水光互補發電關鍵技術與研究展望

郭曉雅，崔青汝，王文彬，李雄威

（國家能源集團新能源技術研究院有限公司，北京市 102211）

0 引言

長期以來，火力發電占據全球電力市場主導地位。根據國際能源署最新報告，截至2021年，全球火力發電量占比62%[1]。雖然化石燃料資源豐富并且容易開采，但其不可再生性和對環境的負面影響不容忽視，因此人們長期尋求和發展清潔能源。我國能源結構也在向低碳化轉型，為實現“雙碳”目標，“十三五”期間，火電發電量份額從72%降低到69%[2]。

水能因其穩定的出力和豐富的資源，是目前使用最廣泛的清潔能源，風能和太陽能裝機規模也在逐年增長。但受限于可再生能源的不穩定性和高昂的投資成本，新能源發電效率和質量遠不如火力發電。提高這些發電系統性能的一種方法是利用不同類型的能源特性、互補發電，從而達到降低成本、提高電能質量的目的。互補發電有多種能源組合，本文主要研究水光互補發電，簡要介紹了水光互補發電基本原理和互補優勢，全面分析了國內外水光互補技術發展和工程實踐，深入探討了當前水光互補領域關鍵技術，最后提出了未來的發展趨勢。

1 基本原理及互補優勢

水光互補發電是借助水庫的調節能力，平抑光伏發電白日的波動性、隨機性和夜間的間歇性，通過水電站的輸電通道將水能和太陽能并入電網中，從而減少線路投資成本、提高水光互補電站整體的發電量和調峰能力。

水光互補系統的基本發電過程：①光伏發電產生的電能輸送至附近的水力發電機；②水輪發電機實時檢測并補償光伏的間歇性和隨機性輸出；③光伏發電設備與水力發電機組的互補組合構成一個混合系統，其電能可以并入電力系統。水光互補發電系統基本結構見圖1。

圖1 水光互補發電系統示意圖Figure 1 Schematic diagram of hydro-optical complementary power generation system

1.1 出力特性

1.1.1 水電出力特性

（1）水能的儲存和調節。

電能一旦產生無法在電網中保存，但水電站可以通過調節水輪機組出力，改變水庫水頭高度，電能和勢能相互轉換，達到存儲和調節的效果。

（2）機組運行的靈活性。

相較于傳統火電機組及其他形式發電機組，水電機組具有隨用隨停、操作簡單、安全快捷的特點，因而在互補系統中，水電機組很好地承擔著調峰調頻的任務。

（3）水電站生產成本低、效率高。

水電站依靠水庫和水輪機組發電，不需要消耗任何燃料，和新能源機組一樣，只需要前期投入建設成本及全生命周期稍小的運維成本，就可以產生大量電能。具有安全環保、成本低廉、運維簡單、使用壽命長且能量轉換效率高的特點。

（4）水資源可綜合利用。

水力發電只消耗水庫的勢能并不影響水的流量，因而水電站的水庫一般還具備防洪灌溉、生活用水、漁業養殖等功能。例如我國最大的水利水電工程——三峽水電站就兼顧發電、抗洪、防旱和航運的作用。

（5）有利于改善生態環境。

水庫廣闊的水面可以調節周圍環境溫度和濕度并給周圍植物動物提供棲息地和水源，同時也可以人工調節水庫水位小范圍改善氣候，從而起到改善生態環境的作用。

（6）水電建設受自然條件限制。

水利水電工程依托于條件合適的自然流域，多建于西藏、青海、四川等偏遠地區和內陸黃河長江流域地區，因而具有地理限制。修建大型水電站的難點不僅在于建設過程本身，更在于建設征地、遷移人口和生態環保的工作。

1.1.2 光伏出力特性

光伏發電量與太陽輻射強度和氣溫直接相關，因而一年當中光伏出力主要受季節的影響：春冬出力大、夏秋處理小；一天當中光伏只有白天出力且跟地球和太陽的相對位置有關，此外還受云朵的影響，晴天出力比陰雨天要高。因而光伏出力曲線整體拋物線趨勢，具有間歇性、波動性和隨機性的特點（見圖2）。

