古婷婷，蘇 立，何光元

（1．中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081；2．貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州省貴陽市 550081；3．貴州沅豐恒工程有限公司，貴州省貴陽市 550081）

0 引言

到2030年，非化石能源占一次能源的消費比重將達到25%左右，風電、光伏裝機容量將達到12億kW以上。因此，需要評估系統(tǒng)的可再生能源消納能力以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[1、7]。新能源系統(tǒng)具有間歇性、隨機性和波動性，其發(fā)電設(shè)備又具有低抗干擾性和弱支撐性，因此，大容量新能源電站并網(wǎng)將對電網(wǎng)的潮流和電壓產(chǎn)生很大影響[14]，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來一系列問題[3-5]。

水電站具有運行靈活、啟動迅速、較快適應(yīng)負荷變動等特點，可對不穩(wěn)定的電源進行補償。利用水能、光能的互補性，依托水輪發(fā)電機組的快速調(diào)節(jié)能力，當光伏電站出力發(fā)生變化時調(diào)整水電站的有功出力進行補償，實現(xiàn)水光互補發(fā)電，達到平滑光伏出力曲線、提高光伏發(fā)電質(zhì)量的目的[2、6]。

本文通過對全國首批梯級流域梯級水光互補項目進行多個角度的分析，探索梯級調(diào)度水光互補項目對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定影響分析[10]。

1 梯級水電水光互補原則

北盤江梯級水電站在貴州電網(wǎng)中起著非常重要的作用，其中，光照水電站作為“龍頭”水電站，不僅自身具有良好的發(fā)電能力，還能對下游的馬馬崖、董箐等水電站進行調(diào)節(jié)和補償。由于水電和光伏同屬于清潔能源，當采用水光互補模式開發(fā)光伏時，應(yīng)遵循以下原則[11-12]：

（1）水光互補通道總?cè)萘吭诒ＷC安全的前提下不超過調(diào)度部門下發(fā)的最大輸送容量Pmax。

（2）各水電站在電網(wǎng)中的主要作用不改變。

（3）各水電站在梯級電站中的調(diào)節(jié)作用不變[13]。

（4）各水電站調(diào)節(jié)光伏引起的庫容變化，考慮在日內(nèi)或次日進行調(diào)度平衡，不會逐漸累積，允許發(fā)生合理棄電。

（5）合理配置光伏容量，配置光伏后盡量不新增棄水，棄光率滿足國家相應(yīng)政策要求。

2 梯級水電站特點

2.1 北盤江水電站基本情況

北盤江干流茅口以下梯級水電站，是國家“西電東送”第二批開工建設(shè)的重點工程，其中，光照水電站調(diào)節(jié)庫容20.37億m3，為多年調(diào)節(jié)水電站。下游馬馬崖一級水電站和董箐水電站調(diào)節(jié)庫容分別為1.365億m3和1.438億m3，均為日調(diào)節(jié)水電站。光照水電站在南方電網(wǎng)中主要承擔調(diào)峰、調(diào)頻、事故和負荷備用，提高貴州電網(wǎng)的供電質(zhì)量；同時，充分發(fā)揮其龍頭水電站庫容優(yōu)勢，可提高北盤江干流的水能調(diào)節(jié)能力，增加下游梯級電站的發(fā)電效益。

2.2 水電站送出通道利用率

根據(jù)光照水電站送出導線截面，結(jié)合電壓控制曲線、功率因數(shù)、潮流分析，調(diào)度部門給出北盤江梯級輸電的送出線路最高載流量。收集3座水電站近5年的通道利用率數(shù)據(jù)，可見其月平均通道利用率均在50%以下，其中，光照水電站最大月平均通道利用率為35.7%，馬馬崖水電站為38.7%，董箐水電站為68.4%，如圖1所示。

圖1 2015～2019年月平均通道利用率Figure 1 Average channel utilization rate from 2015～2019

由圖1可見，北盤江梯級水電站的通道送出還有一定裕量可供使用。因此，北盤江流域梯級電站具備水光互補開發(fā)基礎(chǔ)條件。

3 梯級電站水光互補模型

3.1 光伏系統(tǒng)特性

光伏項目發(fā)電量與太陽能資源緊密相關(guān)，具有很強的區(qū)域性。根據(jù)光伏電站上網(wǎng)電量計算公式，可計算對應(yīng)的月發(fā)電量。

式中：HAi——單位小時輻射量為1MJ/m2時在1000W/m2條件下的等效小時數(shù)；

Ep——上網(wǎng)發(fā)電量，kW·h；

HA——月平均斜面輻射量，MJ/m2。

3.2 水電站系統(tǒng)特性

水電站總電量可表示為

式中：η——水輪機效率系數(shù)；

Qav——平均水流量，m3/s；

H——水頭，m；

t——平均水流時間，s。

3.3 水光互補電力電量平衡

水光互補利用水電站的調(diào)節(jié)性能對光伏電站的出力進行補償，起到平滑出力曲線、穩(wěn)定整體出力的效果。其利用水電站多余送出能力，提高了水電站與電網(wǎng)間輸送通道的利用率，節(jié)省了光伏項目送出投資，對大規(guī)模光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)起到積極的促進作用。

