基于水、光互补的优化光伏消纳能力分析

牟平伟

摘要：光伏电站并网后可以对电网有调峰作用，但光伏发电具有随机性和间歇性的特点，其季节与时特性十分明显，为实现能源多元化，本文采用水电站、光伏电站互补方式（分时段、分情况）对电网进行调峰以及各负荷相互协调，并用工程实际案例加以应用分析，达到经济、节能、环保目的，对光伏并网化和大型化，保证电网安全稳定运行提供理论基础。

关键词：光伏电站；消纳；能源多元化；多能互补

前言

我国目前的能源结构是以煤、石油、天然气能源为主，但由于这些能源的不可再生性，势必使得能源的供需矛盾日益突出。作为可再生能源的太阳能，“取之不尽、用之不竭”。大力发展太阳能发电，緩解对有限矿物能源的依赖与约束，是我国能源发展战略和调整电力结构的重要措施之一，也是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。

光伏消纳能力以及各配电网之间相互协调的问题已引起重视，针对光伏发电受时间的局限性，开展光伏消纳能力分析与研究，从而保证了能源结构的合理性和科学性，极大地提高了能源调度的能力。

在国内多能互补的研究实践中，广州明珠工业区结合城市电网未来发展方向和技术需求，通过冷/热/电/气系统优化提高能源综合利用率，积极打造可再生能源就地消纳智能工业示范园。北京市延庆区“城市能源互联网”综合示范工程，旨在建设支撑高渗透率新能源充分消纳的区域能源系统。雄安新区提出了考虑燃气等能源为补充的“地热+”的多能互补工程。

针对光伏发电消纳能力问题，文献[1]采用基于粒子群优化方法对配电网最大分布式光伏消纳能力进行评估，并与现有分析方法的性能进行了比较，通过具体算例说明了所提方法的应用。文献[2]运用类高斯分布抽样法确定随机场景配电网的光伏发电消纳能力。文献[3-5]利用转移线路负荷和增加储能装置两种方法以提高配电网光伏消纳的能力，通过建立模型演算表明增加储能装置的方法效果会更好。文献[6]选取能源互联网在多能互补集成优化方面的关键技术为研究对象，以多能流混合建模为基础，对多能系统规划，智能调控，协同控制与互动、综合评估、系统信息安全与通信等关键技术和挑战进行归纳。本文通过水电站、光伏电站互补，提高光伏的消纳能力。

1 水光互补系统

水光互补系统是指，当太阳光照强时，用光伏发电，水电停用或者少发。当天气变化或夜晚的时候，就可以通过电网调度系统自动调节水电发电，以减少天气变化对光伏电站发电的影响，提高光伏发电电能的质量，从而获得稳定可靠的电源。

水光互补系统这个概念诞生于多能互补系统，从目前我国的能源结构来看，多能互补这个概念其实并不陌生，系统中存在着各种能源之间交换规则，每一种能源需要借助另一种能源进行协调转换才能更高效地转换，传统的能源系统相互独立的运行模式无法适应区域综合能源系统多能互补的能源利用方式，在能量生产、传输、储存和管理的几个方面来分析整个系统，通过建立风、光、水联合调度系统，多能互补能量管理系统等，通过技术手段提高功率预测的准确性和分辨率，最大程度上利用风电电量以及水电容量之间的互补性，通过PMU等手段来建立风、光、水电之间的联系，最终使得光伏可以转化成为可控的常规电源。

互补集成优化示范工程主要有两种模式：一是面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建设一体化集成供能基础设施，通过天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用；二是利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势，推进风光水火储多能互补系统建设运行。

间歇性是光伏发电的缺陷。间歇性意味着其发电量极不稳定，光照强的时候多，但在夜晚完全没有。这是由于照在光伏面板上的阳光本身因天气的不稳定而产生的“先天性缺陷”，无法通过光伏器件或发电系统自身去改变。

水电则是将河流、湖泊或海洋等水体所蕴藏的水能转变为电能的发电方式，各水电机组利用小时主要由各地的降水量和流域来水量决定。目前，中国水电的年利用小时稳定在3000～3700小时的区间。遇到河流枯水期或者长时间降雨量较少的时候，水电则相对乏力。如果在能源利用上彼此可以相互补充，那么能够平衡电网的需求；而且还能在电站建设、输变电设备上可以共用，提高设备使用效率。

2 案例分析

以西南某区县光伏电站为例。

该地区水电电源丰富，截止2017年底，该地区电网电源装机容量总计约150.025MW，均为水电机组。其中，以110kV电压等级接入的水电站1座，装机容量47.7MW；以35kV电压等级接入的水电站7座，总装机容量67.45MW；以10kV电压等级接入的水电站40座。

目前该地区水电站（47.7MW）具有年调节能力。若利用两座水电站进行丰水期日调节，与光伏错峰出力，可提高光伏消纳能力约40MW，该地区电网光伏最大允许装机总容量可提升至235MWp，其中接入点为某220kV变电站110kV侧母线及下级电网的最大装机总容量可提升至170MWp，全年水电调峰电量将达到约2000万kWh。

2.1 光伏电站运行特性

依据采用该地区气象站日照时数推算出辐射数据，同时结合NASA、Meteonorm气象数据库进行修正，得到该地区太阳能辐射数值。经检验，该值可与实际太阳能辐射值误差在3%以内。因太阳能资源微观差异小，经计算，巫该地区水平面太阳总辐射月际变化图如下：

为了保证电网有足够接纳能力，为电网运行留有足够裕度，同时结合光资源分布等实际因素，因此光伏电站出力特性按以下条件进行计算分析：

1）各月选取其天气完全晴朗的一天作为典型日，巫山地区所有光伏电站均按年内该时段上限值进行出力；

2）所有光伏电站组件均为最佳倾斜角固定式安装，同时光伏组件功率存在+0.5%的公差，不考虑光伏组件功率衰减；