太陽能水力聯合能源發電模式研究

朱永平 ，孟利平，饒 民

（云南大唐國際電力有限公司，云南 昆明 650011）

氣候對單一的水力發電影響較大，枯水季節幾乎不能發電，僅僅依靠水力發電解決不了現實的能源需求，配套增加太陽能發電是對現有水力發電能源最好的補充。本文提出利用太陽能、水力發電的優點聯合調度發電，通過集中控制室實施太陽能發電裝置與水輪發電機組聯合發電，利用同一送出線路向電網供電[1-3]，可大大解決太陽能發電裝置的土地制約問題，并能夠大規模利用太陽能及水力這兩種清潔能源。

1 技術方案

單獨運行的水電站年運行2500～6000 h，具有連續發電的優勢,但受季節影響，枯水期水量減少不能連續穩定發電，影響電網安全運行；單獨運行的太陽能發電裝置年運行1100～1500 h，發電效率與季節、晝夜及陰晴等氣象條件密切相關。由于光照能量分布密度小，光電轉換效率不高，光伏發電出力不穩定，不能連續在網運行。同時光照間歇變化造成脫網事故概率較大，影響電網調峰、調頻[4]，大規模應用太陽能已成為電網安全穩定運行的技術瓶頸。

太陽能光伏板占用面積大，可考慮利用水庫水面建立太陽能發電裝置，水電站與太陽能發電裝置通過集中控制室聯合發電，使用同一送出線路向電網供電[3]，如圖1所示。可以新建太陽能水力聯合發電站，即同時新建水電站與太陽能發電裝置，也可以在現有的水電站水庫中建設太陽能發電裝置。

圖1 太陽能水力聯合能源發電示意

1.1 實現方案

為了在水電站水庫水面設置大容量太陽能發電裝置，需要將多個太陽能發電裝置發出的直流電分組集中匯入逆變裝置轉變為交流電，通過太陽能升壓變壓器經關口電量表并入出口母線，水輪發電機組和太陽能發電裝置設置關口電量表分別計量電量，經主變壓器升壓送入電網，通過水輪發電機組自動發電控制 （AGC）裝置實施太陽能發電裝置與水輪發電機聯合發電，使用同一送出線路向電網供電[3]，設計方案如圖2所示。

圖2 太陽能水電站聯合能源發電流程

1.2 調度方式

考慮到水電站受徑流流量的影響大，而太陽能受天氣的影響大等特點，可由集中控制室統一調度太陽能發電裝置和水輪發電機組。當水量及陽光充足時太陽能機組和水輪發電機組同時發電，水輪發電機組可投入AGC裝置，以滿足電網調峰調頻要求；枯水季節陽光充足時太陽能發電裝置優先發電，水輪發電機組停機蓄水；陽光缺失時水輪發電機組單獨發電，水輪發電機組停機時太陽能發電裝置可供水電站廠用電備用電源。

1.3 技術要求

將水電站水庫水面設置的太陽能發電裝置與水輪發電機組用AGC集中控制，單獨設置太陽能和水輪發電機組關口電能電量表。太陽能發電裝置發出的直流電經逆變器轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波交流電，經太陽能升壓變壓器升壓后并入水輪發電機組出口母線，經主變壓器送電網變電站。

2 太陽能水力聯合能源發電的特點

（1）太陽能水力聯合發電站將建在水電站水庫水面上的太陽能發電裝置與水電站聯合調度發電。

（2）通過集中控制室AGC控制太陽能發電裝置和水輪發電機組聯合調度發電，利用同一送出線路向電網供電。利用太陽能、水電的發電優點，使聯合發電站能夠安全穩定運行，滿足電網發電要求。

（3）太陽能水力聯合能源發電模式在枯水期間利用太陽能發電增加水庫蓄能，彌補了單一水力發電的不足，提高了水庫蓄能水位和發電經濟性。

3 經濟效益

（1）以云南省為例，若建設3000萬kW太陽能與水力聯合發電站，用同一送出線路向電網供電，可以節約送出線路投資150億元以上。同時可節省耕地占用費200億元 （75萬元/hm2，1萬kW太陽能發電裝置覆蓋面積26.67 hm2）。

（2）2011年全球化石燃料燃燒釋放的CO231.6億t，其中煤燃燒釋放的CO2占到總量的45%。若建設3000萬kW太陽能與水力聯合發電站，1300利用小時可發電390億kW·h，減排CO23354萬t。

