基于發(fā)電效益最大化的水光互補(bǔ)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

王學(xué)成，楊 雨，劉慶超

（1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責(zé)任公司，新疆富蘊(yùn)836100；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

基于發(fā)電效益最大化的水光互補(bǔ)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

王學(xué)成1，楊 雨2，劉慶超2

（1.新疆華電沙爾布拉克水電有限責(zé)任公司，新疆富蘊(yùn)836100；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

針對(duì)某水電站由于來水的季節(jié)變化特性，而導(dǎo)致的長期低效率運(yùn)行問題，本文提出建設(shè)水光互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。通過與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司重新協(xié)商調(diào)度協(xié)議，實(shí)現(xiàn)水電的優(yōu)化運(yùn)行，提高整個(gè)項(xiàng)目的盈利能力。

水光互補(bǔ)；水電優(yōu)化運(yùn)行；盈利能力提升

0 引言

水光互補(bǔ)項(xiàng)目往往依托已建成水電站，將新建光伏電站視為擴(kuò)建容量而接入其中。這種發(fā)電形式不但能夠解決光伏安全并網(wǎng)的難題[1，2]；也最大限度地利用當(dāng)?shù)刭Y源，發(fā)揮兩種能源各自的優(yōu)勢，相互間做到有益的補(bǔ)充[3]；同時(shí)節(jié)省建設(shè)成本，提高送出設(shè)備的利用率；另外增加互補(bǔ)發(fā)電單元中機(jī)組運(yùn)行的靈活性，通過優(yōu)化提升發(fā)電企業(yè)的盈利能力，是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向之一。

目前，對(duì)水光互補(bǔ)工程的研究，多數(shù)集中在提高發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量，使其對(duì)電網(wǎng)更加友好[4~6]，而它對(duì)發(fā)電企業(yè)的價(jià)值則鮮有提及。本文主要研究實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)之后，如何通過改變電站原有調(diào)度策略，最大限度地提高發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)發(fā)電企業(yè)的盈利能力。

1 某水電站運(yùn)行現(xiàn)狀

某水電站水庫正常蓄水位802m，相應(yīng)庫容8630萬m3，死水位790m，相應(yīng)庫容3930萬m3。電站正常運(yùn)行中水頭一般在52~43m之間變化。水輪機(jī)型號(hào)為HAL551-LJ-230，其額定水頭41m，額定轉(zhuǎn)速230.8r/min，單機(jī)額定流量41.34m3/s。發(fā)電機(jī)采用3臺(tái)SF15-26/4500型發(fā)電機(jī)，單機(jī)額定功率15MW，額定電壓10.5kV，額定功率因數(shù)0.85（滯后），額定轉(zhuǎn)速230.8r/min。經(jīng)過一輪改造后，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組最大功率可達(dá)16.7MW。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，電站各月的平均來水量及流量見表1，每年4~9月為豐水期，電站出力較高；10月~來年3月為枯水期，枯水期電站只能維持在一個(gè)很低的出力下運(yùn)行，一方面，由水輪機(jī)的效率特性可知（如圖1所示），機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下，為電站帶來了極大的損失（以二月份為例，平均流量僅有8.0m3/s，電站為了維持高水頭，只能利用來水發(fā)電，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)效率只有不足50%）；另一方面，由于調(diào)度協(xié)議的約束，電站如果停機(jī)蓄水又將面臨巨額罰款，二者共同影響了水電站收益。

表1 某水電站各月的平均來水量及流量

2 水光互補(bǔ)方案設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化方案可行性分析

為改變水電站長期低效率運(yùn)行的現(xiàn)狀，考慮在電站附近建設(shè)光伏發(fā)電工程，實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)，項(xiàng)目建成后，水電和光伏將作為一個(gè)整體的發(fā)電單元對(duì)外供電。通過和電網(wǎng)公司協(xié)商新的調(diào)度協(xié)議，有望改變項(xiàng)目公司現(xiàn)有經(jīng)營狀況，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目更好的盈利。