圖2 晴天典型光伏出力特性曲線圖Figure 2 Characteristic curve of typical PV output in sunny days

（1）間歇性。

光伏發電與否取決于太陽的升落，白天光伏出力、夜晚出力為零；此外不同季節出力的時刻段呈現規律性變化。

（2）波動性和隨機性。

光伏發電大小取決于太陽輻射光伏板的強度，因而隨著云朵等遮擋物的出現，發電量實時波動；同時又與天氣條件有關，具有在一定范圍內可以預測的隨機性。

1.2 互補優勢

水資源和太陽能資源的時空分布是水光互補的先決條件。水能資源的最豐月份為7～10月，而太陽能資源為4～6月，枯水期來水量小，太陽能資源可對水電進行有效補充。水電機組可以提升光伏電站并網消納能力；光伏發電可以分擔水電機組負荷；二者互補提升了整體調峰能力和電網友好性；有效開發可再生能源促進生態環境可持續發展。

1.2.1 對光伏電站的影響

光伏發電出力的波動性、間歇性和隨機性給電網調度帶來了困難，也影響了光伏發電的并網消納。水電具有啟動靈活、調節速度快等優點，可以平滑光伏功率曲線，并在光伏出力不足的情況下補充光伏發電的缺額，提升光伏電站并網消納能力。

1.2.2 對水電電站的影響

當光伏發電承擔電網負荷之后，水電機組可以在相應時段內減少發電功率，在水庫內儲備更多水能，使得水電機組調峰能力增強，緩解枯水期水電負擔。

1.2.3 對電網的影響

太陽能自身無調節能力，單獨運行不能適應電力系統要求，需要水電與之聯合運行，對其補償調節，以多能互補形式滿足電力系統需要。通過二者優勢互補既可減少棄風棄光電量，促進新能源消納和增加可再生能源比重，又可保障電網安全穩定運行，提高輸電通道利用效率，促進新能源并網。

1.2.4 對生態的影響

通過合理地規劃和運行水光互補電站，能夠在保護當地生態環境的前提下有效開發當地的可再生能源，減少對當地水能與太陽能資源的浪費，避免對當地生態環境的污染和破壞，助力當地經濟社會和生態環境可持續發展。

2 技術發展研究現狀

自21世紀以來，為了應對全球氣候變化和能源危機，以美國、中國、歐盟各國為代表的31個經濟體制定了實現碳中和的減碳目標[3]（見圖3）。為此，不同國家和地區紛紛出臺了大力發展可再生能源的政策，促進包括水電和光伏發電在內的清潔能源發電并網。隨著光伏發電新增裝機在電力系統的份額逐年提升，水光互補是提升機組調峰調頻能力、促進新能源并網的有效途徑之一，近年來世界各國在水光互補技術理論研究和工程實踐上積極探索。

圖3 31個經濟體碳中和目標Figure 3 Carbon neutralization targets of 31 economies

2.1 國外研究現狀

水光互補概念，最早在2005年由西班牙學者Jose’L提出，他討論了通過包括水光互補在內的混合能源系統——太陽能光伏、風能、水能等兩種及以上的可再生能源發電組合，解決偏遠農村地區用電困難的問題[4]。2008年巴西學者提出了評價水光資源互補性的無量綱指標，并標注了巴西南部南里奧格蘭德州太陽能和水互補性地理指數圖[5]。隨后巴西學者A Beluco于2012年仿真計算了水光互補電站設計參數[6]。2012年埃塞俄比亞學者C Rosa研究了本國風光水混合供電系統的可行性并確定了六個具有互補發電的地區[7]。2019年希臘學者D Apostolopoulou提出了一個梯級水電—太陽能混合發電系統的優化調度方案，并以肯尼亞塔納河梯級水電站為例計算了水電站可互補的光伏容量和調度策略[8]。2021年美國學者I Magham設計了離網型水光互補水輪監測站供電方案并提出了一種多目標優化模型[9]。由此可見國外已經從互補特性分析、容量配置、優化調度等全方面研究了離網和并網型水光互補發電技術，并形成了全生命周期互補電站管理體系。基于該理論體系，2006年葡萄牙在水面鋪設光伏聯合水庫統一調度構成小型離網水光互補發電系統。2008年德國啟動了“E-Energy”計劃，其中的RegModHarz可再生綜合能源項目將風電和光伏作為哈茨水電站的虛擬機組聯合調度，促進了新能源上網消納。2010年希臘建設了Ikaria 風光水互補電站成為世界上首批風力—水力—抽水—蓄能混合電站之一，相比獨立的水電站，互補電站年發電量增加17%。2015年印度測算了喜馬拉雅山脈西部水電站和風光資源的互補性，規劃了11個互補電站選址。2021年巴西能源監管機構發布了一項綜合能源電站法規，明確規定了綜合能源電站種類、上網電價、合同簽訂等規則，體現了巴西發展可再生能源的決心。此外，埃塞俄比亞擬基于復興大壩建立非洲最大的水光互補電站，目前第一臺水輪機組已經投入運行，成為了該國電網主干的一部分。

