李曉婷

（大唐云南發(fā)電有限責(zé)任公司，昆明650103）

0 前言

隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，可再生能源的消納與發(fā)展矛盾日益突出[1]。風(fēng)能、太陽能在促進(jìn)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對全球氣候變化有著重要作用[2]。但由于受天氣影響，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性給充分消納可再生能源帶來挑戰(zhàn)[3]。風(fēng)電、光伏發(fā)電的快速發(fā)展給電力系統(tǒng)安穩(wěn)運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)帶來了挑戰(zhàn)[4]。除風(fēng)能、太陽能之外，云南也是中國水電資源富集省份之一。2017年以來，云南省可再生能源全部納入電力市場化交易[5]。截止2018年底，云南水電裝機(jī)容量超過全省裝機(jī)容量的2/3，水電為主的電源結(jié)構(gòu)決定了云南發(fā)電出力的顯著季節(jié)性特點(diǎn)[6]。

為促進(jìn)市場環(huán)境下風(fēng)能、太陽能和水電的有序開發(fā)和利用，改善可再生能源消納現(xiàn)狀，本文分析研究了中長期尺度上水電與風(fēng)能、太陽能的資源互補(bǔ)特性以及短期內(nèi)風(fēng)光水發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行特性，一方面有助于緩解以云南電力市場水電為主的電源結(jié)構(gòu)性矛盾，另一方面有助于在保障電力供應(yīng)的前提下充分消納可再生能源。

1 資源特性

1.1 水能資源

云南河流眾多，水能資源豐富?？砷_發(fā)利用的水力發(fā)電容量超過1億千瓦，占全國可利用能力的18.8%，位居全國第三。其中徑流面積在100平方公里以上的河流眾多，分屬于六大水系：金沙江（長江上游），瀾滄江，怒江，珠江，元江紅河和伊洛瓦底江，其中前三河占全省理論水能資源總儲(chǔ)量的79.6%[7]。截止2018年，云南省水電裝機(jī)容量已突破6600萬千瓦[8]，預(yù)計(jì)到“十三五”末，全省裝機(jī)容量將突破1億千瓦，水電裝機(jī)容量將達(dá)到7000萬千瓦左右[9]。

1.2 風(fēng)能資源

根據(jù)《云南省風(fēng)能資源評價(jià)報(bào)告》[10]，云南風(fēng)能資源總儲(chǔ)備量約1.2億千瓦，其中年平均風(fēng)能功率密度大于50W/m2的可利用風(fēng)能資源區(qū)域占地約4.5萬平方公里，約占全省地理面積的11.5%。云南技術(shù)可利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為2823萬千瓦，約占全省風(fēng)能總儲(chǔ)備量的23%。云南省風(fēng)能資源利用條件較好的地區(qū)主要集中在大理州與楚雄交界處、玉溪南部至紅河州中南部、曲靖東部以及昆明與曲靖相鄰地區(qū)和麗江至永勝一帶。截止2018年，云南省風(fēng)電裝機(jī)容量超過850萬千瓦，預(yù)計(jì)到“十三五”末將突破1000萬千瓦[9]。

1.3 太陽能資源

云南屬太陽能輻照資源二類地區(qū)，陽光透過率高，日照時(shí)間長，全年輻射總量在5400～6700兆焦/ 平方米左右。根據(jù)《云南省太陽能資源評價(jià)報(bào)告》[11]，云南省北部的金沙江河谷地區(qū)干旱少雨，日照充足，是全省太陽總輻照最豐富地區(qū)，年太陽輻射總量大于5000兆焦/ 平方米的地域占全省面積的90%。其中元謀、永仁、賓川、麗江等地區(qū)的年太陽輻射總量超過6000兆焦/ 平方米，最高值達(dá)6667兆焦/ 平方米。全省多數(shù)地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)為2100～2300 小時(shí)，其中有94 個(gè)縣超過2000 小時(shí)。在太陽能資源豐富程度上，云南每年太陽能約相當(dāng)于714億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是僅次于西藏和新疆的全國第三大太陽能資源省份。截止2018年，云南省光伏發(fā)電裝機(jī)容量已突破300 萬千瓦[8]。

2 特性分析

2.1 市場化交易分析

根據(jù)云南省電力改革進(jìn)度，自2017年開始，云南省內(nèi)的集中式風(fēng)電和光伏發(fā)電全電量納入市場化交易。下面結(jié)合近兩年市場交易情況對云南省的風(fēng)電、光伏以及水電的市場化交易情況進(jìn)行分析。

根據(jù)云南電力市場集中出清規(guī)則，可再生能源電廠在出清順序上優(yōu)于化石能源電廠。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電2017年才開展市場化交易，受樣本較少限制，無法開展年際市場化相關(guān)及互補(bǔ)特性分析。圖1、圖2為近兩年水電和風(fēng)電、光伏市場化交易聚合分析。

