水光互补项目光伏并网运行增益研究

水光互补项目光伏并网运行增益研究

冯代云

贵州北盘江电力股份有限公司马马崖光伏分公司 ,贵州省安顺市 561302

摘要：随着光伏等清洁能源的大力开发，其出力的间歇性为电网的安全运行带来诸多问题。水电具有灵活的调节性能，因此建立水光互补系统，优化调度方法具有重要意义。同时我国正在推进电力现货市场建设，水光互补系统需在面临现货价格不确定性风险的考量下保证系统经济性。

关键词：水光互补；光伏电站；联合运行；经济收益

引言

为应对常规能源的日益紧缺和解决环境污染问题，目前世界各国已将利用可再生能源作为节能减排的重要途径之一。光伏发电作为太阳能发电中的一种主要形式在我国应用广泛，国家相关部门也出台了一系列政策支持光伏产业。然而光伏发电的输出功率易受外部因素影响，是一种不稳定电源，并网模式下会对电网运行造成冲击。水力发电作为一种优质能源，具有启停灵活、出力迅速、调节范围大等特点，并且水力资源和太阳能资源在日内与季节变化上都具有一定的互补性。以青海为例提出了水电对风光等间歇性电力的支持与协调运行；建立了光伏电站－水电站互补发电的数学模型，通过算例表明水光互补发电具有较高的能量利用率；采用改进萤火虫算法求解水光互补运行优化调度模型，结合实例表明水光互补优化运行提高了清洁能源的利用率^[5]；以一定的弃风光率为前提，对水光风互补发电系统的容量配置进行优化。已有论文展示水光互补微网的可行性和优势性，但对互补微网中的水电补偿跟随信号控制能力的讨论较少。

1水光等多能源互补系统的研究

1)水光互补系统的容量配置，以系统弃风光电量最小和接入的风光总规模最大为目标，建立了水光风互补发电系统容量优化模型;根据水光火的互补特性，提出了多能互补发电系统的容量配置规划方法，并权衡互补系统经济性与互补特性得到了多个规划水平年容量配置方案。2)水光互补系统的互补方式及运行特性，针对首个水光互补项目———龙羊峡水光互补项目，从电站发电特性、水光互补方式、运行方式等关键技术进行了研究;结合多能互补发电系统的运行特点，构建了适用于评价风光水互补特性的指标框架，并以西部某省风光水互补系统为例，分析了其发电运行特性。3)水光互补系统的运行调度，如针对风电并网带来的出力随机性和波动性问题，提出了一种计及风电不确定性的风－水短期联合优化调度方法;以水光互补系统在调度期内的调峰能力最大以及互补系统出力与预先给定的发电计划曲线的偏差最小为优化的目标函数，综合考虑电力系统和水量平衡的约束条件，建立了水光互补的短期优化调度模型。总体来看，目前的研究对于互补系统运行安全的校核鲜有涉及。梯级水光互补系统不仅存在水电与光伏的互补关系，而且梯级水电站上下游同样存在紧密的水力联系，特别是光伏强随机性、间歇性问题，对梯级水光互补系统的运行安全带来不利影响，且伴随未来随机性清洁能源装机比例的提高愈加明显^[1]。

2水光互补独立运行

水光互补项目独立运行时分为水力发电和光伏发电两部分。在水光互补项目中，水电的调节能力对光电出力的波动性和间歇性进行实时补偿，径流是影响水电站发电的重要因素，分为枯水期、平水期、丰水期。在枯水期，水电站的出力过程产生了改变，主要原因是要满足调度需求的组合电源出力要求，当光伏电站增大出力或者负荷需求变小时，水电站就须要减小出力，而其它时段水电站须要增加出力。在丰水期时，水电站不在担任系统峰荷，随流量增加，全部装机容量转化为基荷运行，以增加水电站发电量。此时，水电站对光伏电站无补偿能力，若此时其他电源无法补偿光电，则出现弃光、弃水现象，导致资源浪费。本文假设光伏电站按最大能力发电，在水电无法补偿光电时，水电站按弃水计算式^[2]。

