多能互補發(fā)電的發(fā)展及其關鍵技術

李 妍，彭姚紅，崔寒珺

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001；2.國網(wǎng)攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000；3.中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

環(huán)境惡化和能源的短缺問題促使人類將目光投向了可再生的清潔能源，其中太陽能和風能得到了最大的發(fā)展。中國是世界上大規(guī)模開發(fā)太陽能和風電的國家之一，太陽能發(fā)電和風電的裝機容量飛速增長。據(jù)統(tǒng)計，2015 年全球風電產(chǎn)業(yè)新增裝機63013MW，同比增長22%;其中，中國風電新增裝機容量達30500MW；到2015 年年底，全球風電累計裝機容量達到432419MW，累計同比增長17%。光伏和風電在我國電力系統(tǒng)的滲透率日益增大。其他的新能源發(fā)電例如生物質(zhì)能發(fā)電也有發(fā)展。但是，光伏發(fā)電和風電具有隨機性、間歇性和波動性的特點。光伏發(fā)電和風電的并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、安全、調(diào)度和控制等方面的影響也越來越大。雖然光伏和風電的裝機容量很大，但是它們的并網(wǎng)消納仍是一個有待解決的問題。以太陽能和風能為主要代表的清潔可再生能源如何最大程度地消納得到了學術界和工程界的廣泛關注。

新能源發(fā)電的出力大多不平衡，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是巨大的挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電以太陽能和風能發(fā)電的規(guī)模最大，但是太陽能和風能的并網(wǎng)消納受到了很大的限制，主要是因為以下幾個方面：

1）電網(wǎng)的建設相對滯后。我國太陽能和風能資源主要集中在“三北”地區(qū)，該地區(qū)能源豐富，但不是負荷中心。雖然該地區(qū)的光伏和風電的裝機容量很大，但是電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構還不能夠全部承擔輸送的任務。

2）電網(wǎng)調(diào)峰能力不足。太陽能和風能本身的隨機性、間歇性和波動性對電力系統(tǒng)調(diào)度和安全穩(wěn)定的影響，正是由于這種特點，電網(wǎng)需要足夠調(diào)峰容量來平衡太陽能和風能出力的波動性。

3）出力預測不夠準確和精細化。目前對光伏和風電出力的出力預測還遠遠達不到調(diào)度的要求。這會加大調(diào)度的難度，往往因為預測不準而棄光或者棄風。

4）調(diào)度模式有待完善。我國電網(wǎng)采用的分省平衡。隨著光伏和風電的裝機容量日益增大，采用分省平衡的調(diào)度方式會造成沒有足夠的調(diào)節(jié)容量，限制了光伏和風電的并網(wǎng)容量。

5）消納政策有待完善。國家政策對新能源發(fā)電電價的補貼使得電網(wǎng)采購電價成本增大，而且新能源會占用系統(tǒng)中火電或者水電的容量，使火電或者水電保留一定的容量來平衡新能源出力的波動性。

因此，為了增大對新能源的消納，必須加快加強電網(wǎng)結(jié)構的建設，完善新能源消納的政策法規(guī)，并提高新能源出力預測的精確度。

1 多能互補發(fā)電

多能互補發(fā)電是指利用新能源（主要指太陽能和風能）和傳統(tǒng)的能源（水電或者火電）相互的優(yōu)勢互補發(fā)電，有的會配置一定容量的儲能裝置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出力的不平衡。

多能互補發(fā)電利用各種能源的特點進行優(yōu)勢互補，主要有以下的優(yōu)勢：

1）彌補各自的缺點，平滑出力曲線，可以向電網(wǎng)提供更多優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的清潔能源；

2）共用變電設施，減少建設投資；

3）統(tǒng)一管理，提高工作效率；

4）充分利用資源，合理利用空間。

1.1 多能互補發(fā)電的發(fā)展

鑒于目前的技術，多能互補發(fā)電主要有風光/風光儲互補、風水互補、水光互補、光生（生物質(zhì)能）互補等形式。

1.1.1 風光/ 風光儲互補發(fā)電

太陽能和風能在季節(jié)上有互補特性，很多地區(qū)太陽能夏季豐富，冬季匱乏；而風能恰好相反。采用風光進行互補發(fā)電可以實現(xiàn)季節(jié)上的互補。風電和光伏發(fā)電往往會配置一定容量的儲能裝置來平衡系統(tǒng)出力的波動性。風光/風光儲互補在太陽能和風能豐富的地區(qū)可以構建成微電網(wǎng)，解決偏遠地區(qū)的供電問題。

