水光互补发电关键技术与研究展望

郭晓雅，崔青汝，王文彬，李雄威

（国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京市 102211）

0 引言

长期以来，火力发电占据全球电力市场主导地位。根据国际能源署最新报告，截至2021年，全球火力发电量占比62%[1]。虽然化石燃料资源丰富并且容易开采，但其不可再生性和对环境的负面影响不容忽视，因此人们长期寻求和发展清洁能源。我国能源结构也在向低碳化转型，为实现“双碳”目标，“十三五”期间，火电发电量份额从72%降低到69%[2]。

水能因其稳定的出力和丰富的资源，是目前使用最广泛的清洁能源，风能和太阳能装机规模也在逐年增长。但受限于可再生能源的不稳定性和高昂的投资成本，新能源发电效率和质量远不如火力发电。提高这些发电系统性能的一种方法是利用不同类型的能源特性、互补发电，从而达到降低成本、提高电能质量的目的。互补发电有多种能源组合，本文主要研究水光互补发电，简要介绍了水光互补发电基本原理和互补优势，全面分析了国内外水光互补技术发展和工程实践，深入探讨了当前水光互补领域关键技术，最后提出了未来的发展趋势。

1 基本原理及互补优势

水光互补发电是借助水库的调节能力，平抑光伏发电白日的波动性、随机性和夜间的间歇性，通过水电站的输电通道将水能和太阳能并入电网中，从而减少线路投资成本、提高水光互补电站整体的发电量和调峰能力。

水光互补系统的基本发电过程：①光伏发电产生的电能输送至附近的水力发电机；②水轮发电机实时检测并补偿光伏的间歇性和随机性输出；③光伏发电设备与水力发电机组的互补组合构成一个混合系统，其电能可以并入电力系统。水光互补发电系统基本结构见图1。

图1 水光互补发电系统示意图Figure 1 Schematic diagram of hydro-optical complementary power generation system

1.1 出力特性

1.1.1 水电出力特性

（1）水能的储存和调节。

电能一旦产生无法在电网中保存，但水电站可以通过调节水轮机组出力，改变水库水头高度，电能和势能相互转换，达到存储和调节的效果。

（2）机组运行的灵活性。

相较于传统火电机组及其他形式发电机组，水电机组具有随用随停、操作简单、安全快捷的特点，因而在互补系统中，水电机组很好地承担着调峰调频的任务。

（3）水电站生产成本低、效率高。

水电站依靠水库和水轮机组发电，不需要消耗任何燃料，和新能源机组一样，只需要前期投入建设成本及全生命周期稍小的运维成本，就可以产生大量电能。具有安全环保、成本低廉、运维简单、使用寿命长且能量转换效率高的特点。

（4）水资源可综合利用。

水力发电只消耗水库的势能并不影响水的流量，因而水电站的水库一般还具备防洪灌溉、生活用水、渔业养殖等功能。例如我国最大的水利水电工程——三峡水电站就兼顾发电、抗洪、防旱和航运的作用。

（5）有利于改善生态环境。

水库广阔的水面可以调节周围环境温度和湿度并给周围植物动物提供栖息地和水源，同时也可以人工调节水库水位小范围改善气候，从而起到改善生态环境的作用。

（6）水电建设受自然条件限制。

水利水电工程依托于条件合适的自然流域，多建于西藏、青海、四川等偏远地区和内陆黄河长江流域地区，因而具有地理限制。修建大型水电站的难点不仅在于建设过程本身，更在于建设征地、迁移人口和生态环保的工作。

1.1.2 光伏出力特性

光伏发电量与太阳辐射强度和气温直接相关，因而一年当中光伏出力主要受季节的影响：春冬出力大、夏秋处理小；一天当中光伏只有白天出力且跟地球和太阳的相对位置有关，此外还受云朵的影响，晴天出力比阴雨天要高。因而光伏出力曲线整体抛物线趋势，具有间歇性、波动性和随机性的特点（见图2）。

图2 晴天典型光伏出力特性曲线图Figure 2 Characteristic curve of typical PV output in sunny days

（1）间歇性。

光伏发电与否取决于太阳的升落，白天光伏出力、夜晚出力为零；此外不同季节出力的时刻段呈现规律性变化。

（2）波动性和随机性。

光伏发电大小取决于太阳辐射光伏板的强度，因而随着云朵等遮挡物的出现，发电量实时波动；同时又与天气条件有关，具有在一定范围内可以预测的随机性。

1.2 互补优势

水资源和太阳能资源的时空分布是水光互补的先决条件。水能资源的最丰月份为7～10月，而太阳能资源为4～6月，枯水期来水量小，太阳能资源可对水电进行有效补充。水电机组可以提升光伏电站并网消纳能力；光伏发电可以分担水电机组负荷；二者互补提升了整体调峰能力和电网友好性；有效开发可再生能源促进生态环境可持续发展。

