閆坤 胡浩 何堯璽 陳雪 康喆 張亞軍 胡文

摘 要：隨著全球?qū)η鍧?、可持續(xù)能源需求的增長(zhǎng)，水、風(fēng)、光等可再生能源在能源轉(zhuǎn)型中扮演關(guān)鍵角色。傳統(tǒng)上這些能源往往獨(dú)立運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)同。水風(fēng)光基地的一體化運(yùn)行，可以解決資源波動(dòng)和電網(wǎng)接納問(wèn)題。研究表明，一體化運(yùn)行可充分發(fā)揮水電調(diào)峰能力，減少風(fēng)光波動(dòng)，提高新能源利用率；電量分配方案的選擇應(yīng)綜合考慮外送水電站調(diào)峰能力及電網(wǎng)穩(wěn)定性。通過(guò)新能源容量配置的深入研究，以期為提供清潔能源在能源系統(tǒng)中的高效利用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：容量配置；新能源利用；一體化運(yùn)行；水風(fēng)光基地

中圖分類號(hào)：TM73；TV7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著全球?qū)η鍧?、可持續(xù)能源的需求不斷增長(zhǎng)，新能源的開(kāi)發(fā)和利用成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵戰(zhàn)略[1]。

水、風(fēng)、光等可再生能源作為主要的清潔能源形式，在能源系統(tǒng)中的重要性日益凸顯[2]。

傳統(tǒng)上，水電、風(fēng)電和光伏等新能源在能源系統(tǒng)中往往是獨(dú)立運(yùn)行的，受限于資源波動(dòng)和電網(wǎng)接納能力，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的協(xié)同運(yùn)行[3]。為了更好地發(fā)揮這些清潔能源的優(yōu)勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光基地的一體化運(yùn)行成為當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-7]。

然而，實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光基地的一體化運(yùn)行并非簡(jiǎn)單的問(wèn)題。其中一個(gè)重要挑戰(zhàn)是如何合理配置新能源的容量，以滿足系統(tǒng)對(duì)電能的需求，確保在不同條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)行策略[8]。

通過(guò)對(duì)水風(fēng)光基地一體化運(yùn)行策略的研究，深入探討不同新能源容量配置下水風(fēng)光基地的運(yùn)行特性，并評(píng)估其對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為清潔能源在能源系統(tǒng)中的高效利用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 計(jì)算原則

1.1 水文年選取

根據(jù)水電站近十年實(shí)際運(yùn)行情況，選取來(lái)水最枯、最豐年份，并依據(jù)最豐、最枯年份流域?qū)嶋H水文特性測(cè)算水電站與風(fēng)電、光伏打捆后新能源的最小和最大棄電率。此外，計(jì)算近十年水電站的各月平均出力，測(cè)算水電站與風(fēng)電、光伏打捆后新能源平均棄電率。

1.2 水風(fēng)光一體化出力約束

若水電不參與風(fēng)光調(diào)峰，根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則要求，送出線路1回故障后，剩余線路應(yīng)滿足全部電力送出，因此要求水風(fēng)光總出力不大于水電站N-1回送出線路輸電容量（N為水電送出線路回路數(shù)），且風(fēng)光在平均年綜合棄電率不大于5%。

1.3 水電站枯期留存電量

T3、T4、T2水電站電能按如下消納方案：T3水電站枯水期留存電量，四川與云南按照國(guó)家規(guī)定的比例消納，T4水電站枯水期及T2水電站枯期在四川留存電量均按國(guó)家規(guī)定執(zhí)行。

2 電量分配方案

金下四川側(cè)水電近區(qū)光伏及風(fēng)電年內(nèi)出力特性的“豐”“枯”恰好與水電的“枯”“豐”在時(shí)間上對(duì)應(yīng)，水電與風(fēng)光具有較好的互補(bǔ)關(guān)系，水風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行后，可以充分發(fā)揮水電調(diào)峰能力，減少風(fēng)光出力波動(dòng)，提高新能源利用率。因此，提出風(fēng)光容量配置模式為：水風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行后，水電外送電量及枯期留川電量保持不變，風(fēng)光全部電量留川消納。

