方興波 陳哲之 吉星宇恒 鄧凱 胡向昌

摘 要：金沙江流域水能、風(fēng)能、太陽能資源豐富，其中風(fēng)光發(fā)電的出力受天氣、風(fēng)速等影響呈現(xiàn)出間歇性和不穩(wěn)定性。風(fēng)光發(fā)電輸出是直流電，需要使用逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電才能并網(wǎng)，高頻工作狀態(tài)下，逆變器容易產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。提出利用金沙江流域風(fēng)光能源在水電站建設(shè)配套抽水蓄能設(shè)施，實現(xiàn)水風(fēng)光互補增加水電站出力及水電站年發(fā)電量。

關(guān)鍵詞：水風(fēng)光互補；間歇性；逆變器；諧波污染；抽水蓄能

中圖分類號：TM614；TM615；TV743 文獻標志碼：A

0 引 言

“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”是國家重大戰(zhàn)略需求。在此背景下，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔新能源得到飛速發(fā)展，大力發(fā)展風(fēng)、光等新能源可有效解決未來能源安全以及應(yīng)對全球氣候變暖的問題[1-3]。金沙江流域水能、風(fēng)能、太陽能資源豐富，其中風(fēng)能、太陽能又是最具規(guī)?；_發(fā)前景的新能源，但風(fēng)能、太陽能發(fā)電均容易受天氣條件影響導(dǎo)致出力呈現(xiàn)出隨機波動性和難以預(yù)測性[1-4]。隨著風(fēng)光建設(shè)項目的不斷推進完善，風(fēng)、光的裝機規(guī)模越來越大，大規(guī)模風(fēng)電、光電直接并入系統(tǒng)，這些分布式電源出力的不穩(wěn)定性會對電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻以及安全穩(wěn)定運行帶來極大壓力[3-5]。水電機組具有啟停靈活、出力變化幅值大、調(diào)節(jié)速率較快等優(yōu)勢，但為更高效地處理風(fēng)光大規(guī)模并網(wǎng)帶來的出力不穩(wěn)定性，可能需要頻繁啟停水電機組，降低機組的使用壽命。因此，利用風(fēng)能、光能等不可控能源，實現(xiàn)水風(fēng)光資源互補，將水電站下游河道水資源抽回水電站上游庫區(qū)實現(xiàn)儲能具有重要研究意義[6]。

1 傳統(tǒng)水風(fēng)光互補模式

目前已建成投產(chǎn)的光伏發(fā)電站或風(fēng)力發(fā)電站幾乎都是單獨并入系統(tǒng)的，這類分布式電源往往都需要重新架設(shè)導(dǎo)線，重新整定繼電保護。太陽能發(fā)電輸出是直流電，需要使用逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電才能并網(wǎng)，逆變器處于高頻工作狀態(tài)，容易產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)；而且，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電均需要建設(shè)相應(yīng)的輸電線路，如果利用現(xiàn)有水電站的輸電線路，需要改接線形式，使保護變得更為復(fù)雜。水電站庫區(qū)周邊的風(fēng)光能源可以與水電站相互配合，相互補充，但會導(dǎo)致水電站機組為配合風(fēng)光新能源調(diào)峰調(diào)頻，加大水電機組開停機頻率，對機組使用壽命產(chǎn)生不利影響。

1.1 接入水電站500 kV系統(tǒng)

金沙江流域水電站500 kV開關(guān)站大都采用二分之三或三分之四接線方式，風(fēng)光新能源可利用水電站已經(jīng)建好的外送輸電線路將電能送出。這種做法雖然節(jié)約了風(fēng)光外送線路的建設(shè)成本，但是由于水電站的開關(guān)站一般都建設(shè)在洞室內(nèi)，如果設(shè)計時沒有考慮預(yù)留出位置，重新改建和擴建會極為困難。新能源接入后，保護配置將變得復(fù)雜，現(xiàn)有保護裝置可能無法滿足新能源接入后的運行要求，需要重新配置，在此期間可能導(dǎo)致水電機組陪停，造成水電站棄水。同時，已建好的水電站輸電線路輸送容量可能無法滿足風(fēng)光能源同時送出的要求。綜合判斷，新能源接入水電站現(xiàn)有500 kV系統(tǒng)對水電站運行具有一定的挑戰(zhàn)性。

1.2 單獨架設(shè)輸電線路

已建成投產(chǎn)的水電站主接線改建和擴建困難，目前，大部分風(fēng)光電站均采用獨立的輸電線路。與直接接入水電站500 kV系統(tǒng)相比，保護配置以及線路輸送容量均需重新設(shè)計計算，建設(shè)成本比直接接入水電站500 kV系統(tǒng)高。

