水光互補(bǔ)系統(tǒng)互補(bǔ)特性分析與評(píng)價(jià)

賀元康， 趙鑫

(國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安　710048)

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水光互補(bǔ)系統(tǒng)互補(bǔ)特性分析與評(píng)價(jià)

賀元康， 趙鑫

(國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安710048)

利用水電機(jī)組快速調(diào)節(jié)性能平滑并網(wǎng)光伏電站出力波動(dòng)的水光互補(bǔ)系統(tǒng)目前尚無(wú)運(yùn)行特性分析及評(píng)價(jià)考核方法和標(biāo)準(zhǔn)，以龍羊峽水光互補(bǔ)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了水光互補(bǔ)運(yùn)行特性，并提出了應(yīng)用于水光互補(bǔ)系統(tǒng)評(píng)價(jià)考核的補(bǔ)償度的方法，通過(guò)對(duì)該方法的科學(xué)性和合理性的理論論證以及在不同天氣情況下進(jìn)行補(bǔ)償度的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法可以科學(xué)準(zhǔn)確的表征水光互補(bǔ)性能優(yōu)劣，通過(guò)補(bǔ)償度的評(píng)價(jià)表明龍羊峽水光互補(bǔ)系統(tǒng)能平滑光伏波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，切實(shí)能提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

水光互補(bǔ)系統(tǒng)；補(bǔ)償度；龍羊峽水電廠；光伏電站；光伏波動(dòng)

0　引　言

光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩(wěn)定性差，調(diào)節(jié)能力弱的能源，具有間隙性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等缺點(diǎn)，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患，電力系統(tǒng)需要有足夠備用容量和調(diào)節(jié)手段來(lái)削弱這種沖擊。隨著光伏在電網(wǎng)中所占比例的不斷增大，光伏電力大幅、頻繁的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)有功平衡造成了沖擊，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的一次、二次調(diào)頻以及有功經(jīng)濟(jì)調(diào)度等運(yùn)行特性，頻率越限風(fēng)險(xiǎn)加大，電力系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題日益突出[1-3]。因此，必須尋求有效手段減小光伏發(fā)電功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。目前對(duì)光伏并網(wǎng)進(jìn)行研究以達(dá)到平滑并網(wǎng)功率的研究主要有：文獻(xiàn)[4]利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電電能進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放，改善光伏發(fā)電并網(wǎng)輸出功率波動(dòng)的問(wèn)題，并分析電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量需求；文獻(xiàn)[5]采用超級(jí)電容器與鋰電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行光伏電源有功出力優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]提出基于改進(jìn)微分進(jìn)化算法的風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型，其與風(fēng)電或光伏獨(dú)立供電系統(tǒng)相比更為經(jīng)濟(jì)、可靠，能很好地適應(yīng)環(huán)境的變化。

本文提出了利用水電機(jī)組優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能對(duì)光伏發(fā)電功率調(diào)節(jié)，改善光伏發(fā)電并網(wǎng)輸出功率波動(dòng)的水光互補(bǔ)運(yùn)行方式。水光互補(bǔ)運(yùn)行是指光伏電站與水電站分時(shí)段、分情況運(yùn)行，形成互補(bǔ)，利用水電機(jī)組啟動(dòng)迅速、調(diào)節(jié)靈活、負(fù)荷響應(yīng)快等特點(diǎn)，對(duì)大容量光伏電站出力進(jìn)行快速補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以降低光伏發(fā)電出力的波動(dòng)性和間歇性，滿足電網(wǎng)對(duì)光伏電站上網(wǎng)功率和頻率的要求。

1　水光互補(bǔ)運(yùn)行特性分析

1.1光伏電站運(yùn)行特性

龍羊峽水光互補(bǔ)光伏電站工程位于青海省海南州共和縣，光伏電站以一回330 kV線路送入龍羊峽水電站330 kV母線，將光伏出力和龍羊峽機(jī)組出力匯集，利用龍羊峽水電站已建的5回送出線路接入系統(tǒng)。

圖1　晴天光伏電站典型出力曲線圖

光伏電站發(fā)電出力受太陽(yáng)能晝夜變化、季節(jié)變化、云層厚度、溫度等多種因素的影響，具有明顯的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性、不可改變和不可儲(chǔ)存等特點(diǎn)，光伏出力會(huì)呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)。光伏電站投運(yùn)以來(lái)在雨天，晴天，多云天氣的典型出力波動(dòng)曲線如圖1、圖2和圖3所示。