水風(fēng)光一體化運(yùn)行后，由于水電與風(fēng)光消納市場(chǎng)分別為省外和省內(nèi)，需要對(duì)水風(fēng)光一體化出力曲線進(jìn)行切割，分配每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)送與外送電量，劃分水電外送曲線及風(fēng)光內(nèi)送曲線，進(jìn)而確定風(fēng)光最大內(nèi)送電力，即其對(duì)送出通道能力的要求。

2.1 方案1

水風(fēng)光一體化運(yùn)行后，將水電站出力曲線直接作為水電站外送曲線，外送電量全部由水電組成。此方案較為簡(jiǎn)單直接，便于實(shí)施，但外送水電站調(diào)峰能力原則上屬于受端電網(wǎng)，若直接將水電調(diào)峰后實(shí)際發(fā)電曲線外送，可能影響受端電網(wǎng)調(diào)峰，因此提出第二種電量分配方案。

2.2 方案2

一體化運(yùn)行后，按照水電站原發(fā)電曲線外送，在水電實(shí)際出力小于原送電電力時(shí)，通過(guò)風(fēng)光外送將電力補(bǔ)平；在水電實(shí)際出力大于原送電電力時(shí)，水電隨風(fēng)光一并送往省內(nèi)，水電實(shí)際外送電量以及風(fēng)光內(nèi)送電量總量不變。

3 水風(fēng)光基地一體化運(yùn)行案例研究

3.1 水文年選取

根據(jù)T3左岸水電站（以下簡(jiǎn)稱“T3Z電站”）2013—2022年實(shí)際運(yùn)行情況，來(lái)水最枯的年份為2022年，最豐的年份為2018年，依據(jù)2022年、2018年流域?qū)嶋H水文特性分別測(cè)算T3Z電站與風(fēng)電、光伏打捆后新能源的最小和最大棄電率。此外，計(jì)算2013—2022年水電站的各月平均出力作為T(mén)3Z電站近十年的平均出力，用來(lái)測(cè)算水電站與風(fēng)電、光伏打捆后新能源的平均棄電率。

以金沙江下游T3Z、T2為例，T3Z風(fēng)電資源主要位于昭覺(jué)縣、美姑縣以及雷波縣，風(fēng)電規(guī)劃容量共87.6萬(wàn)kW，T2水電站近區(qū)風(fēng)電資源主要位于會(huì)東縣、寧南縣、普格縣以及布拖縣，風(fēng)電規(guī)劃容量共145萬(wàn)kW，T3Z及T2電站近區(qū)風(fēng)電資源總規(guī)模為232.6萬(wàn)kW。

3.2 電源側(cè)一體化約束

T3Z電站具備季調(diào)節(jié)能力，水庫(kù)蓄水可平抑來(lái)水的短期波動(dòng)。當(dāng)T3Z電站與近區(qū)光伏及風(fēng)電電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，可以利用水電站的快速調(diào)節(jié)能力彌補(bǔ)日內(nèi)風(fēng)電和光電的短期波動(dòng)。

計(jì)算T3Z水電站與近區(qū)60 km以內(nèi)新能源，包括876 MW風(fēng)電及3 670 MW光伏一體化運(yùn)行后，風(fēng)光利用情況。最枯年水風(fēng)光一體化運(yùn)行未產(chǎn)生棄電；平均年光伏和風(fēng)電均在8月和9月產(chǎn)生棄電，光伏棄電率為4.8%，風(fēng)電棄電率為5.6%，風(fēng)光綜合棄電率為5%；最豐年光伏在7月、8月、9月和10月均產(chǎn)生棄電，光伏棄電率為19.4%，風(fēng)電在9月和10月產(chǎn)生棄電，風(fēng)電棄電率為16.7%，風(fēng)光綜合棄電率為19%。

圖1與圖2分別為平均年8月、12月典型日內(nèi)水風(fēng)光一體化運(yùn)行出力曲線?？芍?，在白天7—17時(shí)光伏及風(fēng)電大發(fā)時(shí)段，水電站出力減小，水風(fēng)光聯(lián)合出力曲線較為平緩；由于枯期風(fēng)光出力水平更高，因此枯期水電站調(diào)峰深度更大，在午間新能源大發(fā)時(shí)段，水電站出力降低至0。