（3）太陽能水力聯合能源發電水光互補。枯水季節太陽能白天發電時水輪發電機停機蓄水儲能。晚上水輪發電機組再發電。雨季白天太陽能少發，水能多發，用這種方式每個水力發電站可以多增加700 h以上利用小時。

（4）1萬kW太陽能發電裝置覆蓋水面面積0.2667 km2（400畝）。太陽能水力聯合發電、聯合調度技術可減少水庫水面蒸發，提高水資源利用率。若建設3000萬kW太陽能與水電聯合發電站，按云南氣候年平均蒸發量1000 mm計算，每年可減少80040萬t水的蒸發。按5 m3/(kW·h)水耗計算，可增加水力發電16008萬kW·h。

（5）以多晶硅電池組件5500元/kW、并網逆變及升壓裝置900元/kW、漂浮及固定支架1100元/kW、安裝費1100元/kW測算，水面太陽能發電工程單位容量靜態投資8950元/kW。云南單位容量造價最低的賓川光伏電站可研靜態投資11180元/kW，加上征地和送出工程費用，預計突破12500元/kW。水面太陽能發電工程與水力發電聯合調度與單一的光伏電站相比，單位容量靜態投資可降低 3550元/kW。

4 前景分析

以云南省為例，云貴高原空氣稀薄、清新，大氣層密度小，陽光透過率高，太陽高角度大，日照時數長，太陽能資源僅次于西藏、內蒙、青海等省區，為中國最豐富的省份之一。全省年太陽總輻射量 3620～6682 MJ/m2， 年日照時數 960～2840 h，每天從太陽獲得平均熱量1300×1012 kcal。季節分布特點是冬春 （干）季多、夏秋 （雨）季少。春季是全年日照時數最多、太陽總輻射量最大的季節，冬季是太陽總輻射量最小的季節。干季 （11月～4月）日照時數多、太陽總輻射量大，此時段為中國太陽總輻射量數值較多的地區。雨季 （5月～10月）日照時數少，太陽總輻射量小。云南省地處太陽能資源豐富區，利用太陽能光伏發電的條件優越，前景廣闊[5]。

云南是全國水電資源大省，境內水能資源豐富，居全國第二，約占全國總量4.02億kW的24.4%。不僅資源蘊藏量巨大，且分布主要集中在金沙江、瀾滄江、怒江三大流域，占云南省經濟可開發容量的85.6%。 云南省內流域水量充沛而穩定，可開發水電站裝機容量9795萬kW，在不增加占用土地面積，不增加送出的情況下利用水電站水庫，理論上可建設8000萬kW太陽能發電裝置。積極有序地開發太陽能與水電聯合發電資源，是國家能源戰略的需要，是中國經濟社會發展需要，是中國生態文明建設的需要。

5 結語

太陽能與水力聯合發電模式是解決太陽能裝置土地難題的新思路。

（1）利用水電站水庫水面建設太陽能與水力聯合能源發電站，可極大地減少建設太陽能電站耕地占用面積和平整土地費用，減少水庫水面蒸發，增加枯水季節水庫面積，大幅度提高太陽能在電網中的裝機容量，提升枯期水電站的發電能力，比單獨水力發電或單獨太陽能發電裝置更安全，更經濟，效率更高。是大規模利用清潔能源的新形式。

（2）太陽能與水力聯合發電不增加電網的短路容量，可避免逆變側網絡故障沖擊發電機，滿足電力系統潮流分布、繼電保護和無功控制要求。

（3）將太陽能發電裝置和水輪發電機組合通過AGC聯合調度，將太陽能發電間歇發電，不能連續在網運行的缺陷控制在相對穩定狀態，保證電網安全穩定運行，在增加枯水季節水力發電能力的同時大規模利用太陽能。

［1］太陽能光熱發電前景廣闊［N］.中國電力報.2012-03-27.

［2］國際能源署.可再生能源市場中期報告［R］.2012.

［3］朱永平，孟利平，饒民.一種水面太陽能水力聯合發電方法［P］.中國專利申請號CN201210116081.

［4］Q/DBW 617—2011光伏電站接入電網技術規定［S］.

［5］云南省能源局.云南省太陽能資源評價報告［R］.2011.