2 風(fēng)光抽水蓄能模式

風(fēng)電、光伏和水電是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式，可實現(xiàn)二氧化碳和常規(guī)污染物協(xié)同減排，轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，提高環(huán)境質(zhì)量[7]。在水電站庫區(qū)利用風(fēng)光抽水蓄能具有天然優(yōu)勢，一方面水風(fēng)光出力具有天然互補特性，在多年時間軸上表現(xiàn)出“枯水年水少則風(fēng)光強、豐水年水多則風(fēng)光弱”的特點，在季節(jié)時間軸上表現(xiàn)出“風(fēng)光的‘峰谷與水電的‘谷峰相對應(yīng)”的特點[7]；另一方面，風(fēng)光電站分布范圍廣且距離主網(wǎng)較遠，將分散的風(fēng)光新能源電站通過在水電站以抽水蓄能的形式匯集起來，光伏的發(fā)電出力將在中午時分達到最大值，此時電網(wǎng)負荷端的工業(yè)用電也呈現(xiàn)出相同的趨勢，在光伏發(fā)電出力與用電負荷上表現(xiàn)出“峰對峰”的特點。由于光伏發(fā)電站的分散性，高頻逆變器產(chǎn)生的高次諧波疊加后，將對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的高次諧波污染，降低了電網(wǎng)供電質(zhì)量。面對分散的光伏發(fā)電站，繼電保護將變得復(fù)雜多樣，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制是一大挑戰(zhàn)。利用風(fēng)光發(fā)電站發(fā)出的電能將水電站下游尾水抽回水電站上游庫區(qū)，即風(fēng)光抽水蓄能模式，該模式實現(xiàn)風(fēng)光系統(tǒng)與主網(wǎng)隔離運行，可有效解決上述問題。

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能既是一種儲能方式，也是一種水電形式，是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的綠色低碳清潔電源。抽水蓄能電站啟停速度快、運行范圍廣，能有效地應(yīng)對負荷變化[7]。在水電站建設(shè)風(fēng)光抽水蓄能可有效提高電網(wǎng)消納風(fēng)光新能源的水平。風(fēng)電、光伏能量是分散的，利用水電站周邊的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電給水泵供電，用水泵將水電站下游水資源抽回到水電站上游實現(xiàn)蓄能，光伏、風(fēng)力發(fā)電這類出力不穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)換為水的勢能存儲起來，實現(xiàn)能量的積少成多，利用水電機組發(fā)電，減小分布式能源對電力系統(tǒng)的危害，同時還可增加水電站的發(fā)電量。

金沙江流域的梯級水電站群的水風(fēng)光一體化發(fā)電系統(tǒng)中，流域梯級水電站不僅承擔(dān)發(fā)電的任務(wù)，還兼?zhèn)渲篮?、供水、生態(tài)、航運等水資源安全與綜合利用功能。然而，由于風(fēng)電和光伏發(fā)電具有不可調(diào)度性，且流域梯級水電站與風(fēng)光新能源電站的距離往往較遠，目前僅僅依靠流域梯級水電站來配合新能源電站進行調(diào)峰調(diào)頻，使得電網(wǎng)對新能源電能的安全消納以及電網(wǎng)安全運行存在較大風(fēng)險。因此，有必要建設(shè)配套的風(fēng)光抽水蓄能，降低新能源接入電網(wǎng)對流域梯級水電站帶來的不利影響，提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性。

水風(fēng)光一體化運行控制主要通過監(jiān)控風(fēng)、光電的出力變化，實時調(diào)整抽水泵的運行功率（見圖1），利用水電機組運行靈活、跟蹤負荷能力強等優(yōu)勢，平抑風(fēng)光出力波動，減少風(fēng)光出力不確定性對電網(wǎng)的影響，通過水電機組發(fā)電提高送端整體的電能質(zhì)量，實現(xiàn)穩(wěn)定電力送出，提升水電站送出通道利用率和水電電價競爭優(yōu)勢[7]，增加機組年利用小時數(shù)。

光伏板輸出的電壓為直流電壓且單塊光伏板的輸出功率較小，需要用匯流箱將不同光伏板發(fā)出的電能匯集起來，再將光伏發(fā)出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)?0 Hz的交流電，再經(jīng)升壓變壓器升壓后送到抽水水泵。同理，風(fēng)力發(fā)電機輸出的電流亦為直流電，電壓較低，需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)?0 Hz的交流電，再經(jīng)升壓變壓器升壓后送到抽水水泵，實現(xiàn)將零散的光伏和風(fēng)力發(fā)電電能轉(zhuǎn)化為水的勢能存儲起來，有效增加水電站的發(fā)電量，同時提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在進行風(fēng)光抽水蓄能時，要實時監(jiān)測水電站下游河道的水位情況以及下游流量是否符合生態(tài)環(huán)保要求，同時保證上游庫區(qū)水位不超過規(guī)程規(guī)定水位。根據(jù)上下游水位以及生態(tài)流量要求實時調(diào)整水泵運行功率，減小棄風(fēng)棄光的概率，使風(fēng)光得到充分利用，水電機組實現(xiàn)發(fā)得出，頂?shù)蒙稀?/p>