圖2　多云天氣光伏電站典型出力曲線圖

圖3　陰雨天氣光伏電站出力典型曲線圖

由圖可知，晴天天氣日照均勻充足，受干擾因素較小，光伏出力波動(dòng)較??；多云天氣由于云層運(yùn)動(dòng)遮擋太陽(yáng)光線，對(duì)光照強(qiáng)度影響較大，進(jìn)而影響光伏出力，光伏波形呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒狀，陰雨天氣云層、雨量、氣溫對(duì)光伏出力影響較大，陰雨天氣光伏出力波動(dòng)幅度大，波動(dòng)頻繁。

本文統(tǒng)計(jì)了光伏電站投運(yùn)以來(lái)每分鐘的出力變化范圍和概率如表1所示。

表1　光伏電站出力變化規(guī)律(單位：MW/min)

1.2龍羊峽水電廠運(yùn)行特性

光伏電站東邊緊鄰龍羊峽水電站，龍羊峽水電站是黃河梯級(jí)水電站中的“龍頭”電站。龍羊峽水電站總庫(kù)容247億立方米，調(diào)節(jié)庫(kù)容194億立方米，是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的大型綜合水利樞紐工程。水電站調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，補(bǔ)償能力強(qiáng)，具有為光伏電站進(jìn)行水光互補(bǔ)調(diào)節(jié)的優(yōu)越條件。龍羊峽水電站裝機(jī)容量為4臺(tái)300 MW混流式水輪機(jī)組，機(jī)組調(diào)節(jié)性能，調(diào)速器參數(shù)如表2所示。

基于表2的參數(shù)，進(jìn)行水輪機(jī)組在不同負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的變負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3的結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比表1光伏出力變化數(shù)據(jù)可知龍羊峽水電機(jī)組在額定功率內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)間基本可以控制在1分鐘內(nèi)，基本可以滿足光伏互補(bǔ)的要求。

1.3水光互補(bǔ)運(yùn)行特性分析

水電站對(duì)光伏電站的補(bǔ)償調(diào)節(jié)主要是以日內(nèi)補(bǔ)償為主，盡量不改變龍羊峽水電站的日出庫(kù)總水量，不改變龍羊峽水電站年、月的出庫(kù)水量，不影響龍羊峽水庫(kù)與劉家峽水庫(kù)兩庫(kù)的聯(lián)合補(bǔ)償運(yùn)行調(diào)度原則。水光互補(bǔ)后水電站流量的波動(dòng)可由下游水電站反調(diào)節(jié)，對(duì)龍羊峽水電站及下游梯級(jí)電站的運(yùn)行影響較小。龍羊峽水光互補(bǔ)運(yùn)行后對(duì)其承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰能力有一定影響，但相對(duì)青海黃河梯級(jí)水電站的調(diào)峰能力來(lái)說(shuō)，影響較小[7-8]。

表2　龍羊峽水電廠調(diào)速器參數(shù)

表3　水輪機(jī)機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

水光互補(bǔ)典型曲線如圖4所示，由圖4可以看出，進(jìn)行水光互補(bǔ)后，龍羊峽水電站機(jī)組出力與光伏電站發(fā)電功率呈現(xiàn)互補(bǔ)反調(diào)節(jié)特性。在早上7:00至晚上19:00白天有太陽(yáng)光的時(shí)間段，龍羊峽機(jī)組實(shí)時(shí)跟蹤光伏機(jī)組出力互補(bǔ)運(yùn)行，其余時(shí)段根據(jù)黃河上游梯級(jí)水電站調(diào)度水量電量要求進(jìn)行靈活調(diào)整，保證龍羊峽水電站全天水量電量計(jì)劃值不變。

圖4　水光互補(bǔ)典型曲線

2　水光互補(bǔ)補(bǔ)償度

為了科學(xué)地評(píng)價(jià)水電機(jī)組補(bǔ)償光伏變化的能力，準(zhǔn)確地衡量水電機(jī)組在光伏隨機(jī)波動(dòng)和突變時(shí)的跟隨互補(bǔ)性能，本文提出用于水光互補(bǔ)性能評(píng)價(jià)和考核的補(bǔ)償度概念。

補(bǔ)償度表示在評(píng)價(jià)考核周期內(nèi)水光互補(bǔ)運(yùn)行的水電機(jī)組出力變化量減去由于頻率波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作引起的水電機(jī)組出力變化量的偏差與光伏的變化量的比值。補(bǔ)償度的公式如下所示：

(1)

補(bǔ)償度：

(2)

