雅礱江水風光互補與梯級水庫協(xié)調運行研究

何 思 聰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 況

雅礱江流域水能、風能和太陽能資源富集，風光資源的總規(guī)劃規(guī)模5 692萬kW，兩河口及以下總規(guī)模為2 116萬kW(風電978萬kW，光伏1 138萬kW)。雅礱江干流中下游有兩河口、錦屏一級、二灘三大控制性水庫，孟底溝、官地等日調節(jié)電站調節(jié)庫容也較大，水電整體調節(jié)性能強，是優(yōu)質的儲能電站。水風光互補運行可發(fā)揮水電的調節(jié)能力和儲能作用，平抑風光波動，有效減少棄風棄光，提高新能源電能品質，保障新能源規(guī)模化開發(fā)。

當前，國內外對于水風光互補運行對多個梯級水庫協(xié)調運行的研究相對較少，也缺乏系統(tǒng)性的論證與研究。水風光互補運行以后，水電站日內水庫調度運行方式將發(fā)生較大改變，而雅礱江干流各梯級相互銜接，水力聯(lián)系緊密，各梯級日內調度運行所需的調節(jié)庫容也相互影響。本研究在開展水風光互補運行及系統(tǒng)電力電量平衡計算的基礎上，研究水風光互補運行時梯級水庫運行的特性，分析干流梯級水庫是否能夠協(xié)調運行，明確梯級水庫之間如何協(xié)調運行。

2 水風光互補運行的特性分析

2.1 水風光互補接入方案

水風光互補包括新能源接入水電站和接入電網(wǎng)這兩種接入方式。對于風光接入水電站互補，即水風光一體化，可通過水電靈活調節(jié)風光出力，形成優(yōu)質穩(wěn)定的打捆出力后接入電網(wǎng)，送出高質量的電能[1]；對于風光直接接入電網(wǎng)互補，需通過電網(wǎng)中的水電等電源的調節(jié)[2]，平抑風光出力波動，需要電網(wǎng)具有較強的調峰能力[3]。本文重點研究第一種互補方式。

結合流域水風光資源情況，參與水風光互補的水電站為兩河口、孟底溝、楊房溝、卡拉、官地、二灘和錦屏一級，并在雅礱江流域水風光互補清潔能源基地規(guī)劃、雅礱江流域水風光一體化可再生能源綜合開發(fā)基地研究、四川電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃等相關研究的基礎上，提出了初步可行的風光接入方案(表1)。

表1 雅礱江水風光互補接入方案

水風光互補的7個水電站共計1 722萬kW，可接入1 266萬kW的新能源，包括584萬kW的風電和682萬kW的光伏，水風光規(guī)模比例為1∶0.34∶0.4。同時流域還有1 051萬kW的新能源接入電網(wǎng)。

2.2 水風光互補計算基礎

基于上述方案，以電力電量平衡計算為基礎，開展電力電量平衡計算，分析整體互補電源的日內運行特性。

2.2.1 規(guī)劃水平年

結合雅礱江水電開發(fā)進展及四川省電力系統(tǒng)發(fā)展需求等綜合分析，并與國民經(jīng)濟和社會發(fā)展2035遠景年契合，擬訂本次研究規(guī)劃水平年為2035年。

2.2.2 負荷預測

結合四川省區(qū)域經(jīng)濟及電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，參考“十四五”電力能源發(fā)展規(guī)劃相關研究成果，預測2025、2030年和2035年的最大負荷分別達到6 550、7 700和8 800萬kW(表2)。

表2 四川省電力系統(tǒng)負荷預測

2.2.3 電源規(guī)劃

全面梳理規(guī)劃水電的開發(fā)建設條件，合理擬定2021～2035年水電電源安排時序。到2025年全省水電裝機達到1.05億kW，2030年達到1.19億kW，2035年達到1.26億kW。其中各水平年供電四川電網(wǎng)的規(guī)模分別約為7 930萬kW、9 100萬kW和9 730萬kW。

根據(jù)四川省現(xiàn)有風能、太陽能發(fā)展規(guī)劃，梳理風電、光伏開發(fā)時序，規(guī)劃2035年四川省風電裝機規(guī)模1 800萬kW，其中雅礱江流域風電裝機1 028萬kW；規(guī)劃2035年四川省太陽能發(fā)電裝機規(guī)模2 700萬kW，其中雅礱江流域太陽能發(fā)電裝機1 289萬kW。