3.3 不同電量分配方案下風(fēng)光最大電力計(jì)算

3.3.1 一體化運(yùn)行后按照水電站實(shí)際發(fā)電曲線外送（方案1）

豐水期及枯水期風(fēng)光內(nèi)送曲線分別如圖3、圖4所示，豐水期風(fēng)光內(nèi)送最大值出現(xiàn)在7月，枯水期風(fēng)光內(nèi)送最大值出現(xiàn)在2月。

7月及2月的水電外送及風(fēng)光內(nèi)送曲線分別如圖5、圖6所示。在午間風(fēng)光大發(fā)時(shí)段，由于調(diào)峰作用，水電站出力較?。辉谕黹g風(fēng)光出力較小時(shí)段，水電站出力較大。水電外送曲線較水風(fēng)光一體化運(yùn)行前發(fā)生較大變化，豐水期原外送曲線較為平緩，一體化運(yùn)行后，在午間時(shí)段出現(xiàn)外送低谷，枯水期原外送曲線在午間及晚間時(shí)段均達(dá)到峰值，一體化運(yùn)行后呈現(xiàn)明顯反調(diào)峰特性，在午間時(shí)段出現(xiàn)外送低谷。

水風(fēng)光一體化運(yùn)行后，風(fēng)光內(nèi)送曲線日內(nèi)峰值出現(xiàn)在午間時(shí)段，此時(shí)負(fù)荷也處于峰值，風(fēng)光日內(nèi)波動(dòng)趨勢(shì)無(wú)明顯反調(diào)峰特性，豐水期風(fēng)光內(nèi)送峰值約為198萬(wàn)kW。

由于枯水期T3Z水電站留存部分電量，因此水風(fēng)光內(nèi)送峰值較大，達(dá)到約331萬(wàn)kW，其中包括水電留存16萬(wàn)kW，以及風(fēng)光出力315萬(wàn)kW。

3.3.2 一體化運(yùn)行后按照水電站原發(fā)電曲線外送（方案2）

研究采用2019年T3Z電站實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)（近十年中出力最接近平均值的年份），基于8 760 h發(fā)電數(shù)據(jù)得到月平均出力曲線（見(jiàn)圖7）?？芍?，豐水期T3Z水電發(fā)電曲線日內(nèi)波動(dòng)性較小，7—10月發(fā)電峰值均出現(xiàn)在晚間時(shí)段，電站出力約為裝機(jī)容量的70%～90%，枯水期T3Z水電發(fā)電曲線日內(nèi)波動(dòng)性相對(duì)較大，峰值出現(xiàn)在午間及晚間時(shí)段，電站出力不大于裝機(jī)容量的60%。

T3Z電站在枯水期（11—12月、1—5月）留存四川30%電量，留存后， T3Z水電站實(shí)際外送曲線如圖8所示。

在維持水電站送電曲線不變的情況下，豐水期風(fēng)光內(nèi)送曲線及枯水期水風(fēng)光內(nèi)送曲線分別見(jiàn)圖9、圖10。

豐水期風(fēng)光內(nèi)送峰值出現(xiàn)在8月，枯水期水風(fēng)光內(nèi)送峰值出現(xiàn)在2月，8月及2月的水電外送及風(fēng)光內(nèi)送曲線分別見(jiàn)圖11、圖12。

綜合來(lái)看，豐水期水電外送曲線較為平穩(wěn)，維持水電送電曲線不變，由于送電峰值出現(xiàn)在午間時(shí)段，因此風(fēng)光內(nèi)送在午間處于低谷；晚間至早晨，水電外送相對(duì)較少，風(fēng)光內(nèi)送處于高峰時(shí)段。豐水期風(fēng)光內(nèi)送峰值約為143萬(wàn)kW。在枯水期，水電外送整體水平較低，日內(nèi)波動(dòng)性相較豐水期更大，外送峰值出現(xiàn)在午間及晚間時(shí)段，因此風(fēng)光內(nèi)送峰值出現(xiàn)在夜間時(shí)段，內(nèi)送曲線存在明顯的反調(diào)峰特性，枯水期水風(fēng)光內(nèi)送峰值較大，約為240萬(wàn)kW。

