巴拉水電站水光一體化開發模式研究

徐 琨 武, 楊 洋, 鄧 欽 宣

(四川足木足河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

巴拉水電站開建以來,自2013開始就開展了腳木足河水情信息測報。從2014年開始,委托阿壩州水文局開展腳木足河汛期水情信息預報。2014年為最大(424.6 m3/s),2016年為最小(199 m3/s),從實測流量信息看,滿足巴拉水電站單機引用流量125.94 m3/s和23.6 m3/s生態流量的難度較大,長期處于低出力狀態,運行經濟性欠佳,經營難度大。

為解決巴拉水電站運行時應對氣候條件變化的靈活性,依據《關于開展“十四五”水風光一體化可再生能源綜合開發基地專題研究的通知》等系列文件精神,立足巴拉水電站外部環境條件,按照“多規合一”的原則,充分發揮地區水能和太陽能的資源優勢,開展多能一體化利用,因地制宜地開展水光一體化利用規劃,研究水光一體化開發模式[1],實現光伏平價和競價上網,降低建設成本,提高水電面對自然條件的靈活性。

巴拉水電站水光一體化項目利用水電站的調節能力,在不新增送出通道建設投資的條件下,將水光電力打捆送出。基地內新能源電站通過水光一體化運行后,基地內的新能源上網電能及電網通道利用率均得到有效提升,同時,基地內可再生能源綜合開發經濟性亦得到改善,項目的建設符合國家能源發展戰略[2]。

2 巴拉水電站出力特性

下爾呷水電站受投資指標和生態紅線等多重因素影響,近期開發的可能性極小,巴拉水電站水光一體化開發研究以巴拉水電站單獨運行特性進行分析。

巴拉水電站單獨運行時,平水年利用小時數為3 291 h,平均發電量23.698億kW·h,枯水年利用小時數為2 484 h,平均發電量17.874億kW·h。從預想出力看,電站不存在受阻容量。以豐水年為例,從平均出力看,巴拉水電站1～3月份和12月份平均出力42.1～72.7 MW;4月、11月份平均出力172.7～209.6 MW;5～10月份平均出力約353.7～641.1 MW。

巴拉水電站豐水年豐期平均出力與預想出力之比在0.76左右,其中6～7月平均出力與預想出力之比0.86,具備一定的調節能力。

3 光伏電站出力特性

3.1 年內月平均出力曲線

巴拉水電站周邊規劃光伏電站年內各月平均出力數據和各月平均出力曲線分別見表1和圖1。從光伏年內出力特性看,區域光伏電站月平均出力系數為0.176;秋冬季(1～3月及10～12月)光伏組件效率隨溫度降低而升高,光伏出力較大,在0.189～0.201之間,其中11月最高;春夏季(4～9月)高溫多雨,光伏出力相對較小,在0.149～0.172之間,其中7月份最低。

圖1 光伏電站各月平均出力曲線圖(單位:MW)

表1 光伏電站年內各月平均出力數據 /MW

3.2 典型日平均出力曲線

腳木足河流域規劃光伏電站各月典型日平均出力見圖2。由圖可知,光伏電站出力主要在9～18時,日最大出力出現時段較為集中,在11～14時。

圖2 光伏電站各月典型日出力曲線圖(單位:MW)

4 水電與光伏發電出力年互補特性

從巴拉水電站平均出力看,呈現豐大枯小特性。豐水期差值較小和枯水期差值較大的特性,水電站具備日調節能力,按照水電站送出線路功率最大不超過裝機容量考慮,均具備接入光伏電站的空間。

從光伏特性來看,光伏全年月平均出力相對平穩,當年11月～次年2月光伏月平均出力最高,5～7月平均出力最低。光伏電站月平均出力顯現豐小枯大的出力特性,與巴拉水電站豐大枯小的出力特性有較好的互補性。具體到日內,光伏出力主要在一天中的9～18時,日最大出力出現時段較為集中,在11～14時。

當水電站的水庫具有一定的調節庫容時,水庫的蓄水可以平抑來水的短期波動,如果將水電站和光伏電站聯合運行,就可以用水電站的水庫調節能力平抑彌補光伏發電的短期波動,而光伏發電可以為水光一體化系統提供電量保證。因此,水電、光伏發電聯合運行時,水電站可以根據光伏出力的變化,動用自身的調蓄能力進行日內調節,平抑光伏發電的短期波動,且在白天光伏電站出力較大時,水電站可減小其出力并蓄水,在夜間水電站則工作于高出力狀態。

總之,水電、光伏發電的自身出力存在季節上的互補性,且水電站的日調節能力可與光伏發電有效結合,聯合運行時光伏發電對水電是有力的補充。

5 巴拉水電站光伏配比容量

根據巴拉水電站出力特性,在區域規劃光伏電站理論出力的基礎上,綜合考慮輻射數據、塵土覆蓋、組件性能、逆變器損耗等因素,對逐月理論出力進行修正,得出整個區域光伏電站出力特性參數。經水光互補特性計算,相同光伏容量配置條件下,豐水年棄電率相對最大,枯水年棄電率最小。隨著綜合棄電率的增大,巴拉水電站可配置的光伏電站容量也同步增大。當綜合棄電率約為5%時,豐水年棄電率基本達到8.8%左右。當考慮綜合棄電率約為0%時,各電站配置的光伏容量未超過水電站裝機容量。

根據《四川省能源局關于報送2021年光伏發電、風電開發重點項目的通知》文件要求,水電站風光水互補開發項目中風電、光伏的規劃規模不得超過水電站裝機容量。因此,為滿足上述條件,同時充分考慮水光互補特性,采用綜合棄電量≈0%的光伏容量配置方案,即:巴拉水電站(746 MW):配置光伏容量最大約690 MW。

6 巴拉水電站水光互補運行的出力

巴拉水電站及其對應容量光伏電站,考慮枯水年、平水年及豐水年光伏電站綜合棄電率≈0%,經互補特性計算,巴拉水電站對應可配置光伏電站容量約690 MW,各水文年方式下豐、枯期水光互補后的出力均不超出巴拉電站的裝機容量(746 MW)。因此,光伏電站可以與水電站經互補后送出,疊加光伏電站將進一步增加豐枯期可送出的電量,光伏電站產生的電量可視為對巴拉水電站電量的有益補充,提升了通道利用率,實現水電、光伏、通道“1+1+1大于3”的綜合效益最大化[3]。

7 結 語

隨著水電能源的大力開發,水電工程逐步進入各流域上游,但上游龍頭水庫不具備建設條件,受降雨匯流特點的影響,豐水年與枯水年、豐水季節與枯水季節之間的入庫流量相差很大,下游電站影響較大,年利用小時偏低,發電經濟效益不佳。利用已規劃腳木足河流域現有水電送出通道送出光伏發電,在目前全國光伏發電“就近接入、就地消納”的基礎上,探索一種新型的可再生能源開發模式,對流域剩余梯級電站開發具有極大的參考價值[4]。這種開發模式和送出方式的推廣應用,將極大提高流域內的可再生能源開發利用水平。受自然、外部環境等因素影響經濟指標偏差的常規水電項目有了開發的可能性,諸如腳木足河下游達維水電站已著手開展水風光蓄一體化開發研究工作,建成后將形成腳木足河流域多元互補的清潔能源供應體系。