shí)，首先要確定每日的臨界出力，即為了保證一個(gè)月中的每一天均恰好不產(chǎn)生棄光，梯級(jí)水電站每天需要在原出力過程的基礎(chǔ)上增加或減小后的出力，需要分為2種情況。

a.進(jìn)行日互補(bǔ)后，如果當(dāng)月的總需調(diào)小于總可調(diào)，說明在月互補(bǔ)之后，光伏出力可以被完全消納。此時(shí)，若當(dāng)日的原梯級(jí)出力大于臨界出力，則月互補(bǔ)后的日均梯級(jí)出力為

Nk,hm=Nk,l(k=1,2,…,m)

(5)

式中：Nk,hm為水電需降低出力天數(shù)中第k天月互補(bǔ)后的梯級(jí)出力，萬kW；Nk,l為水電需降低出力天數(shù)中第k天的臨界出力，萬kW；m為月內(nèi)需要降低出力的總天數(shù)。

若當(dāng)日的原梯級(jí)出力小于臨界出力，則月互補(bǔ)后的日均梯級(jí)出力為

Nj,hm=Nj,h+Nj,z(j=1,2,…，n)

(6)

(7)

式中Nk,r為第k天水電需要減少的出力值，萬kW。

b.在日內(nèi)互補(bǔ)之后，如果這個(gè)月的總需調(diào)大于總可調(diào)，說明當(dāng)月光伏出力不能被完全消納。此時(shí)，若當(dāng)日的原梯級(jí)出力小于臨界出力，則月互補(bǔ)后的日均梯級(jí)出力為

Nj,hm=Nj,l

(8)

式中Nj,l為水電可增加出力天數(shù)中第j天的臨界出力，萬kW。

若當(dāng)日的原梯級(jí)出力大于臨界出力，則月互補(bǔ)后的日均梯級(jí)出力為

Nk,hm=Nk,h+Nk,r

(9)

(10)

2.2 月互補(bǔ)光伏消納率

將月互補(bǔ)后的梯級(jí)出力和原光伏出力過程進(jìn)行疊加，得到水光合計(jì)出力，如果水電出力加上光伏出力大于通道，說明必須棄光，每個(gè)月的棄光出力之和為

(11)

式中：Ni,hm為第i個(gè)時(shí)段的月互補(bǔ)后水電出力，萬kW；Nt為通道出力，萬kW；d為月內(nèi)總天數(shù)。

則當(dāng)月的光伏消納率的計(jì)算公式為

(12)

3 實(shí)例分析

3.1 區(qū)域概況

瀾滄江流域干流全長約4 500 km，總落差約5 060 m，流域面積約74.4萬km2，多年平均流量約18 300 m3/s[10]。瀾滄江水光互補(bǔ)項(xiàng)目由瀾滄江上游西藏段梯級(jí)水電站和光伏電站組成。由上而下依次是班達(dá)、如美、邦多、古學(xué)、曲孜卡、古水水電站，其中如美水庫具有年調(diào)節(jié)能力，在上游梯級(jí)水電站中擔(dān)任主要的調(diào)節(jié)任務(wù)。各水電站基本參數(shù)見表1。

表1 各水電站基本參數(shù)

光伏電站主要分布在芒康縣(約680萬kW)、貢覺縣它嶺場址(約200萬kW)。其他1 720萬kW光伏主要分布在瀾滄江右岸的左貢縣、察雅縣、八宿縣。瀾滄江西藏段清潔能源基地水電與光伏的分布存在水電一條線、光伏一大片、水電與光伏場址相對較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。該水光互補(bǔ)項(xiàng)目是水電和光伏共用一個(gè)外送通道，外送通道輸電能力1 000萬kW。

廣東省的用電特性為9：00—21：00用電需求大，用電比較集中，為用電高峰時(shí)期；0:00—8：00、22：00—24:00用電需求小，為用電低谷時(shí)段。廣東省典型日電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖2所示，汛期代表月(8月)和枯期代表月(12月)逐時(shí)光伏出力過程如圖3所示。

圖2 廣東省典型日電網(wǎng)負(fù)荷曲線

圖3 汛期、枯期代表月光伏出力過程

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

光伏發(fā)電與水電捆綁匯集，光伏的出力直接受到水電出力的影響，光伏出力已知的情況下，考慮通道的限制與梯級(jí)水電出力上限限制等因素，通過調(diào)節(jié)水電站的出力滿足水光互補(bǔ)的要求。構(gòu)建以水光互補(bǔ)年總電量最大為目標(biāo)函數(shù)，以水量平衡、上下游水力聯(lián)系、水位限制、發(fā)電流量限制、水電站出力約束、通道限制等為約束條件的中長期調(diào)度模型，采用分段粒子群算法求解，計(jì)算梯級(jí)水電站的出力過程[11]。

在進(jìn)行水光互補(bǔ)時(shí)，梯級(jí)出力過程進(jìn)行了調(diào)整，光伏消納率也會(huì)隨之發(fā)生變化。根據(jù)光伏消納率計(jì)算公式得到平水年各個(gè)月份水光不互補(bǔ)、水光日內(nèi)互補(bǔ)以及水光月內(nèi)互補(bǔ)后的光伏消納率，而且在水光互補(bǔ)的過程中，水電發(fā)電效益受到的影響很小，具體計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

