梯级水电站水光互补发电系统稳定分析

古婷婷，苏 立，何光元

（1．中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081；2．贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州省贵阳市 550081；3．贵州沅丰恒工程有限公司，贵州省贵阳市 550081）

0 引言

到2030年，非化石能源占一次能源的消费比重将达到25%左右，风电、光伏装机容量将达到12亿kW以上。因此，需要评估系统的可再生能源消纳能力以保障系统安全稳定运行[1、7]。新能源系统具有间歇性、随机性和波动性，其发电设备又具有低抗干扰性和弱支撑性，因此，大容量新能源电站并网将对电网的潮流和电压产生很大影响[14]，给电力系统的安全稳定运行带来一系列问题[3-5]。

水电站具有运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点，可对不稳定的电源进行补偿。利用水能、光能的互补性，依托水轮发电机组的快速调节能力，当光伏电站出力发生变化时调整水电站的有功出力进行补偿，实现水光互补发电，达到平滑光伏出力曲线、提高光伏发电质量的目的[2、6]。

本文通过对全国首批梯级流域梯级水光互补项目进行多个角度的分析，探索梯级调度水光互补项目对电力系统的稳定影响分析[10]。

1 梯级水电水光互补原则

北盘江梯级水电站在贵州电网中起着非常重要的作用，其中，光照水电站作为“龙头”水电站，不仅自身具有良好的发电能力，还能对下游的马马崖、董箐等水电站进行调节和补偿。由于水电和光伏同属于清洁能源，当采用水光互补模式开发光伏时，应遵循以下原则[11-12]：

（1）水光互补通道总容量在保证安全的前提下不超过调度部门下发的最大输送容量Pmax。

（2）各水电站在电网中的主要作用不改变。

（3）各水电站在梯级电站中的调节作用不变[13]。

（4）各水电站调节光伏引起的库容变化，考虑在日内或次日进行调度平衡，不会逐渐累积，允许发生合理弃电。

（5）合理配置光伏容量，配置光伏后尽量不新增弃水，弃光率满足国家相应政策要求。

2 梯级水电站特点

2.1 北盘江水电站基本情况

北盘江干流茅口以下梯级水电站，是国家“西电东送”第二批开工建设的重点工程，其中，光照水电站调节库容20.37亿m3，为多年调节水电站。下游马马崖一级水电站和董箐水电站调节库容分别为1.365亿m3和1.438亿m3，均为日调节水电站。光照水电站在南方电网中主要承担调峰、调频、事故和负荷备用，提高贵州电网的供电质量；同时，充分发挥其龙头水电站库容优势，可提高北盘江干流的水能调节能力，增加下游梯级电站的发电效益。

2.2 水电站送出通道利用率

根据光照水电站送出导线截面，结合电压控制曲线、功率因数、潮流分析，调度部门给出北盘江梯级输电的送出线路最高载流量。收集3座水电站近5年的通道利用率数据，可见其月平均通道利用率均在50%以下，其中，光照水电站最大月平均通道利用率为35.7%，马马崖水电站为38.7%，董箐水电站为68.4%，如图1所示。

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

由图1可见，北盘江梯级水电站的通道送出还有一定裕量可供使用。因此，北盘江流域梯级电站具备水光互补开发基础条件。

3 梯级电站水光互补模型

3.1 光伏系统特性

光伏项目发电量与太阳能资源紧密相关，具有很强的区域性。根据光伏电站上网电量计算公式，可计算对应的月发电量。

式中：HAi——单位小时辐射量为1MJ/m2时在1000W/m2条件下的等效小时数；

Ep——上网发电量，kW·h；

HA——月平均斜面辐射量，MJ/m2。

3.2 水电站系统特性

水电站总电量可表示为

式中：η——水轮机效率系数；

Qav——平均水流量，m3/s；

H——水头，m；

t——平均水流时间，s。

3.3 水光互补电力电量平衡

水光互补利用水电站的调节性能对光伏电站的出力进行补偿，起到平滑出力曲线、稳定整体出力的效果。其利用水电站多余送出能力，提高了水电站与电网间输送通道的利用率，节省了光伏项目送出投资，对大规模光伏系统接入电网起到积极的促进作用。