圖1風(fēng)電、光伏與水電市場化相關(guān)性聚合分析

從圖1可見，水電和風(fēng)電、光伏市場化成交量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。

圖2近兩年風(fēng)電、光伏與水電市場化交易互補(bǔ)分析

此外，從圖2年內(nèi)各月市場化成交量的聚合分析可以看出，水電和風(fēng)電、光伏在年內(nèi)各月的市場化成交量上呈現(xiàn)出明顯互補(bǔ)性。

2.2 運(yùn)行特性分析

2.2.1 水電

受西南季風(fēng)影響，云南的氣候呈現(xiàn)出旱季和雨季分明的特點(diǎn)，這也導(dǎo)致了水電出力在雨季大、旱季小的顯著特點(diǎn)。隨著近年來云南水電的快速發(fā)展，水電調(diào)節(jié)能力有所改善，但由于系統(tǒng)中水電裝機(jī)占比超過70%，且大部分為調(diào)節(jié)能力較差的徑流式水電站。因此，受季節(jié)性來水影響，水電在雨季出力陡增，旱季出力較小，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。

圖3、圖4為近三年水電月最大和月平均出力分析結(jié)果。如圖3所示，水電月最大出力區(qū)間在40%-80%之間，并呈現(xiàn)出隨著雨季到來逐步增加趨勢，而后在旱季到來后逐步降低的特點(diǎn)。由于云南電源大多以調(diào)節(jié)能力較差的水電為主，且受近年來經(jīng)濟(jì)下行壓力大、用電需求不旺等因素影響，水電年最大出力均未超過裝機(jī)容量的80%。

圖3近三年水電月最大出力曲線

從圖4可見，雨季期間，水電月平均出力較接近同期的月最大出力，這與雨季充分利用各輸電通道充分消納可再生能源的努力是一致的。

圖4近三年水電月平均出力曲線

圖5 為近三年水電出力概率分布分析結(jié)果。作為主力調(diào)節(jié)電源，水電出力分布相對穩(wěn)定，全年出力在50%左右的累積概率超過了一半，一方面有力保障了電力供應(yīng)安全可靠，但另一方面由于整體供應(yīng)過剩，也導(dǎo)致了雨季棄水的發(fā)生。但總體來講，相比風(fēng)電、光伏等間歇性電源，水電出力總體更穩(wěn)定。

圖5近三年水電出力概率分布

2.2.2 風(fēng)電

風(fēng)電出力受風(fēng)資源區(qū)域差異影響各不相同。但從全省角度來看，隨著近年來風(fēng)電的不斷滲透，集群效應(yīng)在改善風(fēng)電出力特性上的作用越來越明顯。圖6、圖7為近三年風(fēng)電月最大和月平均出力分析結(jié)果。從圖6可見，隨著風(fēng)電集群效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，風(fēng)電月最大出力呈現(xiàn)雨季小、旱季大的特點(diǎn)，且風(fēng)電最大出力波動(dòng)呈逐年縮小趨勢，其中旱季最大出力呈逐年趨于平穩(wěn)的趨勢，逐步向40%～70%的區(qū)間過渡，風(fēng)電最大出力基本在70%以下，雨季的最大出力特性也得到了改善。

圖6近三年風(fēng)電月最大出力曲線

從圖7可以看出，風(fēng)電月平均出力基本呈現(xiàn)旱季大、雨季小的特點(diǎn)。風(fēng)電雨季、旱季出力比由第一年的31:69逐步過渡到第三年的35:65，集群效應(yīng)對風(fēng)電平均出力特性改善起到了明顯作用。

圖7近三年風(fēng)電月平均出力曲線

從圖8可見，集群效應(yīng)在改善風(fēng)電出力特性的明顯，風(fēng)電出力在70%以上的概率基本為0，出力在20%～60%的概率相比單個(gè)風(fēng)電場出力概率分布明顯改善，出力小于20%的概率相比于單座風(fēng)電場也有明顯降低。

圖8近三年風(fēng)電出力概率分布

2.2.3 光伏

圖9、圖10為近三年風(fēng)電月最大和月平均出力分析結(jié)果。如圖9所示，隨著光伏發(fā)電規(guī)模的不斷攀升，光伏月最大出力呈現(xiàn)雨季小、旱季大的特點(diǎn)。其中旱季最大出力由前兩年的40%左右增加到第三年的70%左右，有效出力進(jìn)一步增加，且在整體出力特性上與水電形成互補(bǔ)趨勢，有助于改善以水電為主的電源結(jié)構(gòu)性矛盾。