2020年底全省火電裝機容量1 570萬kW。結合國家清潔能源發(fā)展要求，預計2030年、2035年燃煤火電裝機容量可控制在1 700萬kW左右。

四川省電源規(guī)劃見表3。

表3 四川省電源規(guī)劃

2.2.4 外送規(guī)劃

隨著雅中直流線路的建成投運，四川電網(wǎng)與區(qū)外電網(wǎng)呈“5直+8交”的外送格局，至2035年，送電能力最高達到3 850萬kW，扣除金沙江界河直送省外后的川電外送規(guī)模為2 320萬kW。四川省電力外送規(guī)劃見表4。

表4 四川省電力外送規(guī)劃

2.2.5 水風光互補運行原則

風光電站接入水電作為整體接受系統(tǒng)調度，按水電站裝機容量作為控制互補的最大送出功率，水風光共同利用水電站的送出線路[4]。

利用水電站啟停迅速、運行靈活、跟蹤負荷能力強的特點，通過水電站的調節(jié)能力平抑風光波動[5]，對風電光伏的日內波動進行互補，在風電光伏出力大時減少水電出力，風電光伏出力小時增加水電出力，共同滿足電力系統(tǒng)需求及保持整體送出出力穩(wěn)定[6]。水風光互補運行需遵循水量平衡的原則。

當水風光打捆電源的月平均出力超過水電裝機容量時，以不影響水電出力為原則，適當棄風棄光，初步按照相同比例棄風和棄光考慮[7]。當水風光互補電源月平均出力高于系統(tǒng)負荷需求時，按照同比例原則棄風棄光棄水。

2.3 水風光互補運行特性

基于上述方案，開展電力系統(tǒng)電力電量平衡計算，分析雅礱江水風光互補整體電源(7個水電站、1 266萬kW新能源)的日內運行特性。

從在日內出力過程來看，風電較均勻、晚上出力較高[8]；光伏晚上不發(fā)電、下午發(fā)電峰值高；水電可在日內靈活調節(jié)。水風光互補運行，可充分利用雅礱江水電的調蓄能力平抑風光日內波動，根據(jù)風光出力特性進行調節(jié)，滿足日內負荷高峰和低估時段的不同需求。

選擇枯水年的8月和12月進行日內互補計算分析，雅礱江水風光互補電源日內出力(圖1、圖2)。

圖1 雅礱江水風光互補電源日內出力過程(枯水年8月)

圖2 雅礱江水風光互補電源日內出力過程(枯水年12月)

分析表明，水風光互補日內出力與負荷需求特性表現(xiàn)出較好的一致性，對系統(tǒng)的適應性良好。風光出力在10～17點相對較高，水電出力略有降低，以實現(xiàn)水風光互補。在負荷高峰18～19點，水電出力增加，以滿足系統(tǒng)的高峰期負荷需求。

3 水風光互補對梯級水庫協(xié)調運行的影響

3.1 梯級水庫協(xié)調運行分析基礎

水風光互補運行以后，水電站日內水庫調度運行將發(fā)生較大改變[9]。雅礱江各梯級電站相互銜接，聯(lián)系緊密，上下游出庫流量的變化，對各電站所需的調節(jié)庫容也有所影響。從上下游梯級流量匹配、水庫水位變化、日調節(jié)庫容要求等方面出發(fā)，分析水風光互補運行對水庫日內調度運行的影響，及各梯級電站的適應性[10]，很有必要。

3.1.1 基礎資料

系統(tǒng)枯水年(1959～1960)、平水年(1964 ～1965)雅礱江各梯級電站壩址天然流量；系統(tǒng)枯水年、平水年梯級電站水利動能計算基本參數(shù)及調節(jié)計算成果(主要包括特征水位、調節(jié)庫容、水位庫容曲線、入庫流量、出庫流量、月平均水頭、月平均出力等)；系統(tǒng)枯水年、平水年電力電量平衡及水風光互補的運行成果。

3.1.2 計算原則與方法

根據(jù)電力電量平衡及水風光互補運行成果，提取電站各月典型日出力的過程，進行日內徑流調節(jié)計算，分析各電站所需的日調節(jié)庫容，判斷水庫是否能夠協(xié)調運行，研究水風光互補運行對水庫日內調度運行的影響。由于龍頭水庫兩河口電站具有多年調節(jié)能力，調節(jié)庫容巨大，水庫適應性強，因此主要分析兩河口以下的梯級水庫。

3.1.3 分析方案

風光出力特性變化較大，不同的風光出力典型會影響水風光互補結果，考慮風光出力分別采用保證容量典型出力(95%)、負荷相反典型出力(與系統(tǒng)負荷特性相反)2種代表性出力，分析對梯級水庫協(xié)調運行的影響程度。

