基于发电效益最大化的水光互补方案优化设计

王学成，杨 雨，刘庆超

（1.新疆华电沙尔布拉克水电有限责任公司，新疆富蕴836100；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

基于发电效益最大化的水光互补方案优化设计

王学成1，杨 雨2，刘庆超2

（1.新疆华电沙尔布拉克水电有限责任公司，新疆富蕴836100；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

针对某水电站由于来水的季节变化特性，而导致的长期低效率运行问题，本文提出建设水光互补系统的优化方案。通过与当地电网公司重新协商调度协议，实现水电的优化运行，提高整个项目的盈利能力。

水光互补；水电优化运行；盈利能力提升

0 引言

水光互补项目往往依托已建成水电站，将新建光伏电站视为扩建容量而接入其中。这种发电形式不但能够解决光伏安全并网的难题[1，2]；也最大限度地利用当地资源，发挥两种能源各自的优势，相互间做到有益的补充[3]；同时节省建设成本，提高送出设备的利用率；另外增加互补发电单元中机组运行的灵活性，通过优化提升发电企业的盈利能力，是新能源产业发展的方向之一。

目前，对水光互补工程的研究，多数集中在提高发电系统并网电能质量，使其对电网更加友好[4~6]，而它对发电企业的价值则鲜有提及。本文主要研究实现水光互补之后，如何通过改变电站原有调度策略，最大限度地提高发电系统运行效率，增强发电企业的盈利能力。

1 某水电站运行现状

某水电站水库正常蓄水位802m，相应库容8630万m3，死水位790m，相应库容3930万m3。电站正常运行中水头一般在52~43m之间变化。水轮机型号为HAL551-LJ-230，其额定水头41m，额定转速230.8r/min，单机额定流量41.34m3/s。发电机采用3台SF15-26/4500型发电机，单机额定功率15MW，额定电压10.5kV，额定功率因数0.85（滞后），额定转速230.8r/min。经过一轮改造后，单台发电机组最大功率可达16.7MW。

根据历史数据，电站各月的平均来水量及流量见表1，每年4~9月为丰水期，电站出力较高；10月~来年3月为枯水期，枯水期电站只能维持在一个很低的出力下运行，一方面，由水轮机的效率特性可知（如图1所示），机组低负荷运行导致系统效率低下，为电站带来了极大的损失（以二月份为例，平均流量仅有8.0m3/s，电站为了维持高水头，只能利用来水发电，此时对应的水轮机效率只有不足50%）；另一方面，由于调度协议的约束，电站如果停机蓄水又将面临巨额罚款，二者共同影响了水电站收益。

表1 某水电站各月的平均来水量及流量

2 水光互补方案设计

2.1 优化方案可行性分析

为改变水电站长期低效率运行的现状，考虑在电站附近建设光伏发电工程，实现水光互补，项目建成后，水电和光伏将作为一个整体的发电单元对外供电。通过和电网公司协商新的调度协议，有望改变项目公司现有经营状况，实现项目更好的盈利。

由于国家政策限制，在该地区争取地面光伏电站指标存在困难，本项目拟建设18MWp分布式光伏电站，与水电站形成互补。水光互补形成后，水电站可采取日间蓄水，夜间发电的调度策略，以提高发电时段的负载率，提高电站发电效率。另外，根据项目公司反馈，已与电网公司达成初步协议—水光互补发电中，对水、光系统一天中供电的连续性可不做严格要求，也即在制定调度协议时，水电站可不考虑与光伏在发电时段上的配合，而是根据本电站效率最优化的需要，灵活决定每天的发电时间。

工程所处地区分布式光伏上网电价仅为0.67元/kWh（当地火电脱硫后的标杆上网电价0.25元/kWh+分布式光伏补贴0.42元/kWh），低于地面光伏电站0.9元/kWh的标杆上网电价。偏低的电价致使其本身盈利存在困难，然而就水光互补整体而言，由于水电站效率的大幅提升，整个系统仍有望获得更好的盈利能力，方案具有可行性。

图1 水轮机运行特性曲线

2.2 水电站优化运行

“我们相信(Xe-100的)安全案例已得到充分证明，我们认为这是一种内在安全的反应堆。”X能源主管反应堆研发的副总裁马丁·范斯塔登表示，“我们不需要任何操纵员行动和能动电力系统来确保电厂或公众安全”或“确保任何厂区边界(辐射照射)限值均不会被超出”。

以年发电量最大为优化调度目标，调度周期分为T个时段，以t代表时段变量，t=1，2，…，T；以Qt表示水库在t时段的发电引用流量；Ht表示水库在t时段的平均发电水头；Vt表示水库在t时段的平均库容，则优化调度目标函数为：

约束条件为：

发电引用流量限制：

水库库容限制：

水库水量平衡方程式：

电站出力限制：

式中A—系数，包括发电效率和时段时间的影响；

Qmax，Qmin—允许的最大、最小发电引用流量；

Qrt—t时段的入库流量；

ΔVqt—t时段的弃水总量；

Nmax，Nmin—电站允许的出力上、下限。

假设发电机效率恒为97%，结合图1所示水轮机效率曲线，拟合得到发电机组的效率模型；以年为周期进行优化，将每15min作为一个调度时段，水头调节范围为43~52m，采用粒子群算法对上述问题进行优化，优化结果见表2。