2.2 國內研究現狀

在國內尤其是西北地區，水電資源豐富且日照時間長，具備發展水光互補電站的先決條件，這催生了我國水光互補研究和工程實施方面處于國際領先水平。2008年中國農業大學左婷婷等人以風水光互補發電系統為研究對象提出了一種離網型新能源裝機容量和儲能配置[10]。2013年中國科學院學者針對水光互補微網系統突出了一種基于動態規劃的光伏逆變器調度策略，提高了系統能量轉換效率。2014年中國礦業大學團隊利用最小二乘法原理計算了在負載及來水不均衡的情況下的水光互補電站光伏板最佳傾角，得到最佳傾角和最大輻射接收角有一定區別的結論[11]。2015年西安理工大學張舒捷等人基于遺傳算法，以互補電站經濟收益最大為目標，計算了龍羊峽水光互補電站最優光伏發電裝機容量配置，結果表明與實際工程光伏容量接近[12]；同年該校學者明波等人以調峰能力最大為目標，提出了水光互補電站短期調度策略[13]。2020年中國臺灣學者提出了一個基于人工智能的水光互補電站全生命周期總體調度方案并以臺灣石門水庫為例仿真驗證了其調度方案[14]。2020年國家電網專家從光伏容量優化、短—中—長期聯合調度、抽水蓄能設備及實際工程示范四個方面，提出了梯級水光蓄互補聯合發電系統的研究框架[15]。2021年大連理工大學分析了云南電網結構和電源結構，計算了云南瀾滄江流域梯級水電站和大理及楚雄州的光伏電站互補性并以調峰為目標提出了短期調度方案和建議[16]。此外，多位學者也提出了以發電量最大、資源利用率最高、調峰能力最強、經濟性最優、剩余負荷最小、出力波動最小、檢修損失最小等為目標的實時與短期和中長期優化調度方法。

2021年我國制定了“十四五”規劃和“2035年遠景目標綱要”[17]，提出要構建現代能源體系，建設九大清潔能源基地（布局如圖3所示），具體包括：①松遼清潔能源基地（風光儲一體化基地）；②冀北清潔能源基地（風光儲一體化基地）；③黃河幾字彎清潔能源基地（風光火儲一體化基地）；④河西走廊清潔能源基地（風光火儲一體化基地）；⑤黃河上游清潔能源基地（風光水儲一體化基地）；⑥新疆清潔能源基地（風光水火儲一體化基地）；⑦金沙江上游清潔能源基地（風光水儲一體化基地）；⑧雅礱江流域清潔能源基地（風光水儲一體化基地）；⑨金沙江下游清潔能源基地（風光水儲一體化基地）。

圖4 “十四五”大型清潔能源基地布局示意圖[17]Figure 4 Layout of 14th Five-Year large clean energy base[17]

其中，位于黃河上游的世界規模最大的水光互補光伏電站——我國青海龍羊峽水光互補電站于2013年實現并網投運，其中水電站裝機4×32萬kW、光伏電站裝機85萬kW。該工程統籌了龍羊峽水電具有多年調節性能、太陽能資源豐富、光伏上網電價高的優勢，改善了公司經營狀況并增強了光伏電站的電網友好性、水電站調峰調頻能力及輸送線路的利用率。此外還有部分我國已建成的小型包含水電和光伏的綜合能源系統，如青海玉樹水光互補微電網發電系統、四川小金縣水光互補電站等。

3 關鍵技術分析

圍繞水光互補電站從規劃、建設到全生命周期運營，全面分析了包括建設準備階段的水光互補特性和容量優化配置、運營期間的聯合運行調度、安全穩定運行和經濟性指標等水光互補關鍵技術。