3.2 水風光互補對梯級水庫協(xié)調運行的影響分析

在不制定任何梯級協(xié)調運行規(guī)則情況下，進行水風光互補運行及電力電量平衡計算。分析水庫運行所需的最大日調節(jié)庫容，結果見表5。

表5 水風光互補梯級水庫日內運行所需最大調節(jié)庫容(不制定梯級協(xié)調運行規(guī)則)

無論風光采用何種出力方式，水風光互補運行后，牙根一級、錦屏二級、桐子林水電站均會出現(xiàn)日內調度運行時所需最大調節(jié)庫容大于梯級本身調節(jié)庫容的情況，即上述幾個電站會出現(xiàn)棄水，上下游梯級水庫難以協(xié)調運行。其余電站調節(jié)庫容足夠大，均能滿足水庫協(xié)調運行[11]。

在不制定梯級協(xié)調運行規(guī)則時，風電、光伏采用不同出力方式，對各梯級電站所需的最大日調節(jié)庫容有一定的影響，但未表現(xiàn)出較為可循的規(guī)律[12]。

分析原因可知，未接入風光情況下，各梯級電站的設計引用流量與調節(jié)庫容是匹配的[13]。但接入風光進行互補后，水電站需適應風光出力波動的變化，改變自身的出力過程，日內下泄水量分配發(fā)生變化。上游出庫流量變化，會改變下游的入庫流量，對水庫運行所需的日調節(jié)庫容也有所影響。

當水電站接入風光規(guī)模較大，或者風光出力波動較大時，可能導致水電站出力變化波動變大，發(fā)電流量相應波動變化增大，從而出現(xiàn)所需調節(jié)庫容大于本身調節(jié)庫容的情況，使得梯級之間難以協(xié)調運行。

4 梯級水庫協(xié)調和梯級同步運行規(guī)則

4.1 梯級水庫協(xié)調運行規(guī)則

考慮風光出力分別采用2種代表性的出力情況，并考慮不制定任何協(xié)調運行規(guī)則、制定相應的協(xié)調運行規(guī)則2種情景分別進行計算，分析水電站所需的最大日調節(jié)庫容(表6)。

表6 水風光互補梯級水庫日內運行所需最大調節(jié)庫容

若不制定協(xié)調運行規(guī)則，無論風光采用何種出力方式，互補之后，牙根一級、錦屏二級、桐子林電站均會出現(xiàn)所需最大日調節(jié)庫容大于梯級本身調節(jié)庫容的情況。而其他水電站自身調節(jié)庫容相對較大，即使水風光互補，所需日調節(jié)庫容均小于本身調節(jié)庫容。

上下游梯級共同調度運行決定了調節(jié)庫容需求[14]，因此，分別對兩河口-牙根一級、錦屏一級-錦屏二級、二灘-桐子林這3組電站，以日內水庫運行所需的庫容小于或等于電站本身的調節(jié)庫容，且以水庫不棄水為目標，在電力電量平衡中，設置相應的約束條件，制定協(xié)調運行規(guī)則，如上下游梯級同步發(fā)電運行、控制上游梯級調峰時間等規(guī)則，使得各梯級電站充分利用調節(jié)庫容，梯級之間協(xié)調運行。

在制定協(xié)調運行規(guī)則之后，牙根一級、錦屏二級、桐子林所需最大日調節(jié)庫容均小于梯級本身調節(jié)庫容，均能滿足協(xié)調運行要求。

由于水風光互補運行影響，個別上下游梯級組合之間會出現(xiàn)水庫無法協(xié)調運行而導致棄水的情況。但研究表明，可以通過制定相應的協(xié)調運行規(guī)則，包括上下游梯級同步發(fā)電運行、控制上游梯級調峰時間等，對梯級電站水庫調度運行加以一定的約束，使電站能充分利用調節(jié)庫容，做到梯級之間協(xié)調運行不棄水。

兩種約束規(guī)則分別用兩河口與牙根一級、錦屏一級與錦屏二級為例加以說明。

4.2 上下游梯級同步發(fā)電運行規(guī)則

以兩河口、牙根一級這組梯級為代表。在沒有水風光互補時，兩河口是電力系統(tǒng)中重要的調峰電源。牙根一級與之聯(lián)合運行，進行反調節(jié)，下泄基荷流量在滿足生態(tài)要求前提下，可與兩河口聯(lián)合參與調峰運行。

兩河口電站接入大量風電、光伏后，日內出力過程發(fā)生了較大變化。為平抑風光波動，兩河口在風光出力較小時段(24 h～7 h)加大出力，在風光出力較大時段(11 h～19 h)減小出力。當不對牙根一級的同步運行進行約束時，牙根一級個別月份(以風光保證容量出力典型、平水年3月為例)所需日調節(jié)庫容大于梯級本身的調節(jié)庫容。兩河口水風光互補典型日出力過程、牙根一級出力過程、牙根一級出庫入庫流量及調節(jié)庫容變化過程見圖3。