圖9近三年光伏月最大出力曲線

從圖10可見，光伏月平均出力分布體現(xiàn)出逐步趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)，波動(dòng)逐年下降，至第三年平均出力基本維持在12%～16%之間。雨、旱季電量比由第一年的41:59逐步過渡到第三年的50:50左右，與風(fēng)電類似，集群效應(yīng)也改善了光伏平均出力特性。

從圖11可見，集群效應(yīng)對改善光伏出力分布的作用也很明顯，出力在70%以上的概率基本為0，出力在20%-60%的概率相比單個(gè)光伏電站出力概率分布明顯上升，出力小于20%的概率相比于單個(gè)光伏電站也有明顯降低。

圖10近三年光伏月平均出力曲線

圖11近三年光伏發(fā)電出力概率分布

圖12瀾滄江戛舊水文站年徑流量與祥云氣象站年平均風(fēng)速分布（1990～2010年）

3 風(fēng)光水互補(bǔ)分析

3.1 年際互補(bǔ)分析

由于缺乏光伏發(fā)電歷史輻照資料，加之近三年光伏發(fā)電在云南發(fā)電量占比不足5%，因此，忽略光伏發(fā)電影響，僅對風(fēng)能和水能資源進(jìn)行年際互補(bǔ)分析。

根據(jù)瀾滄江干流各水文站年平均流量分析，水文站控制流域面積較大，流量變化過程基本一致，選取祥云氣象站作為附近風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正代表站，以戛舊水文站和祥云氣象站歷史資料（1990年～2010年）為例分析瀾滄江流域徑流、風(fēng)速年際變化，如圖12所示。從圖中可以看出，年徑流量與年平均風(fēng)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特性，年徑流量較大時(shí)，即降水較多的年份，平均風(fēng)速相對較小，反之異然；同時(shí)出現(xiàn)豐水大風(fēng)或者枯水小風(fēng)的年份較少。

3.2 年內(nèi)互補(bǔ)分析

云南旱季和雨季交替特征明顯，旱季干燥，降水量稀少，但風(fēng)速大，風(fēng)能資源豐富；雨季濕潤降水多，風(fēng)速小。因此，云南的風(fēng)能和水能在年內(nèi)恰好構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的互補(bǔ)體系。云南平均海拔高，日照時(shí)間長，多數(shù)地區(qū)日照時(shí)數(shù)在2100～2300小時(shí)，日照時(shí)數(shù)大于6小時(shí)的日數(shù)全年約200天，從資源特性上看，太陽能未呈現(xiàn)出與水電明顯互補(bǔ)特性。

圖13為近三年云南風(fēng)電、光伏和水電的平均出力過程。如圖所示，風(fēng)電、光伏的年內(nèi)各月出力呈現(xiàn)出顯著的“兩峰一谷”形式，而水電年內(nèi)各月出力呈現(xiàn)出明顯的“一峰”形式，且風(fēng)電、光伏“兩峰一谷”中的“一谷”恰好與水電的“一峰”在時(shí)間上對應(yīng)，風(fēng)電、光伏和水電之間形成較為匹配的年內(nèi)互補(bǔ)關(guān)系。

圖13近三年風(fēng)電、光伏和水電平均出力過程

3.3 日內(nèi)互補(bǔ)分析

云南水電以調(diào)節(jié)能力較差水電站為主，其日出力特性主要受來水影響，而少數(shù)具備較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的大中型水電因要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻和系統(tǒng)調(diào)節(jié)任務(wù)，其日出力特性主要受負(fù)荷、庫容及來水影響；風(fēng)電、光伏日內(nèi)出力特性受天氣影響短時(shí)變化劇烈。因此，風(fēng)電、光伏和水電沒有明顯的日內(nèi)互補(bǔ)特性，但通過調(diào)節(jié)性能較好的水電出力可在很大程度上“平滑”風(fēng)電、光伏的間歇出力特性，降低風(fēng)電、光伏出力波動(dòng)的影響。

4 結(jié)束語

通過對電力市場環(huán)境下風(fēng)電、光伏和水電的互補(bǔ)特性分析，表明風(fēng)電和水電具有年際資源互補(bǔ)特性。此外，風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電的市場交易和出力特性在年內(nèi)各月呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)和互補(bǔ)特性，風(fēng)電、光伏可作為旱季水電出力小時(shí)的有力供應(yīng)支撐，有助于進(jìn)一步替代化石能源發(fā)電和促進(jìn)可再生能源消納。通過分析，未發(fā)現(xiàn)風(fēng)電、光伏和水電出力在日內(nèi)有明顯互補(bǔ)特性，但通過風(fēng)光水聯(lián)合運(yùn)行可有效平滑聯(lián)合出力曲線，平抑風(fēng)、光發(fā)電出力波動(dòng)性和間歇性，促進(jìn)清潔能源消納，為進(jìn)一步深化電力市場化改革、促進(jìn)電力系統(tǒng)合理規(guī)劃運(yùn)行和廠網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供支撐。