3.1 系統互補分析

3.1.1 全球互補潛力

全球3080座水庫具備大規模光伏發電并網潛力，互補系統裝機容量潛力初步估算170萬kW，水電、光伏容量比為1:1.2，總發電量為3783kW·h，其中亞太地區發電潛力占40%。互補系統出力波動平均比單獨系統低70%以上，光伏發電并入水電后，輸電通道平均利用效率可從由50 %提高到72 %。未來全球范圍內新增的光伏裝機，將由約26%并入水光（及含水電和光伏的）互補電站，至2040年水光（及含水電和光伏的）互補電站將占據全球電力市場12%的份額。

3.1.2 互補特性評價

（1）水光資源互補性指標。

為評估同一地區水光資源的互補性，可以通過計算資源時間相關性系數、出力大小相關性系數和出力振幅互補性指數，從而得到一個無量綱的水光資源互補性指標K：

式中：Kt——水光資源時間相關性系數，與一年當中水資源和太陽能的最小值可用天數和最大值可用天數；

Ke——風光出力大小相關性系數，通過計算全年水或光總出力可以得出；

Ka——風光出力振幅互補性指數，反映了全年水或光出力波動幅度。

（2）對電力系統的安全穩定影響。

水光互補前后對電力系統影響可從輸送線路利用率變化、功率波動性變化及電網暫態分析等方面研究。前二者可以通過計算簡單的統計和標準差直接計算，后者可以用PSD仿真軟件模擬光伏電站極端出力下的潮流計算和電網暫態穩定分析。

（3）系統補償度考核方法。

互補電站補償度可以用于衡量由于光伏波動性和隨機性導致水電跟隨互補的能力。補償度可以通過計算水電機組出力變化量和光伏出力變化量的比值得出，其中水電機組處理變化量中要扣除因一次調頻引起的水電出力變化量。

3.2 容量優化配置

在規劃配套光伏電站容量時，優化的目標和算法有多種，實際工程中大多以互補電站聯合收益最大為目標，通過智能搜索算法，計算最優容量配置。具體步驟為：

（1）建立水光互補電站經濟性模型的目標函數。互補電站聯合收益E等于聯合收入I和聯合成本C的差值。其中收入I等于水光各自發電量和對應上網電價乘積之和，成本C包括水光伏電站建設投入成本、貸款利息、運維成本和末期拆除成本。需注意在計算收益時要將不同年份收益折現。

（2）確定約束條件，包括電站處理約束、潮流約束等。

（3）智能算法尋優，可采用遺傳算法迭代計算。

3.3 聯合運行調度

水光互補電站是否能實現平抑波動、提升調峰能力等取決于聯合運行調度策略，從時間尺度上可分為實時與短期優化調度和中長期優化調度。與容量優化配置相同，聯合運行調度時需要首先確定優化目標、然后確定系統約束條件，最后通過智能優化算法得出不同目標下的最優調度策略。但與容量優化配置不同的是，互補電站在實時與短期和中長期調度過程中往往有多個優化目標，因而需要采取多目標優化算法進行互補出力優化計算。目前我國已經有成熟的水光互補電站AGC、AVC控制軟件實時調度水電站和光伏電站的有功功率和電壓控制。

3.3.1 實時與短期優化調度

實時與短期調度包括編制日前發電計劃和實時經濟運行，因此優化目標一般為總發電量最高、棄電量最小、出力波動最小、調峰能力最大和發電效益最優。總發電量等于全天不同時間段所有水電站和光伏電站出力總和，其中水電出力與水頭、發電流量、水電站耗水率成正比，光伏發電量則與光輻射強度和溫度相關；棄電量等于光伏出力加水電出力與互補電站聯合出力的差值；處理波動一般用標準差來反映；調峰能力是指互補系統對電網下達負荷的跟隨能力；發電效益則由各自發電量和上網電價決定。模型約束需考慮機組出力、電量平衡約束、水庫下泄流量水位及庫容的約束。此外對于綜合性和梯級水電站還需考慮其防洪灌溉能力保證和上下游水庫水位保持。由于目標函數的求解是個非線性、多維、非凸的優化過程，傳統的線性規劃、動態規劃等優化方法已經不再適用，現多采用混合動態規劃、智能尋優算法或混合算法，可以充分結合動態規劃的多線程處理速度和智能算法的全局精確尋優等優點。