圖3 兩河口-牙根一級水庫協(xié)調運行分析(無協(xié)調運行規(guī)則)

牙根一級沒有與風光進行互補，在無同步運行規(guī)則，低谷時段(24 h～7 h)僅維持35%單機出力基荷，以滿足下泄生態(tài)流量要求，在高峰時段根據(jù)系統(tǒng)要求調峰，發(fā)揮容量作用。牙根一級的入出庫流量過程差異較大，水庫調節(jié)所需要的日調節(jié)庫容約2 411萬m3，超出了本身的調節(jié)庫容(1 659萬m3)。

為了使得牙根一級水庫能夠協(xié)調運行，需對牙根一級制定相應的規(guī)則，使其與兩河口盡量同步運行。具體方法為：在電力電量平衡計算中，參照兩河口的出力過程，對牙根一級切負荷平衡出力進行逐步調整，并滿足牙根一級日內平均出力、工作容量等邊界約束。

在對牙根一級制定同步運行規(guī)則后，牙根一級水庫所需要的日調節(jié)庫容約1 633萬m3，小于本身的調節(jié)庫容(1 659萬m3)。兩河口水風光互補典型日出力過程、牙根一級出力過程，牙根一級出庫入庫流量及庫容變化過程，見圖4。

圖4 兩河口-牙根一級水庫協(xié)調運行分析(有協(xié)調運行規(guī)則)

將圖3、圖4對比分析，在遵循協(xié)調運行規(guī)則之后，牙根一級與兩河口電站可基本同步運行。

對其他上下游銜接緊密的梯級組合，同樣可通過制定相應的同步運行規(guī)則，使下游梯級與上游梯級同步運行，水庫能夠協(xié)調運行。

4.3 控制上游梯級調峰時間規(guī)則

以錦屏一級、錦屏二級這組梯級為例。無梯級協(xié)調運行規(guī)則時，錦屏一級水風光互補典型日出力過程(以風光負荷相反出力典型、平水年7月為例)，錦屏二級出力過程、錦屏二級出庫入庫流量及庫容變化過程見圖5。

圖5 錦屏一級-錦屏二級水庫協(xié)調運行分析(無協(xié)調運行規(guī)則)

錦屏一級為適應風光出力波動，在1 h～13 h時段，出力較小且波動變化大，與此同時，錦屏二級在該時段出力過程變化不大。而在17 h～23 h，錦屏一級出力較大且平穩(wěn)，連續(xù)調峰時間長。錦屏二級需要936萬m3日調節(jié)庫容，超出本身的調節(jié)庫容(496萬m3)。

對于這種情況，可適當控制錦屏一級電站調峰時長，提高錦屏一級低谷時段的出力，使錦屏二級電站滿足調節(jié)庫容限制要求。具體方法為：縮短錦屏一級調峰時長，并提高非調峰時段的出力。

調整后錦屏一級水風光互補典型日出力過程(風光負荷相反出力典型、平水年7月)、錦屏二級出力過程、錦屏二級出庫入庫流量及庫容變化過程如圖6。

對比圖5和圖6，在控制調峰運行時間這一協(xié)調運行規(guī)則約束下，錦屏一級和錦屏二級運行更加協(xié)調，錦屏二級需要日調節(jié)庫容493萬m3，略小于本身調節(jié)庫容(496萬m3)，水庫能夠正常運行。

5 結 語

雅礱江流域水能、風能和太陽能資源豐富，區(qū)位優(yōu)勢突出，有利于建設全流域的“水風光互補”清潔能源示范基地，充分利用水電站群調節(jié)性能，平抑風電、光伏的不穩(wěn)定性，實現(xiàn)三種清潔能源的優(yōu)化利用。水風光互補電源的日內出力與負荷需求特性表現(xiàn)出較好的一致性，對系統(tǒng)的適應性良好。

雅礱江各梯級電站相互銜接，聯(lián)系緊密，水風光互補運行后會改變上下游梯級的入庫、出庫流量過程，對各梯級電站和水庫日內調度運行產(chǎn)生較大影響。各個梯級組合之間可能會出現(xiàn)水庫無法協(xié)調運行而導致棄水的情況。

研究表明，無論在何種風光出力典型下，均可以制定相應的協(xié)調運行規(guī)則，如下游梯級與上游梯級同步發(fā)電運行、控制上游梯級調峰時間等，對梯級之間調度運行加以一定的約束，使各梯級電站能夠充分利用本身的調節(jié)庫容，做到水風光互補之后，水庫協(xié)調運行不棄水。