观察上表可以发现针对不同的时间和来水量，优化方案给出了不同的策略：

（1）对于来水量不大，利用当天来水无法使电站维持全天满发的月份（1~3月、7~12月），方案在只利用当天来水发电，维持高水头这一原有运行策略的基础上，充分利用了水光互补系统中水电站每日发电时间相对灵活的优势，通过合理控制每日发电时间，使电站在发电时段保持高负荷运行，大幅提高了电站的效率，从优化结果中可以看出，对应月份在优化后，均达到了机组可能达到的最佳耗水率7.63m3/kWh，大幅优于优化前值，同时发电量大幅提升，尤其对于严重枯水期（11月至来年4月），优化后可提升发电量近50%，为电站带来巨大的效益，体现出水光互补系统在盈利能力上的优越性。

（2）洪水期面临大量弃水，单纯追求发电的低耗水率没有意义。本方案充分发挥水库的调节能力，在汛期来临之前（4月份）利用原有库容尽可能地增加发电量，同时清空库容，此时总优化目标等价于通过科学调度库容，换取尽可能长的电站满发时间；待洪水期来临后（5~6月份），电站可不计效率地随时保持满发，同时逐渐恢复水库水位。从优化结果可以看到，虽然由于水头的变化导致机组4~5月份耗水率有所上升，但4月份因此增加了发电量近40%，且由于来水充足，5月份在恢复水头的同时，机组仍可保证满发，发电量未受影响，同时减少了弃水量。图2~图5为4、5月份电站水头高度和机组耗水量变化曲线。

图4可见，由于来水量巨大，进入汛期之后，水库仅用10天左右时间即恢复了最高水位。水库有限的调节能力，导致电站在5~6月仍会面临较大的弃水量。

表2 枯水优化期各月的日发电时间、效率和发电量

3 项目经济评价

项目新建光伏电站所在地最佳倾斜面年辐照量为1821kWh/m2，20年可研平均利用小时数为1334h。项目装机为18MWp，由于可利用水电站已有设施实现并网，无需另外建设升压站以及送出线路，按单位千瓦投资7800元/kW计算成本；另外光伏电站无需增加运维人员，可节省一部分开支。

该项目为分布式光伏电站，上网电价为0.67元/kWh，本身不具备盈利能力，而对于水光互补系统，可考虑将互补后水电站提升的效益，作为补贴收入纳入到光伏发电项目中之，得到光伏项目资本金内部收益率为23.37%之间，优于普通的地面式光伏电站，盈利能力优秀。

图2 四月水头高度变化曲线

图3 四月机组耗水量变化（维持32.4MW）曲线

图4 五月水头高度变化曲线

图5 五机组耗水量变化（维持50.1MW）曲线

表3 项目经济指标汇总表

4 结语

为了解决某水电站长期运行效率低下的问题，本文提出了建设水光互补发电单元的优化方案：

（1）通过在水电站附近建设光伏电站，组成水光互补单元，改变电站与电网公司间的调度协议，提高水电站运行的灵活性；

（2）以水电站年发电量最大为目标，在枯水期和汛期采用不同的运行策略，大幅提高了水电站发电量；（3）由于该区域地面式电站指标限制，方案拟建设18MWp分布式光伏项目。虽然分布式项目上网电价较低，但其存在有利于整个发电系统的效益提升，将水电站提升的效益纳入到光伏项目后，得到光伏项目资本金内部收益率为23.37%，盈利能力优秀。

[1]王社亮，冯黎，张娉，等.多能互补促进新能源发展[J].西北水电，2014，（6）：79~82.

[2]左婷婷，杨建华，邵冰然.风、水、光互补发电系统优化与环境价值[A].中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集（下册）[C].2008.

[3]Yang H，Zhou W，Lu L，et al.Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm [J].Solar energy，2008，82（4）：354~367.

[4]龚传利，王英鑫，陈小松，等.龙羊峡水光互补自动发电控制策略及应用[J].水电站机电技术，2014，37（3）：63~64.

[5]沈有国，祁生晶，侯先庭.水光互补电站建设分析[J].西北水电，2014，（6）：83~86.

[6]汪洋.水光互补模式推广应用的分析[J].资源节约与环保，2015，（3）：114.

Optimal Scheme Design of Hybrid Hydro-Solar Power Generation Aiming at Maximizing Generation Benefits

WANG Xue-cheng1，YANG Yu2，LIU Qing-chao2
（1.Xinjiang Huadian Sarbulak hydropower limited liability company，Fuyun 836100，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030）

To solve the problem of some hydropower plant operating at low efficiency，due to the seasonal changing character of runoff，this paper proposes a optimal scheme of constructing hybrid hydro-solar power generation system. Through renegotiating the dispatching protocol with the local Grid Corp，we realize optimal operation of hydropower，and improve the profitability of the entire project.

hybrid hydro-solar power generation；optimal operation of hydropower；profitability improvement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.008

TM61

B

2095-3429（2015）06-0027-04

2015-09-01

修回日期：2015-11-16

王学成（1978-），男，助理工程师，从事水电站及新能源电站生产运营及项目前期管理工作。