3.3.2 中長期優化調度

中長期調度的對象一般是具有年調節能力的大型水光互補電站。因水電站來水和年光輻射強度具有明顯的季節性和規律性，互補電站中長期優化目標一般為水光資源利用率最高、發電保證率最高、缺水指數最小和發電效益最大。在制定調度策略時可嵌套實時與短期優化調度策略，將短期調度棄電量以棄電懲罰的方式納入互補電站總發電量和發電效益中，將出力波動納入發電保證率函數中，避免忽略短期調度引起的棄水棄光和電量缺失。資源利用率可以通過年累計棄電量（水電和光伏發電）在總發電量中的占比來計算；發電保證率通過統計所有時段出現缺電的頻次來計算；缺水指數由水庫下泄流量和下游水庫需水量來衡量；發電效益的計算方法同3.2。為了求解模型、繪制水電站調度圖，不同學者提出了基于帝王蝶優化算法、多目標粒子群算法、改進的NSGA Ⅱ算法、改進的逐步優化算法、基于 POA 的模擬優化算法、遺傳算法、模擬退火算法、隨機優化算法、PSO優化算法、布谷鳥搜索算法等，得出了不同優化目標的水光互補電站中長期優化調度策略。

3.4 運行安全分析

受光伏間歇性、波動性和隨機性的影響，運行安全分析是水光互補電站運營過程中的重要環節。目前針對常規電力系統，市面上存在成熟的分析軟件如PSAT、PSD-BPA、PSAPACC、EMTP、BPA等。對于水光互補電站而言，其安全運行體現在電網影響、發電計劃安全性和安全運行區間上。通過構建水光互補微電網模型并用計算互補電站引起的電網功率、頻率等不穩定性并通過CPSO 算法優化電網收益；此外還有學者基于多項式混沌理論的概率配點算法開發了安全運行分析和評估軟件，軟件提供水電和光伏電站運行參數展示、調度模式展示、運行安全分析和實時數據可視化等功能。

3.5 經濟性分析

前文提到了以發電效益最大為目標的優化調度策略可以直接計算互補電站整體的經濟性。經計算證明，水光互補電站具備經濟性與否，取決于光伏容量配置和調度策略。結合我國光伏上網標桿電價采用增量分析法可以計算龍羊峽水光互補電站聯合收益并與單獨運行對比，發現互補電站發電量明顯提高、調峰能力增強、輸電線路利用率顯著提升因而年效益增加了4.69億元；復興大壩水光互補后經濟效益比優于水電和光伏電站獨立運行；大英加水光互補電站互補后由于水電站調節能力差、輸電線路容量不足等因素導致大量光伏棄電，效益低于互補前。

4 研究展望

針對上文分析的當前水光互補關鍵技術研究和運行現狀，提出以下三項研究和發展趨勢：

（1）基于不同上網定價機制的光伏電站容量配置方案。

我國目前尚未出臺完善的水光互補發電上網定價政策，市場電量和電價結算不透明，研究不同國家綜合能源系統上網定價機制并計算最優光伏容量配置，有利于水光互補電站全生命周期的經濟性運行，也為未來越來越多的綜合能源系統提供參考，引導我國多能互補定價機制的完善。

（2）基于大電網安全性和經濟性的水光光互補系統優化調度策略研究。

目前研究的水光互補調度策略多以互補系統的整體發電量、經濟性等為指標，忽略了區域電網及大電網整體安全和效益，有不被電網采納的風險，因而有必要研究不同調度策略對大電網的影響并在互補電站和電網中平衡最佳調度策略。

（3）互補系統成套設備研制。

水庫的調節能力在互補電站中起到關鍵作用，研制變速恒頻的抽水蓄能發電設備可以極大提高互補電站的調峰能力、降低甚至消除棄水棄光。目前僅有部分梯級水庫配置了用于調節上下游水位的設備，缺少調節互補電站負荷的成套抽水蓄能發電設備。

5 結論

本文在全球范圍內調研了水光互補發展政策和工程建設，闡述了互補特性分析、容量優化配置、聯合運行調度、安全穩定運行和經濟性指標等水光互補電站全生命周期的關鍵技術，提出了包含定價機制研究、基于電網的調度策略、成套設備研制等三個方向的未來研究思路。未來全球新能源發電份額將不斷增加，我國能源結構也在持續轉型，希望本文的研究能為未來水光互補技術研究和工程提供參考。