由于國家政策限制，在該地區(qū)爭取地面光伏電站指標(biāo)存在困難，本項(xiàng)目擬建設(shè)18MWp分布式光伏電站，與水電站形成互補(bǔ)。水光互補(bǔ)形成后，水電站可采取日間蓄水，夜間發(fā)電的調(diào)度策略，以提高發(fā)電時(shí)段的負(fù)載率，提高電站發(fā)電效率。另外，根據(jù)項(xiàng)目公司反饋，已與電網(wǎng)公司達(dá)成初步協(xié)議—水光互補(bǔ)發(fā)電中，對(duì)水、光系統(tǒng)一天中供電的連續(xù)性可不做嚴(yán)格要求，也即在制定調(diào)度協(xié)議時(shí)，水電站可不考慮與光伏在發(fā)電時(shí)段上的配合，而是根據(jù)本電站效率最優(yōu)化的需要，靈活決定每天的發(fā)電時(shí)間。

工程所處地區(qū)分布式光伏上網(wǎng)電價(jià)僅為0.67元/kWh（當(dāng)?shù)鼗痣娒摿蚝蟮臉?biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)0.25元/kWh+分布式光伏補(bǔ)貼0.42元/kWh），低于地面光伏電站0.9元/kWh的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)。偏低的電價(jià)致使其本身盈利存在困難，然而就水光互補(bǔ)整體而言，由于水電站效率的大幅提升，整個(gè)系統(tǒng)仍有望獲得更好的盈利能力，方案具有可行性。

圖1 水輪機(jī)運(yùn)行特性曲線

2.2 水電站優(yōu)化運(yùn)行

“我們相信(Xe-100的)安全案例已得到充分證明，我們認(rèn)為這是一種內(nèi)在安全的反應(yīng)堆。”X能源主管反應(yīng)堆研發(fā)的副總裁馬丁·范斯塔登表示，“我們不需要任何操縱員行動(dòng)和能動(dòng)電力系統(tǒng)來確保電廠或公眾安全”或“確保任何廠區(qū)邊界(輻射照射)限值均不會(huì)被超出”。

以年發(fā)電量最大為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)，調(diào)度周期分為T個(gè)時(shí)段，以t代表時(shí)段變量，t=1，2，…，T；以Qt表示水庫在t時(shí)段的發(fā)電引用流量；Ht表示水庫在t時(shí)段的平均發(fā)電水頭；Vt表示水庫在t時(shí)段的平均庫容，則優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為：

發(fā)電引用流量限制：

水庫庫容限制：

水庫水量平衡方程式：

電站出力限制：

式中A—系數(shù)，包括發(fā)電效率和時(shí)段時(shí)間的影響；

Qmax，Qmin—允許的最大、最小發(fā)電引用流量；

Qrt—t時(shí)段的入庫流量；

ΔVqt—t時(shí)段的棄水總量；

Nmax，Nmin—電站允許的出力上、下限。

假設(shè)發(fā)電機(jī)效率恒為97%，結(jié)合圖1所示水輪機(jī)效率曲線，擬合得到發(fā)電機(jī)組的效率模型；以年為周期進(jìn)行優(yōu)化，將每15min作為一個(gè)調(diào)度時(shí)段，水頭調(diào)節(jié)范圍為43~52m，采用粒子群算法對(duì)上述問題進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表2。

觀察上表可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同的時(shí)間和來水量，優(yōu)化方案給出了不同的策略：

（1）對(duì)于來水量不大，利用當(dāng)天來水無法使電站維持全天滿發(fā)的月份（1~3月、7~12月），方案在只利用當(dāng)天來水發(fā)電，維持高水頭這一原有運(yùn)行策略的基礎(chǔ)上，充分利用了水光互補(bǔ)系統(tǒng)中水電站每日發(fā)電時(shí)間相對(duì)靈活的優(yōu)勢，通過合理控制每日發(fā)電時(shí)間，使電站在發(fā)電時(shí)段保持高負(fù)荷運(yùn)行，大幅提高了電站的效率，從優(yōu)化結(jié)果中可以看出，對(duì)應(yīng)月份在優(yōu)化后，均達(dá)到了機(jī)組可能達(dá)到的最佳耗水率7.63m3/kWh，大幅優(yōu)于優(yōu)化前值，同時(shí)發(fā)電量大幅提升，尤其對(duì)于嚴(yán)重枯水期（11月至來年4月），優(yōu)化后可提升發(fā)電量近50%，為電站帶來巨大的效益，體現(xiàn)出水光互補(bǔ)系統(tǒng)在盈利能力上的優(yōu)越性。