分析水光互补相关约束条件：

（1）满足电网公司的考核指标：

式中：Pp——光伏系统在考核时间点的出力；

Ph——水电站在考核时间点的出力；

Pas——电网公司考核指标。

（2）水光互补总出力小于极限送出电量：

式中：Pmax为水电站至电网输电线路的最大输送能力。

（3）考虑光功率预测不准时，其电量平衡可表示为：

式中：Pas,t——t时刻电网公司的考核出力；

Pp,t——t时刻光伏系统的实际出力；

Ph,t——水电站t时刻预测出力；

ΔP——t时刻受天气或预测精度影响的光伏出力。

4 水电站用于调节光伏的最大库容

水电站在电力系统中担任调频、调峰、调相、备用等任务。一般在洪水期间应充分利用水量，使全部机组投入运行，实现满发、多供，承担电力系统基荷；在水库供水期间运行时，应尽量利用水头，承担电力系统的腰荷和尖峰负荷，充分利用可调出力，起到系统的调频、调峰和事故备用的作用。

水电站用于调节光伏的最大库容，应首先保证水电站在电网中的作用不变。再根据流域水电站的配套库容计算可调节的最大光伏容量[15]。

根据贵州省的太阳能辐射数据分布，北盘江流域光伏年平均发电利用小时约为1000h，如图2所示。北盘江流域现阶段配置光伏装机容量750MW，日内平均光伏电量为206.5万kW·h，按式（3）计算的等效调节库容约占光照水电站调节库容的0.318%。按最大月平均出力计算的等效调节库容占比约为2.24%。

图2 项目建设区光伏月平均总辐射Figure 2 Average monthly total solar radiation in the project construction area

同理，下级水库的调节库容会因为上游水库调节光伏而受影响，当发生最不利情况时，下级水库需要调节本级及上级水库配置光伏。对于马马崖水电站，其水库所需最大调节库容占比约为水库总库容的5.56%。董箐水电站所需调节库容占比约为水库总库容的4.63%。

由以上分析可得，北盘江流域配置光伏容量所需调节库容占比很小，不影响流域水电站贵州省电网中的调峰、调频、事故和负荷备用等关键作用。

5 对电网的安全稳定分析

5.1 系统建模

本次分析重点为水电—光伏联合送出线路和水电—光伏联络线的安全稳定性，考虑光伏最大出力时对电网的影响，在潮流计算中将光伏电源按最大出力等效为PQ节点[8-9]。发电机模型采用次暂态电势E″q和E″d变化模型，并考虑励磁系统和调速系统的作用。根据系统建模，采用PSD潮流软件对系统进行仿真分析。

5.2 稳定分析结果

5.2.1 梯级第一级——光照水电站

水电满发、光伏正常出力时，联合送出线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图3，稳定分析结果见表1。

图3 水电满发、光伏正常出力时送出线路稳定曲线Figure 3 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表1 水电满发、光伏正常出力时送出 线路稳定计算结果Table 1 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

光照光伏电站—光照水电站联络线故障时，线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图4，稳定分析结果见表2。

图4 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线Figure 4 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表2 水电满发、光伏正常出力时 联络线稳定计算结果Table 2 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.2 梯级第二级——马马崖水电站

水电满发、光伏正常出力时，联合送出线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图5，稳定分析结果见表3。

表3 水电满发、光伏正常出力时 送出线路稳定计算结果Table 3 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

图5 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线Figure 5 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

马马崖光伏电站—马马崖水电站联络线故障时，线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图6，稳定分析结果见表4。

图6 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线Figure 6 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power

表4 水电满发、光伏正常出力时 联络线稳定计算结果Table 4 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

5.2.3 梯级第三级——董箐水电站

水电满发、光伏正常出力时，联合送出线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图7，稳定分析结果见表5。

表5 水电满发、光伏正常出力时 联络线稳定计算结果Table 5 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

图7 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线（一）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

图7 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线（二）Figure 7 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

董箐光伏电站—董箐水电站联络线故障时，线路两侧分别发生单相瞬时、三相永久故障进行模拟，结果见图8，稳定分析结果见表6。

图8 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线（一）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.1）

图8 水电满发、光伏正常出力时联络线稳定曲线（二）Figure 8 Stability curve when hydropower is full，add photovoltaic power（No.2）

表6 水电满发、光伏正常出力时 联络线稳定计算结果Table 6 Stable calculation results when hydropower is full，add photovoltaic power

6 结论

根据北盘江梯级水电站近5年实际运行数据，电站的送出通道利用率相对较低，充分发挥其龙头水电站库容优势，合理配置光伏规模，在不影响其对北盘江干流的水能调节能力的前提下，实现水光互补，提高通道利用率。利用水电站运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点，弥补光伏电量的间歇性、随机性、波动性等不足。降低大规模光伏项目接入对电网稳定运行的影响。