基于水、光互補(bǔ)的優(yōu)化光伏消納能力分析

牟平偉

摘要：光伏電站并網(wǎng)后可以對電網(wǎng)有調(diào)峰作用，但光伏發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，其季節(jié)與時(shí)特性十分明顯，為實(shí)現(xiàn)能源多元化，本文采用水電站、光伏電站互補(bǔ)方式（分時(shí)段、分情況）對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰以及各負(fù)荷相互協(xié)調(diào)，并用工程實(shí)際案例加以應(yīng)用分析，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保目的，對光伏并網(wǎng)化和大型化，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光伏電站；消納；能源多元化；多能互補(bǔ)

前言

我國目前的能源結(jié)構(gòu)是以煤、石油、天然氣能源為主，但由于這些能源的不可再生性，勢必使得能源的供需矛盾日益突出。作為可再生能源的太陽能，“取之不盡、用之不竭”。大力發(fā)展太陽能發(fā)電，緩解對有限礦物能源的依賴與約束，是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和調(diào)整電力結(jié)構(gòu)的重要措施之一，也是保證我國能源供應(yīng)安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

光伏消納能力以及各配電網(wǎng)之間相互協(xié)調(diào)的問題已引起重視，針對光伏發(fā)電受時(shí)間的局限性，開展光伏消納能力分析與研究，從而保證了能源結(jié)構(gòu)的合理性和科學(xué)性，極大地提高了能源調(diào)度的能力。

在國內(nèi)多能互補(bǔ)的研究實(shí)踐中，廣州明珠工業(yè)區(qū)結(jié)合城市電網(wǎng)未來發(fā)展方向和技術(shù)需求，通過冷/熱/電/氣系統(tǒng)優(yōu)化提高能源綜合利用率，積極打造可再生能源就地消納智能工業(yè)示范園。北京市延慶區(qū)“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”綜合示范工程，旨在建設(shè)支撐高滲透率新能源充分消納的區(qū)域能源系統(tǒng)。雄安新區(qū)提出了考慮燃?xì)獾饶茉礊檠a(bǔ)充的“地?zé)?”的多能互補(bǔ)工程。

針對光伏發(fā)電消納能力問題，文獻(xiàn)[1]采用基于粒子群優(yōu)化方法對配電網(wǎng)最大分布式光伏消納能力進(jìn)行評估，并與現(xiàn)有分析方法的性能進(jìn)行了比較，通過具體算例說明了所提方法的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用類高斯分布抽樣法確定隨機(jī)場景配電網(wǎng)的光伏發(fā)電消納能力。文獻(xiàn)[3-5]利用轉(zhuǎn)移線路負(fù)荷和增加儲(chǔ)能裝置兩種方法以提高配電網(wǎng)光伏消納的能力，通過建立模型演算表明增加儲(chǔ)能裝置的方法效果會(huì)更好。文獻(xiàn)[6]選取能源互聯(lián)網(wǎng)在多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方面的關(guān)鍵技術(shù)為研究對象，以多能流混合建模為基礎(chǔ)，對多能系統(tǒng)規(guī)劃，智能調(diào)控，協(xié)同控制與互動(dòng)、綜合評估、系統(tǒng)信息安全與通信等關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)進(jìn)行歸納。本文通過水電站、光伏電站互補(bǔ)，提高光伏的消納能力。

1 水光互補(bǔ)系統(tǒng)

水光互補(bǔ)系統(tǒng)是指，當(dāng)太陽光照強(qiáng)時(shí)，用光伏發(fā)電，水電停用或者少發(fā)。當(dāng)天氣變化或夜晚的時(shí)候，就可以通過電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)水電發(fā)電，以減少天氣變化對光伏電站發(fā)電的影響，提高光伏發(fā)電電能的質(zhì)量，從而獲得穩(wěn)定可靠的電源。