水泵在抽水時需要判斷相應(yīng)條件是否滿足要求，否則不能啟動抽水。具體流程如圖2所示。

S0：判斷水電站下游河道的水位及流量是否滿足抽水要求，滿足條件進入S1，否則不執(zhí)行抽水指令。

S1：判斷光伏板或風(fēng)機電壓是否正常（光伏板或風(fēng)機電壓只需要一個電壓正常即可滿足抽水條件），電壓正常進入S2，否則不執(zhí)行抽水指令。

S2：判斷光伏逆變器或風(fēng)機逆變器是否存在故障（光伏逆變器或風(fēng)機逆變器只需要一個正常工作即可滿足抽水條件），逆變器正常進入S3，否則不執(zhí)行抽水指令。

S3：判斷水泵抽水條件是否滿足，條件滿足進入S4，否則不執(zhí)行抽水指令。

S4：所有條件都滿足后，啟動水泵向上游水庫庫區(qū)補水儲能。

S5：水泵啟動后，監(jiān)視下游河道的水位及流量是否滿足設(shè)定值，高于設(shè)定值時繼續(xù)正常抽水，低于設(shè)定值時進入S6。

S6：降低水泵運行功率，減小抽水量。

S7：通過調(diào)節(jié)水泵的運行功率，維持下游河道的水位及流量滿足要求。

2.2 水位監(jiān)測裝置

電網(wǎng)負荷高峰往往出現(xiàn)在白天，新能源出力在白天也較大，但水電站受水流量影響在非汛期往往無法實現(xiàn)滿發(fā)，利用風(fēng)光能量將水電站下游河道的水抽回上游庫區(qū)，通過風(fēng)光抽水蓄能可以實現(xiàn)風(fēng)光電能就地平衡，因此，需要對下游水位進行實時監(jiān)測?，F(xiàn)有的水位監(jiān)測方式一般是利用水位標尺進行監(jiān)測，無法做到實時遠程監(jiān)測，在此期間，水電站下游河道水位可能出現(xiàn)頻繁升降，對下游河道水位檢測裝置帶來挑戰(zhàn)，一些電子式的監(jiān)測設(shè)備在水流變大時容易損壞。本文提供一種水位監(jiān)測裝置（見圖3），以解決電子式水位監(jiān)測設(shè)備常年置于水中，在水流增大時易損的問題[6]。

水電站下游河道水位監(jiān)測裝置主要由殼體、水位計以及導(dǎo)流葉片構(gòu)成。其中，殼體采用金屬結(jié)構(gòu)以支撐內(nèi)部的水位感應(yīng)裝置及導(dǎo)流葉片，將水位測量固定于金屬殼體內(nèi)，通過水位監(jiān)測裝置上的側(cè)孔調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度，避免水流增大或流速過快時損壞水位計，在導(dǎo)流葉片全開時可更換水位計。

3 結(jié)束語

面對風(fēng)光能源出力典型的間歇性以及預(yù)測和統(tǒng)一調(diào)度難度大等問題，本文提出在水電站建設(shè)配套風(fēng)光抽水蓄能裝置，利用不可控的風(fēng)光能源將水電站下游河道水資源抽回水電站上游庫區(qū)實現(xiàn)儲能，以有效解決大規(guī)模風(fēng)光并網(wǎng)帶來的出力隨機波動性和難以預(yù)測性難題，還可增加水電站的發(fā)電量，同時降低分布式電源的高次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的危害。

參考文獻：

[1] 田露，明波，張瑋，等.金沙江下游水風(fēng)光資源多時間尺度互補性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報，2023，42（10）：40-49.

[2] 周業(yè)榮，楊悅，馬光文，等.梯級水風(fēng)光網(wǎng)源協(xié)同日內(nèi)互補調(diào)度方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2023，39（12）：130-140，147.

[3] 郭曉雅，鄭李西，李庚達，等.大型水光互補電站的光伏捆綁容量規(guī)劃[J].中國農(nóng)村水利水電，2023（12）：273-279，288.

[4] 章雅雯，毛玉鑫，陶湘明，等.金沙江、雅礱江、大渡河流域水風(fēng)光互補性分析[J].水力發(fā)電，2023，49（9）：90-95.

[5] 雷鴻萱，劉攀，馬黎，等.水風(fēng)光多能互補系統(tǒng)中長期功率聯(lián)合預(yù)報[J].水力發(fā)電學(xué)報，2023，42（9）：22-33.

[6] 陳哲之，方興波，劉瑞平，等.一種水位監(jiān)測裝置及水電站利用風(fēng)光能增加發(fā)電量的方法：中國，CN117005976A[P]. 2023-11-07.

[7] 張瑋，孫長平.水風(fēng)光一體化發(fā)電系統(tǒng)研究進展[J].中國農(nóng)村水利水電，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.

作者簡介：方興波，男，助理工程師，本科，主要從事水電站運行管理工作。E-mail：fang_xingbo@ctg.com.cn