分析水光互補相關(guān)約束條件：

（1）滿足電網(wǎng)公司的考核指標：

式中：Pp——光伏系統(tǒng)在考核時間點的出力；

Ph——水電站在考核時間點的出力；

Pas——電網(wǎng)公司考核指標。

（2）水光互補總出力小于極限送出電量：

式中：Pmax為水電站至電網(wǎng)輸電線路的最大輸送能力。

（3）考慮光功率預(yù)測不準時，其電量平衡可表示為：

式中：Pas,t——t時刻電網(wǎng)公司的考核出力；

Pp,t——t時刻光伏系統(tǒng)的實際出力；

Ph,t——水電站t時刻預(yù)測出力；

ΔP——t時刻受天氣或預(yù)測精度影響的光伏出力。

4 水電站用于調(diào)節(jié)光伏的最大庫容

水電站在電力系統(tǒng)中擔任調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)相、備用等任務(wù)。一般在洪水期間應(yīng)充分利用水量，使全部機組投入運行，實現(xiàn)滿發(fā)、多供，承擔電力系統(tǒng)基荷；在水庫供水期間運行時，應(yīng)盡量利用水頭，承擔電力系統(tǒng)的腰荷和尖峰負荷，充分利用可調(diào)出力，起到系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用的作用。

水電站用于調(diào)節(jié)光伏的最大庫容，應(yīng)首先保證水電站在電網(wǎng)中的作用不變。再根據(jù)流域水電站的配套庫容計算可調(diào)節(jié)的最大光伏容量[15]。

根據(jù)貴州省的太陽能輻射數(shù)據(jù)分布，北盤江流域光伏年平均發(fā)電利用小時約為1000h，如圖2所示。北盤江流域現(xiàn)階段配置光伏裝機容量750MW，日內(nèi)平均光伏電量為206.5萬kW·h，按式（3）計算的等效調(diào)節(jié)庫容約占光照水電站調(diào)節(jié)庫容的0.318%。按最大月平均出力計算的等效調(diào)節(jié)庫容占比約為2.24%。

圖2 項目建設(shè)區(qū)光伏月平均總輻射Figure 2 Average monthly total solar radiation in the project construction area

同理，下級水庫的調(diào)節(jié)庫容會因為上游水庫調(diào)節(jié)光伏而受影響，當發(fā)生最不利情況時，下級水庫需要調(diào)節(jié)本級及上級水庫配置光伏。對于馬馬崖水電站，其水庫所需最大調(diào)節(jié)庫容占比約為水庫總庫容的5.56%。董箐水電站所需調(diào)節(jié)庫容占比約為水庫總庫容的4.63%。

由以上分析可得，北盤江流域配置光伏容量所需調(diào)節(jié)庫容占比很小，不影響流域水電站貴州省電網(wǎng)中的調(diào)峰、調(diào)頻、事故和負荷備用等關(guān)鍵作用。

5 對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析

5.1 系統(tǒng)建模

本次分析重點為水電—光伏聯(lián)合送出線路和水電—光伏聯(lián)絡(luò)線的安全穩(wěn)定性，考慮光伏最大出力時對電網(wǎng)的影響，在潮流計算中將光伏電源按最大出力等效為PQ節(jié)點[8-9]。發(fā)電機模型采用次暫態(tài)電勢E″q和E″d變化模型，并考慮勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的作用。根據(jù)系統(tǒng)建模，采用PSD潮流軟件對系統(tǒng)進行仿真分析。

5.2 穩(wěn)定分析結(jié)果

5.2.1 梯級第一級——光照水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖3，穩(wěn)定分析結(jié)果見表1。

圖3 水電滿發(fā)、光伏正常出力時送出線路穩(wěn)定曲線Figure 3 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表1 水電滿發(fā)、光伏正常出力時送出 線路穩(wěn)定計算結(jié)果Table 1 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

光照光伏電站—光照水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖4，穩(wěn)定分析結(jié)果見表2。

圖4 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 4 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表2 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 2 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.2 梯級第二級——馬馬崖水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖5，穩(wěn)定分析結(jié)果見表3。

表3 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 送出線路穩(wěn)定計算結(jié)果Table 3 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

圖5 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 5 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

馬馬崖光伏電站—馬馬崖水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖6，穩(wěn)定分析結(jié)果見表4。

圖6 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線Figure 6 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表4 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 4 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.3 梯級第三級——董箐水電站

水電滿發(fā)、光伏正常出力時，聯(lián)合送出線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖7，穩(wěn)定分析結(jié)果見表5。

表5 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 5 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

圖7 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（一）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

圖7 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（二）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

董箐光伏電站—董箐水電站聯(lián)絡(luò)線故障時，線路兩側(cè)分別發(fā)生單相瞬時、三相永久故障進行模擬，結(jié)果見圖8，穩(wěn)定分析結(jié)果見表6。

圖8 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（一）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

圖8 水電滿發(fā)、光伏正常出力時聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定曲線（二）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

表6 水電滿發(fā)、光伏正常出力時 聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定計算結(jié)果Table 6 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

6 結(jié)論

根據(jù)北盤江梯級水電站近5年實際運行數(shù)據(jù)，電站的送出通道利用率相對較低，充分發(fā)揮其龍頭水電站庫容優(yōu)勢，合理配置光伏規(guī)模，在不影響其對北盤江干流的水能調(diào)節(jié)能力的前提下，實現(xiàn)水光互補，提高通道利用率。利用水電站運行靈活、啟動迅速、較快適應(yīng)負荷變動等特點，彌補光伏電量的間歇性、隨機性、波動性等不足。降低大規(guī)模光伏項目接入對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響。