1.1.2 風水/ 水光互補發(fā)電

水能是可再生的清潔能源，水力發(fā)電具有比火力發(fā)電更靈活的調(diào)節(jié)能力。水力發(fā)電機組的這一特點，可以用來調(diào)節(jié)風電/光伏發(fā)電出力的波動性、隨機性和間歇性。

我國的一些地區(qū)具有實現(xiàn)風水/水光互補的優(yōu)良條件。在我國的“三北”地區(qū)，風力資源豐富，風能呈現(xiàn)“夏秋季風較小，春冬季風能豐富”的特點，但是水力資源卻在夏秋季是豐水期，冬春季是枯水期，因此風電和水電在季節(jié)上可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

青海太陽能資源豐富，土地人口密度小，且有豐富的水電。光伏和水電互補也具有很好地條件，青海省是進行水光互補的理想地。龍羊峽水光互補電站是目前全球最大水光互補電站，給新能源消納指出了新的方向，具有很強的示范意義。

1.1.3 光生（生物質(zhì)能）互補發(fā)電

光生互補發(fā)電是將光伏與生物質(zhì)能結(jié)合在一起進行優(yōu)化的熱力發(fā)電。在有陽光的時候，光生互補發(fā)電系統(tǒng)一起運行，太陽能集熱系統(tǒng)和生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)共同推動汽輪機；在沒有陽光時由生物質(zhì)能單獨發(fā)電。

1.2 多能互補發(fā)電的關鍵技術

1.2.1 新能源出力預測

新能源的出力特點對電力系統(tǒng)的調(diào)度造成了困難，同時大規(guī)模的新能源并網(wǎng)會對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成威脅。目前，新能源的出力預測技術在時間尺度和精準度還達不到調(diào)度的要求。

出力預測的研究對象是輸出功率不為恒定值的能源短期預測，預測的參數(shù)有光照強度、風速大小等環(huán)境自然變量，根據(jù)自然變量的不同特性有不同的預測方法。

其中光伏功率預測研究現(xiàn)集中在超短期和短期預測上,我國對NWP 的預測在時間尺度和精度尚未達到高精確度光伏出力預測的要求,同時受到光伏數(shù)據(jù)積累量和限電等制約,預測結(jié)果與實際情況還有一定的差距。

從風力發(fā)電功率的長期跟蹤預測的實際應用中發(fā)現(xiàn)，為提高風力發(fā)電出力預測的精度，可以通過提高NWP 的預報精度進行改善，結(jié)合多種預測因素（物理模型、氣象信息）的預測方法發(fā)展前景廣闊。

1.2.2 多能互補系統(tǒng)態(tài)勢感知

包括光伏、風電等多種采用清潔能源的可再生發(fā)電單元本身具有波動特性，且運行模式更加多樣，控制方式更加復雜，因此在接入原有系統(tǒng)運行時，增加了許多不確定因素，不便于對其進行調(diào)度控制。在此背景下，采用適當技術實時感知多能互補系統(tǒng)中各電源與負荷的運行狀況。

態(tài)勢感知技術只是剛剛應用在電力系統(tǒng)中，在配電自動化和調(diào)度自動化中產(chǎn)生了萌芽，電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)（EMS）的應用也隨著態(tài)勢感知的應用朝著更高級的應用功能方向發(fā)展。電力系統(tǒng)能量管理人員的“決策”可依托態(tài)勢感知系統(tǒng)“理解”和“預測”作為重要的應用功能。

1.2.3 能量管理系統(tǒng)

多能互補系統(tǒng)由于新能源的隨機性，必須對其出力的過程進行監(jiān)視和控制。在多能互補系統(tǒng)中必須利用SCADA、AGC 和AVC 等構成一套完善的能量管理系統(tǒng)。

1.2.4 系統(tǒng)的保護與控制

多能互補系統(tǒng)的保護與控制是指系統(tǒng)故障發(fā)生時可以快速準確定位、切除故障，并恢復系統(tǒng)正常。

2 水光互補發(fā)電系統(tǒng)工程實例

光伏電站、水電站和水庫組成了常見的光伏- 水電聯(lián)合運行系統(tǒng)。環(huán)境因素會影響到水利發(fā)電和光伏發(fā)電的出力，其中水庫的庫容大小影響到水利發(fā)電的出力大小，日照強度和氣候溫度會影響到光伏發(fā)電的出力大小。兩種發(fā)電形式受到環(huán)境影響的趨勢也呈現(xiàn)出互補的關系，晴朗天氣時，日照強度和氣候溫度較高，光伏出力較高，但水庫容量較低，水電出力較低，陰雨天氣恰恰與之相反。水光發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行原理見圖1。