3.4 新能源容量配置的水風(fēng)光基地一體化運(yùn)行建議

（1）優(yōu)化能源調(diào)度策略。優(yōu)化能源調(diào)度策略是關(guān)鍵。在一體化運(yùn)行下，可以通過(guò)充分利用水電站的靈活性和儲(chǔ)能特性，合理安排風(fēng)光發(fā)電的內(nèi)送曲線，更好地協(xié)調(diào)水電站和風(fēng)光發(fā)電，以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷匹配。

（2）增加智能調(diào)控技術(shù)。引入智能調(diào)控技術(shù)是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的有效途徑。采用人工智能和大數(shù)據(jù)分析，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)情況，實(shí)時(shí)調(diào)整水電站的運(yùn)行參數(shù)，提高系統(tǒng)的靈活性和能源利用效率。

（3）加強(qiáng)跨區(qū)域協(xié)調(diào)?？鐓^(qū)域協(xié)調(diào)是實(shí)現(xiàn)更全面、平穩(wěn)的能源調(diào)度的必要步驟。通過(guò)加強(qiáng)不同區(qū)域之間的協(xié)調(diào)合作，共享能源信息和資源，減少對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電的依賴，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。

（4）推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用是應(yīng)對(duì)風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性的關(guān)鍵措施。電池儲(chǔ)能和抽水蓄能等技術(shù)的研究與推廣，可以在低風(fēng)、弱光或高負(fù)荷時(shí)段存儲(chǔ)能量，在高風(fēng)、強(qiáng)光或低負(fù)荷時(shí)段釋放能量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（5）提升政策支持與市場(chǎng)機(jī)制。政策支持與市場(chǎng)機(jī)制的建立有助于創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境。通過(guò)制定支持可再生能源發(fā)展的政策，建立靈活的市場(chǎng)機(jī)制，激勵(lì)投資者和能源公司參與一體化運(yùn)行，推動(dòng)清潔能源的應(yīng)用和發(fā)展。政府的激勵(lì)政策，尤其是對(duì)高效能源調(diào)度和減少碳排放方面的獎(jiǎng)勵(lì)，將進(jìn)一步促進(jìn)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

深入探討了清潔能源系統(tǒng)中水、風(fēng)、光等多種能源形式的協(xié)同運(yùn)行模式。結(jié)果表明，水風(fēng)光一體化運(yùn)行可以充分發(fā)揮水電的調(diào)峰能力，減少風(fēng)光的出力波動(dòng)，提高新能源利用率。在不同水文年下，一體化運(yùn)行呈現(xiàn)出不同的特性，具有很好的適應(yīng)性和靈活性。兩種電量分配方案均可在一定程度上減少新能源的棄電率。研究成果可為未來(lái)新能源系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)提供參考，為推動(dòng)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展和能源領(lǐng)域的智能化、高效化提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

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Integrated Operation of Hydro-wind-solar Bases with New Energy Capacity Allocation

YAN Kun1，HU Hao2，HE Yaoxi1，CHEN Xue2，KANG Zhe1，ZHANG Yajun1，HU Wen1

（1. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group，Chengdu 610056，China）

Abstract：Renewable energy sources such as hydro，wind，and solar are of critical importance in the global transition towards clean and sustainable energy as demands escalate. Traditionally，these energy sources have been operated independently，and thus posing challenges to their optimal synergy. The integrated operation of hydro-wind-solar base offers a solution to resource variability and grid acceptance. Our findings demonstrate that integrated operation maximizes the peak shifting capacity of hydropower，reduces the volatility of wind and solar，and improves the utilization rate of new energy. The peak-shifting capacity of dispatched hydropower stations and the grid stability should be considered in selecting power distribution schemes. The thorough examination of new energy capacity allocation is expected to provide a theoretical basis and practical guidance for the efficient utilization of clean energy.

Key words：capacity allocation；new energy utilization；integrated operation；hydro-wind-solar base

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)電新能有限責(zé)任公司項(xiàng)目（4223020056）

作者簡(jiǎn)介：閆 坤，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉醇八姲l(fā)電技術(shù)。 E-mail：yan_kun@ctg.com.cn

通信作者：胡 浩，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。E-mail：huhao@swepdi.com