式中ΔPi光伏為光伏波動(dòng)偏差；Δfi為頻率波動(dòng)偏差；Δt為采樣計(jì)算周期，單位1分鐘；ΔPi機(jī)組AGC變化為進(jìn)行光伏互補(bǔ)的水電機(jī)組在AGC調(diào)節(jié)下出力變化量；N為考核周期；ΔHz為采樣周期前后頻率變化范圍；K為機(jī)組調(diào)差系數(shù)。

由式(1)、式(2)可知補(bǔ)償度將頻率變化引起的機(jī)組一次調(diào)頻變化量減去，使衡量標(biāo)準(zhǔn)更加合理，并且將光伏變化量和水電機(jī)組變化量的求和后取絕對(duì)值，這樣可將光伏變化量的正偏量和負(fù)偏量一并累計(jì)，避免正負(fù)抵消。

同時(shí)式(2)將互補(bǔ)變化量之和與光伏變化量之和作比表明互補(bǔ)后的光伏變化量占總的光伏變化量的組分比例。如果補(bǔ)償效果好，該比值應(yīng)較小并接近于零，最后用1減去該比值是為了符合正常理解邏輯的表征補(bǔ)償度這一概念。

基于補(bǔ)償度的概念，本文在晴天、多云、陰雨天氣分別進(jìn)行水光互補(bǔ)的AGC試驗(yàn)，不同天氣情況下水光互補(bǔ)后光伏變化量與水電調(diào)整變化如圖5、圖6、圖7所示，不同天氣情況下的補(bǔ)償度結(jié)果如表4所示。

表4　不同天氣情況下水光互補(bǔ)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5　 晴天天氣水光互補(bǔ)模式下出力曲線

圖6　 多云天氣水光互補(bǔ)模式下出力曲線

圖7　 陰雨天氣水光互補(bǔ)模式下出力曲線

由圖5、圖6、圖7可以直觀的看出在不同天氣情況下水光互補(bǔ)的此消彼長(zhǎng)的互補(bǔ)趨勢(shì)，通過(guò)水電機(jī)組快速調(diào)節(jié)性能，將光伏發(fā)電鋸齒形出力曲線調(diào)整為平滑穩(wěn)定曲線，為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)電能。

由表4數(shù)據(jù)可知，在不同的天氣情況下，互補(bǔ)度都在90%以上，互補(bǔ)度評(píng)價(jià)指標(biāo)與互補(bǔ)曲線一致，水光互補(bǔ)系統(tǒng)在不同的天氣狀況下有較好的互補(bǔ)特性。

3　結(jié)束語(yǔ)

龍羊峽水光互補(bǔ)系統(tǒng)在考慮龍羊峽水電站水量平衡的基礎(chǔ)上，結(jié)合龍羊峽水庫(kù)調(diào)節(jié)能力，通過(guò)水電機(jī)組快速調(diào)節(jié)性能，將光伏電站鋸齒形出力曲線調(diào)整為平滑穩(wěn)定曲線，為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)電能，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)也提高水電站對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和送出線路的利用率，龍羊峽水光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化了光伏發(fā)電電能質(zhì)量，解決了光伏電量消納瓶頸問(wèn)題，為我國(guó)清潔能源利用提供了新型發(fā)展模式。

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Analysis and Appraisal of the Complementary Characteristics of the Water-optical Complementary System

HE Yuan-kang, ZHAO Xin

(Northwest Branch of State Grid Corporation of China, Xi’an Shaanxi 710048, China)

At present, there is no presentation of any method or criterion for analyzing and appraising operational characteristics of the water-optical complementary system which smoothes the output fluctuation of the grid-connected photovoltaic power station by means of quick adjustment performance of the hydropower unit. Taking the Longyangxia water-optical complementary system as an example, this paper gives details about the operational characteristics of the water-optical operation, and presents the compensation degree method used for appraisal and examination of the water-optical complementary system. Theoretical argumentation on the scientific and reasonable nature of the method as well as compensation degree experiments carried out under different weather conditions show that this method can scientifically and accurately represent the level of the water-optical complementary performance. The appraisal of compensation degree indicates that the Longyangxia water-optical complementary system can smooth the affection of photovoltaic fluctuation upon the system and can really raise its stability.

water-optical complementary system;compensation degree; the Longyangxia Hydropower Station; photovoltaic power station;photovoltaic fluctuation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.011

TM615;TM612

A

1000-3886(2016)02-0028-03

劉娟楠(1985-)女，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向電力系統(tǒng)規(guī)劃評(píng)審。賀元康(1983-)男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。趙鑫(1984-)男，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

定稿日期: 2015-07-28