（2）洪水期面臨大量棄水，單純追求發(fā)電的低耗水率沒有意義。本方案充分發(fā)揮水庫的調(diào)節(jié)能力，在汛期來臨之前（4月份）利用原有庫容盡可能地增加發(fā)電量，同時(shí)清空庫容，此時(shí)總優(yōu)化目標(biāo)等價(jià)于通過科學(xué)調(diào)度庫容，換取盡可能長的電站滿發(fā)時(shí)間；待洪水期來臨后（5~6月份），電站可不計(jì)效率地隨時(shí)保持滿發(fā)，同時(shí)逐漸恢復(fù)水庫水位。從優(yōu)化結(jié)果可以看到，雖然由于水頭的變化導(dǎo)致機(jī)組4~5月份耗水率有所上升，但4月份因此增加了發(fā)電量近40%，且由于來水充足，5月份在恢復(fù)水頭的同時(shí)，機(jī)組仍可保證滿發(fā)，發(fā)電量未受影響，同時(shí)減少了棄水量。圖2~圖5為4、5月份電站水頭高度和機(jī)組耗水量變化曲線。

圖4可見，由于來水量巨大，進(jìn)入汛期之后，水庫僅用10天左右時(shí)間即恢復(fù)了最高水位。水庫有限的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致電站在5~6月仍會(huì)面臨較大的棄水量。

表2 枯水優(yōu)化期各月的日發(fā)電時(shí)間、效率和發(fā)電量

3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

項(xiàng)目新建光伏電站所在地最佳傾斜面年輻照量為1821kWh/m2，20年可研平均利用小時(shí)數(shù)為1334h。項(xiàng)目裝機(jī)為18MWp，由于可利用水電站已有設(shè)施實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，無需另外建設(shè)升壓站以及送出線路，按單位千瓦投資7800元/kW計(jì)算成本；另外光伏電站無需增加運(yùn)維人員，可節(jié)省一部分開支。

該項(xiàng)目為分布式光伏電站，上網(wǎng)電價(jià)為0.67元/kWh，本身不具備盈利能力，而對(duì)于水光互補(bǔ)系統(tǒng)，可考慮將互補(bǔ)后水電站提升的效益，作為補(bǔ)貼收入納入到光伏發(fā)電項(xiàng)目中之，得到光伏項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率為23.37%之間，優(yōu)于普通的地面式光伏電站，盈利能力優(yōu)秀。

圖2 四月水頭高度變化曲線

圖3 四月機(jī)組耗水量變化（維持32.4MW）曲線

圖4 五月水頭高度變化曲線

圖5 五機(jī)組耗水量變化（維持50.1MW）曲線

表3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表

4 結(jié)語

為了解決某水電站長期運(yùn)行效率低下的問題，本文提出了建設(shè)水光互補(bǔ)發(fā)電單元的優(yōu)化方案：

（1）通過在水電站附近建設(shè)光伏電站，組成水光互補(bǔ)單元，改變電站與電網(wǎng)公司間的調(diào)度協(xié)議，提高水電站運(yùn)行的靈活性；

（2）以水電站年發(fā)電量最大為目標(biāo)，在枯水期和汛期采用不同的運(yùn)行策略，大幅提高了水電站發(fā)電量；（3）由于該區(qū)域地面式電站指標(biāo)限制，方案擬建設(shè)18MWp分布式光伏項(xiàng)目。雖然分布式項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)較低，但其存在有利于整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效益提升，將水電站提升的效益納入到光伏項(xiàng)目后，得到光伏項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率為23.37%，盈利能力優(yōu)秀。

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Optimal Scheme Design of Hybrid Hydro-Solar Power Generation Aiming at Maximizing Generation Benefits

WANG Xue-cheng1，YANG Yu2，LIU Qing-chao2
（1.Xinjiang Huadian Sarbulak hydropower limited liability company，F(xiàn)uyun 836100，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030）

To solve the problem of some hydropower plant operating at low efficiency，due to the seasonal changing character of runoff，this paper proposes a optimal scheme of constructing hybrid hydro-solar power generation system. Through renegotiating the dispatching protocol with the local Grid Corp，we realize optimal operation of hydropower，and improve the profitability of the entire project.

hybrid hydro-solar power generation；optimal operation of hydropower；profitability improvement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.008

TM61

B

2095-3429（2015）06-0027-04

2015-09-01

修回日期：2015-11-16

王學(xué)成（1978-），男，助理工程師，從事水電站及新能源電站生產(chǎn)運(yùn)營及項(xiàng)目前期管理工作。