水光互補(bǔ)系統(tǒng)這個(gè)概念誕生于多能互補(bǔ)系統(tǒng)，從目前我國的能源結(jié)構(gòu)來看，多能互補(bǔ)這個(gè)概念其實(shí)并不陌生，系統(tǒng)中存在著各種能源之間交換規(guī)則，每一種能源需要借助另一種能源進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換才能更高效地轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相互獨(dú)立的運(yùn)行模式無法適應(yīng)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)的能源利用方式，在能量生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存和管理的幾個(gè)方面來分析整個(gè)系統(tǒng)，通過建立風(fēng)、光、水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)等，通過技術(shù)手段提高功率預(yù)測的準(zhǔn)確性和分辨率，最大程度上利用風(fēng)電電量以及水電容量之間的互補(bǔ)性，通過PMU等手段來建立風(fēng)、光、水電之間的聯(lián)系，最終使得光伏可以轉(zhuǎn)化成為可控的常規(guī)電源。

互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程主要有兩種模式：一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補(bǔ)利用傳統(tǒng)能源和新能源，優(yōu)化布局建設(shè)一體化集成供能基礎(chǔ)設(shè)施，通過天然氣熱電冷三聯(lián)供、分布式可再生能源和能源智能微網(wǎng)等方式，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用；二是利用大型綜合能源基地風(fēng)能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢，推進(jìn)風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行。

間歇性是光伏發(fā)電的缺陷。間歇性意味著其發(fā)電量極不穩(wěn)定，光照強(qiáng)的時(shí)候多，但在夜晚完全沒有。這是由于照在光伏面板上的陽光本身因天氣的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的“先天性缺陷”，無法通過光伏器件或發(fā)電系統(tǒng)自身去改變。

水電則是將河流、湖泊或海洋等水體所蘊(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，各水電機(jī)組利用小時(shí)主要由各地的降水量和流域來水量決定。目前，中國水電的年利用小時(shí)穩(wěn)定在3000～3700小時(shí)的區(qū)間。遇到河流枯水期或者長時(shí)間降雨量較少的時(shí)候，水電則相對乏力。如果在能源利用上彼此可以相互補(bǔ)充，那么能夠平衡電網(wǎng)的需求；而且還能在電站建設(shè)、輸變電設(shè)備上可以共用，提高設(shè)備使用效率。

2 案例分析

以西南某區(qū)縣光伏電站為例。

該地區(qū)水電電源豐富，截止2017年底，該地區(qū)電網(wǎng)電源裝機(jī)容量總計(jì)約150.025MW，均為水電機(jī)組。其中，以110kV電壓等級(jí)接入的水電站1座，裝機(jī)容量47.7MW；以35kV電壓等級(jí)接入的水電站7座，總裝機(jī)容量67.45MW；以10kV電壓等級(jí)接入的水電站40座。

目前該地區(qū)水電站（47.7MW）具有年調(diào)節(jié)能力。若利用兩座水電站進(jìn)行豐水期日調(diào)節(jié)，與光伏錯(cuò)峰出力，可提高光伏消納能力約40MW，該地區(qū)電網(wǎng)光伏最大允許裝機(jī)總?cè)萘靠商嵘?35MWp，其中接入點(diǎn)為某220kV變電站110kV側(cè)母線及下級(jí)電網(wǎng)的最大裝機(jī)總?cè)萘靠商嵘?70MWp，全年水電調(diào)峰電量將達(dá)到約2000萬kWh。

2.1 光伏電站運(yùn)行特性

依據(jù)采用該地區(qū)氣象站日照時(shí)數(shù)推算出輻射數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合NASA、Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正，得到該地區(qū)太陽能輻射數(shù)值。經(jīng)檢驗(yàn)，該值可與實(shí)際太陽能輻射值誤差在3%以內(nèi)。因太陽能資源微觀差異小，經(jīng)計(jì)算，巫該地區(qū)水平面太陽總輻射月際變化圖如下：

為了保證電網(wǎng)有足夠接納能力，為電網(wǎng)運(yùn)行留有足夠裕度，同時(shí)結(jié)合光資源分布等實(shí)際因素，因此光伏電站出力特性按以下條件進(jìn)行計(jì)算分析：

1）各月選取其天氣完全晴朗的一天作為典型日，巫山地區(qū)所有光伏電站均按年內(nèi)該時(shí)段上限值進(jìn)行出力；

2）所有光伏電站組件均為最佳傾斜角固定式安裝，同時(shí)光伏組件功率存在+0.5%的公差，不考慮光伏組件功率衰減；