1.2.1 对光伏电站的影响

光伏发电出力的波动性、间歇性和随机性给电网调度带来了困难，也影响了光伏发电的并网消纳。水电具有启动灵活、调节速度快等优点，可以平滑光伏功率曲线，并在光伏出力不足的情况下补充光伏发电的缺额，提升光伏电站并网消纳能力。

1.2.2 对水电电站的影响

当光伏发电承担电网负荷之后，水电机组可以在相应时段内减少发电功率，在水库内储备更多水能，使得水电机组调峰能力增强，缓解枯水期水电负担。

1.2.3 对电网的影响

太阳能自身无调节能力，单独运行不能适应电力系统要求，需要水电与之联合运行，对其补偿调节，以多能互补形式满足电力系统需要。通过二者优势互补既可减少弃风弃光电量，促进新能源消纳和增加可再生能源比重，又可保障电网安全稳定运行，提高输电通道利用效率，促进新能源并网。

1.2.4 对生态的影响

通过合理地规划和运行水光互补电站，能够在保护当地生态环境的前提下有效开发当地的可再生能源，减少对当地水能与太阳能资源的浪费，避免对当地生态环境的污染和破坏，助力当地经济社会和生态环境可持续发展。

2 技术发展研究现状

自21世纪以来，为了应对全球气候变化和能源危机，以美国、中国、欧盟各国为代表的31个经济体制定了实现碳中和的减碳目标[3]（见图3）。为此，不同国家和地区纷纷出台了大力发展可再生能源的政策，促进包括水电和光伏发电在内的清洁能源发电并网。随着光伏发电新增装机在电力系统的份额逐年提升，水光互补是提升机组调峰调频能力、促进新能源并网的有效途径之一，近年来世界各国在水光互补技术理论研究和工程实践上积极探索。

图3 31个经济体碳中和目标Figure 3 Carbon neutralization targets of 31 economies

2.1 国外研究现状

水光互补概念，最早在2005年由西班牙学者Jose’L提出，他讨论了通过包括水光互补在内的混合能源系统——太阳能光伏、风能、水能等两种及以上的可再生能源发电组合，解决偏远农村地区用电困难的问题[4]。2008年巴西学者提出了评价水光资源互补性的无量纲指标，并标注了巴西南部南里奥格兰德州太阳能和水互补性地理指数图[5]。随后巴西学者A Beluco于2012年仿真计算了水光互补电站设计参数[6]。2012年埃塞俄比亚学者C Rosa研究了本国风光水混合供电系统的可行性并确定了六个具有互补发电的地区[7]。2019年希腊学者D Apostolopoulou提出了一个梯级水电—太阳能混合发电系统的优化调度方案，并以肯尼亚塔纳河梯级水电站为例计算了水电站可互补的光伏容量和调度策略[8]。2021年美国学者I Magham设计了离网型水光互补水轮监测站供电方案并提出了一种多目标优化模型[9]。由此可见国外已经从互补特性分析、容量配置、优化调度等全方面研究了离网和并网型水光互补发电技术，并形成了全生命周期互补电站管理体系。基于该理论体系，2006年葡萄牙在水面铺设光伏联合水库统一调度构成小型离网水光互补发电系统。2008年德国启动了“E-Energy”计划，其中的RegModHarz可再生综合能源项目将风电和光伏作为哈茨水电站的虚拟机组联合调度，促进了新能源上网消纳。2010年希腊建设了Ikaria 风光水互补电站成为世界上首批风力—水力—抽水—蓄能混合电站之一，相比独立的水电站，互补电站年发电量增加17%。2015年印度测算了喜马拉雅山脉西部水电站和风光资源的互补性，规划了11个互补电站选址。2021年巴西能源监管机构发布了一项综合能源电站法规，明确规定了综合能源电站种类、上网电价、合同签订等规则，体现了巴西发展可再生能源的决心。此外，埃塞俄比亚拟基于复兴大坝建立非洲最大的水光互补电站，目前第一台水轮机组已经投入运行，成为了该国电网主干的一部分。

2.2 国内研究现状

在国内尤其是西北地区，水电资源丰富且日照时间长，具备发展水光互补电站的先决条件，这催生了我国水光互补研究和工程实施方面处于国际领先水平。2008年中国农业大学左婷婷等人以风水光互补发电系统为研究对象提出了一种离网型新能源装机容量和储能配置[10]。2013年中国科学院学者针对水光互补微网系统突出了一种基于动态规划的光伏逆变器调度策略，提高了系统能量转换效率。2014年中国矿业大学团队利用最小二乘法原理计算了在负载及来水不均衡的情况下的水光互补电站光伏板最佳倾角，得到最佳倾角和最大辐射接收角有一定区别的结论[11]。2015年西安理工大学张舒捷等人基于遗传算法，以互补电站经济收益最大为目标，计算了龙羊峡水光互补电站最优光伏发电装机容量配置，结果表明与实际工程光伏容量接近[12]；同年该校学者明波等人以调峰能力最大为目标，提出了水光互补电站短期调度策略[13]。2020年中国台湾学者提出了一个基于人工智能的水光互补电站全生命周期总体调度方案并以台湾石门水库为例仿真验证了其调度方案[14]。2020年国家电网专家从光伏容量优化、短—中—长期联合调度、抽水蓄能设备及实际工程示范四个方面，提出了梯级水光蓄互补联合发电系统的研究框架[15]。2021年大连理工大学分析了云南电网结构和电源结构，计算了云南澜沧江流域梯级水电站和大理及楚雄州的光伏电站互补性并以调峰为目标提出了短期调度方案和建议[16]。此外，多位学者也提出了以发电量最大、资源利用率最高、调峰能力最强、经济性最优、剩余负荷最小、出力波动最小、检修损失最小等为目标的实时与短期和中长期优化调度方法。