圖1 水光發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行原理圖

陜西省延安市安塞區(qū)王瑤水庫壩址位于杏子河中游河段，壩址以上集水面積820 km2，全流域為55.3%，干流總長為54 km，河道平均比降為4.49‰。多年平均徑流量為4050 萬m2，均質(zhì)土壩壩高55 m，總庫容2.03 億m3，水庫距離下游延安市約65 km。王瑤水庫壩后電站最大水頭52.48 m，最小水頭45.58 m，結(jié)合機組選型、轉(zhuǎn)輪機直徑的取值，最小發(fā)電流量0.13 m3/s，計算得出力加權平均水頭49.93 m，裝機容量為820 kW·h，多年平均發(fā)電量302.16 萬kW·h，年利用小時數(shù)3685 h。依據(jù)《小型水力發(fā)電站設計規(guī)范》（GB 50071-2002），王瑤水庫壩后電站設計保證率選擇為P=85%。根據(jù)王瑤水庫壩后電站出力- 頻率關系曲線，查得其保證出力N保=310 kW。

陜西安塞協(xié)合200 MWp 生態(tài)光伏發(fā)電項目電池組件選用295 Wp 多晶硅電池組件，選用500kW逆變器，規(guī)劃容量200 MWp。按照《太陽能資源評估方法》（QX/T 89-2008）修正太陽能輻射的數(shù)據(jù)，本光伏發(fā)電站的光伏總輻射量為5662 MJ/m2，所處環(huán)境的日照小時數(shù)為2706 h。

電力系統(tǒng)中發(fā)電站存在著四種運行方式，分別為：夏季大方式、夏季小方式、冬季大方式與冬季小方式，四種運行方式取決于兩個影響因素：接線與開機。夏季大方式下發(fā)電站出線全部接線，發(fā)電機全部開機，是發(fā)電站出力最大的運行方式，本文研究選取此方式。

夏季大方式某一日中安塞區(qū)日照強度和王瑤水庫的徑流量關系，見圖2。

圖2 夏天大方式某一日中日照強度和水源的徑流量關系

由圖2 可知，光伏出力隨著日照強度的變化出現(xiàn)很大的波動性，而水電站出力基本保持不變，這種情況對于水- 光互補系統(tǒng)的出力分配是不經(jīng)濟的。

光伏- 水電聯(lián)合系統(tǒng)容量優(yōu)化時間跨度為某自然日，時間精度為某自然日中的每一小時，約束條件為水電出力大于光伏出力，水電出力與光伏出力之和等于負荷容量，優(yōu)化后的光伏出力，見圖3。

圖3 優(yōu)化前一日中光伏、水電輸出以及負荷分布

由圖3 可知，夏季大方式某一日中的有功負荷分布與日照強度分布相似，未優(yōu)化的光伏- 水電聯(lián)合系統(tǒng)中光伏出力受到了很大的制約，既過度消耗了水庫容量，又產(chǎn)生了棄光現(xiàn)象。

利用粒子群算法，迭代優(yōu)化后的水電出力和光伏出力曲線，見圖4。

圖4 優(yōu)化后一日中光伏、水電輸出以及負荷分布

由圖4 可知，水- 光聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化后，可以增加光伏發(fā)電的出力，水電可作為熱備用，增加水庫的庫容。計算優(yōu)化后水力發(fā)電的用水量，見圖5。

圖5 優(yōu)化前后水力發(fā)電用水量對比

由圖5 可知，水- 光聯(lián)合系統(tǒng)互補優(yōu)化后，水利發(fā)電的用水量顯著降低，水庫的庫容也隨之增加。

3 結(jié)語

新能源發(fā)電已形成一定的規(guī)模，但是其消納存在很大的問題，利用多能互補可以為新能源的消納提供有效途徑。我國新能源豐富，多能互補發(fā)電仍處于起步階段。本文針對多能互補的發(fā)展和關鍵技術分析得出以下幾點啟示：

（1）新能源出力預測技術必須提高精準度；

（2）新能源的調(diào)度和消納的政策和法規(guī)還有待進一步的完善；

（3）多能互補可以發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢，為電網(wǎng)提供更多的優(yōu)質(zhì)電能，是新能源消納的有效途徑。

（4）在工程實際應用中可以看出，利用多能互補發(fā)電優(yōu)化后的常見的水- 光聯(lián)合輸出系統(tǒng)中，從環(huán)境效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機容量越大，水電站的庫容越大；從經(jīng)濟效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機容量越大，聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟效益越好；從系統(tǒng)效益上來看，光伏發(fā)電站的裝機容量越大與水電站的裝機容量優(yōu)化的緊密，聯(lián)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，水利發(fā)電站作為熱備用隨時待命。