由表2可見，水光不互補(bǔ)時(shí)，平水年各月的光伏消納率均未達(dá)到100%，也就是說此時(shí)平水年各月都要棄光。進(jìn)行日互補(bǔ)之后，只有汛期的6—9月的光伏消納率沒有達(dá)到100%。進(jìn)行月互補(bǔ)之后，光伏消納率進(jìn)一步提升，只有7月的光伏消納率是94.19%，其余各月的光伏消納率均達(dá)到了100%。縱觀平水年這一年，光伏消納率從水光不互補(bǔ)的79.62%，到水光日內(nèi)互補(bǔ)的93.11%，再到水光月內(nèi)互補(bǔ)的99.62%；光伏消納量從水光不互補(bǔ)的133.61億kW·h，到水光日內(nèi)互補(bǔ)的156.24億kW·h，再到水光月內(nèi)互補(bǔ)的167.16億kW·h，光伏消納率和光伏消納量都在逐步提升。

表2 平水年水光日互補(bǔ)、月互補(bǔ)計(jì)算結(jié)果

由表3可見，雖然水光互補(bǔ)作用下，平水年的光伏消納率得到了大幅提升，然而，梯級(jí)水電站在水光互補(bǔ)前、后的發(fā)電量均為424.7億kW·h，說明水電的發(fā)電效益在進(jìn)行水光互補(bǔ)后并沒有產(chǎn)生損失。這樣既充分滿足了水電的發(fā)電要求，在保證了不棄水的情況下，光伏消納率也幾乎達(dá)到了100%。在水光互補(bǔ)之后，水電與光電的合計(jì)發(fā)電量也從558.35億kW·h上升到了591.89億kW·h，互補(bǔ)后的發(fā)電增益量為33.54億kW·h，水光合計(jì)發(fā)電效益提高了6%，極大地發(fā)揮了兩者的效益，進(jìn)一步地提高了清潔能源的使用效率。

表3 平水年水光月互補(bǔ)前后水電、光伏發(fā)電量

對于日調(diào)節(jié)水庫，一般只進(jìn)行水光日內(nèi)互補(bǔ)；對于年調(diào)節(jié)及多年調(diào)節(jié)水庫，則可以進(jìn)行月內(nèi)互補(bǔ)和年內(nèi)互補(bǔ)。如美水庫為年調(diào)節(jié)水庫，因此要考慮月內(nèi)互補(bǔ)和年內(nèi)互補(bǔ)。因?yàn)槠剿陙硭^程比較均勻，更具有代表性，所以典型年選取平水年作為代表年，且平水年不同時(shí)期的來水過程存在差異，水電出力過程也各不相同。在汛期(6—10月)，瀾滄江流域天然來水量大，各日的水電出力也較大；在枯期(11月至次年5月)來水較小，各日的水電出力也較小。平水年汛期和枯期中各選取一個(gè)月作為代表月，汛期取8月，枯期取12月，按照文中所述梯級(jí)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行水光互補(bǔ)，得到各代表月互補(bǔ)前后梯級(jí)出力過程如圖4所示。

圖4 汛期8月和枯期12月出力過程

由圖4可知，汛期8月出力過程互補(bǔ)后的梯級(jí)出力更加合理。在8月9日、12日、13日、14日、17日、23日、25日、28日、30日、31日原水光合計(jì)出力均大于1 000萬kW，超過通道出力能力，若不進(jìn)行互補(bǔ)只能棄光，光伏消納率就相對較小。因此，在進(jìn)行月互補(bǔ)時(shí)，這幾天的梯級(jí)出力都適當(dāng)?shù)販p小，同時(shí)為了保證當(dāng)月水電發(fā)電效益受到的影響盡可能小，將該月剩余21天的梯級(jí)出力在原梯級(jí)出力的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加。最后得到的原梯級(jí)出力和互補(bǔ)后梯級(jí)出力之和相等，即盡可能小的影響水電效益，且互補(bǔ)后每日的水光合計(jì)出力過程沒有超過通道的現(xiàn)象，也就是說汛期8月在互補(bǔ)后既不棄水也不棄光。

枯期原水光合計(jì)出力沒有超過通道的情況，因此不會(huì)出現(xiàn)棄光的現(xiàn)象，所以梯級(jí)出力過程不需要調(diào)整，也不需要考慮臨界出力的作用，枯期互補(bǔ)前后的梯級(jí)出力過程一致。

4 結(jié) 語

針對光伏利用率偏低的問題，提出了梯級(jí)水電站的調(diào)度規(guī)則，該規(guī)則既可以充分保證水電的效益不受損失，又可以顯著提高光伏的利用率，水光互補(bǔ)之后瀾滄江上游西藏段梯級(jí)水電站可以使光伏消納率提高20%，在互補(bǔ)的同時(shí)梯級(jí)水電站的發(fā)電效益也沒有受到損失，水光合計(jì)發(fā)電效益也提高了6%。該調(diào)度規(guī)則為水電和光伏的互補(bǔ)調(diào)度提供了新思路，為提高多種清潔能源的利用率提供了新方法。

當(dāng)前水光互補(bǔ)是出力平衡和水量平衡分開考慮的，梯級(jí)調(diào)度得到的是整個(gè)梯級(jí)電站總體的出力過程。在今后的研究中，要在此研究的基礎(chǔ)上，將出力平衡和水量平衡同時(shí)考慮進(jìn)來，并將梯級(jí)整體的出力過程具體分配到各個(gè)電站。