3水光互补增益

在水光互补联合运行过程中，通过水电对光伏进行实时补偿，使光伏电站稳定并网运行，提高系统发电量，产生增益，增益为水光互补联合调度下，水电站独立运行时总发电收益，即：

式中：T 为调度期内时段数；ΔB 为增益值；Bh，t 为水电站单独运行下第 t 时段产生的发电收益。互补增益表征，如果互补增益 ΔB＞0，则表示系统受益于互补特性，且 ΔB 越大，互补特性越强^[3]。

4光伏并网系统应用的未来展望

随着经济的发展，新能源并网和电能质量综合管理技术的应用日益成熟，包含新能源的电能质量综合管理装置得到广泛应用，本文研究的具有电能质量调节功能的光伏并网系统，减少并网电流对配电网的影响，提高电能质量，降低系统成本，提高电能质量建立光伏并网系统中光伏电池的数学模型，分析光伏电池串并联时的电流输出特性、功率输出特性；为了实现光伏并网系统的最大功率输出，本文在观测摄动法的基础上，结合光伏电池串的并行输出特性，采用模糊神经网络控制方法，改进最大功率跟踪技术，设计了模糊子集、模糊域和模糊控制器模糊控制规则采用 K-means 层次聚类法对模糊域基宽、中心优化，加快系统的收敛速度，实现模糊控制系统的变步长输出，同时在快速跟踪光强变化的同时减少系统功率波动。采用光伏并网系统电能质量调节器，既解决了二次能源并网问题，降低了电网负荷，又实现了电网电能质量的综合管理，避免了新能源并网给电网带来的冲击，但在设计过程中仍有问题需要进一步研究。(1)光伏发电系统受外界环境影响较大，夜间或多雨天气系统效果较差，当光伏系统输出功率超过系统容量时，容易出现出光现象，因此引入直流侧储能装置或其他二次能源，可实现系统的大幅峰值浇注。(2)系统设计的并联变换器算法复杂，对设备的要求较高，增加了系统成本；而且在电网电压波动较大的情况下，受系统容量限制的串行转换器会产生不理想的电压补偿效果，因此，也应继续改进系统控制算法和调节系统容量设计，使系统能够生产。(3)串行转换器采用变压器接线系统，导致补偿系统装置体积大，安装不方便，因此以后的研究应考虑采用其他方法代替变压器，系统的适配效果会更好

^[4]。

结束语

基于水电和光电出力特性，考虑不同气候条件下光电出力情况、不同典型期水电出力情况以及光伏发电标杆电价变化情况，计算各电站独立运行的经济收益以及水光互补联合运行总收益，运用增量分析法对水光互补项目增益进行评价。结果表明：①针对光电出力的不确定性问题，可利用水电调整出力以补偿光电实行互补调节，充分发挥水电调节启停灵活的优势，解决光电的不稳定问题，实现光电安全并网；②将水光互补项目联合运行模式运用到龙羊峡水光互补项目中，并结合光电上网标杆电价变化情况，计算水光互补独立运行和联合运行的经济收益，其年发电量增加2.06×108kW·h，年发电收益增加4.69×108元。由此表明水光互补联合运行不但能够解决光伏安全并网的难题，还提高了企业的经济收益；③运用增益分析法对水光互补项目进行增益研究表明，实行水光互补项目具有一定的可行性。同时，也验证了该方法的正确性和有效性。

参考文献

[1]袁康龙,黄豫,刘平.“水光互补”有四大问题值得关注[N].中国能源报,2020-11-09(004).

[2]安源.水光互补协调运行的理论与方法研究[D].西安理工大学,2016.

[3]全球最大水光互补发电项目在青海[J].青海科技,2015(02):16.

[4]陈佳玺. 面向直流配电系统的光伏并网方式的研究[D].浙江大学,2019.

[5]梅继超,廖冬初,蔡华锋.光伏并网逆变器电流控制策略的研究[J].电气传动,2017,47(10):48-53.