2021年我国制定了“十四五”规划和“2035年远景目标纲要”[17]，提出要构建现代能源体系，建设九大清洁能源基地（布局如图3所示），具体包括：①松辽清洁能源基地（风光储一体化基地）；②冀北清洁能源基地（风光储一体化基地）；③黄河几字弯清洁能源基地（风光火储一体化基地）；④河西走廊清洁能源基地（风光火储一体化基地）；⑤黄河上游清洁能源基地（风光水储一体化基地）；⑥新疆清洁能源基地（风光水火储一体化基地）；⑦金沙江上游清洁能源基地（风光水储一体化基地）；⑧雅砻江流域清洁能源基地（风光水储一体化基地）；⑨金沙江下游清洁能源基地（风光水储一体化基地）。

图4 “十四五”大型清洁能源基地布局示意图[17]Figure 4 Layout of 14th Five-Year large clean energy base[17]

其中，位于黄河上游的世界规模最大的水光互补光伏电站——我国青海龙羊峡水光互补电站于2013年实现并网投运，其中水电站装机4×32万kW、光伏电站装机85万kW。该工程统筹了龙羊峡水电具有多年调节性能、太阳能资源丰富、光伏上网电价高的优势，改善了公司经营状况并增强了光伏电站的电网友好性、水电站调峰调频能力及输送线路的利用率。此外还有部分我国已建成的小型包含水电和光伏的综合能源系统，如青海玉树水光互补微电网发电系统、四川小金县水光互补电站等。

3 关键技术分析

围绕水光互补电站从规划、建设到全生命周期运营，全面分析了包括建设准备阶段的水光互补特性和容量优化配置、运营期间的联合运行调度、安全稳定运行和经济性指标等水光互补关键技术。

3.1 系统互补分析

3.1.1 全球互补潜力

全球3080座水库具备大规模光伏发电并网潜力，互补系统装机容量潜力初步估算170万kW，水电、光伏容量比为1:1.2，总发电量为3783kW·h，其中亚太地区发电潜力占40%。互补系统出力波动平均比单独系统低70%以上，光伏发电并入水电后，输电通道平均利用效率可从由50 %提高到72 %。未来全球范围内新增的光伏装机，将由约26%并入水光（及含水电和光伏的）互补电站，至2040年水光（及含水电和光伏的）互补电站将占据全球电力市场12%的份额。

3.1.2 互补特性评价

（1）水光资源互补性指标。

为评估同一地区水光资源的互补性，可以通过计算资源时间相关性系数、出力大小相关性系数和出力振幅互补性指数，从而得到一个无量纲的水光资源互补性指标K：

式中：Kt——水光资源时间相关性系数，与一年当中水资源和太阳能的最小值可用天数和最大值可用天数；

Ke——风光出力大小相关性系数，通过计算全年水或光总出力可以得出；

Ka——风光出力振幅互补性指数，反映了全年水或光出力波动幅度。

（2）对电力系统的安全稳定影响。

水光互补前后对电力系统影响可从输送线路利用率变化、功率波动性变化及电网暂态分析等方面研究。前二者可以通过计算简单的统计和标准差直接计算，后者可以用PSD仿真软件模拟光伏电站极端出力下的潮流计算和电网暂态稳定分析。

（3）系统补偿度考核方法。

互补电站补偿度可以用于衡量由于光伏波动性和随机性导致水电跟随互补的能力。补偿度可以通过计算水电机组出力变化量和光伏出力变化量的比值得出，其中水电机组处理变化量中要扣除因一次调频引起的水电出力变化量。

3.2 容量优化配置

在规划配套光伏电站容量时，优化的目标和算法有多种，实际工程中大多以互补电站联合收益最大为目标，通过智能搜索算法，计算最优容量配置。具体步骤为：

（1）建立水光互补电站经济性模型的目标函数。互补电站联合收益E等于联合收入I和联合成本C的差值。其中收入I等于水光各自发电量和对应上网电价乘积之和，成本C包括水光伏电站建设投入成本、贷款利息、运维成本和末期拆除成本。需注意在计算收益时要将不同年份收益折现。

（2）确定约束条件，包括电站处理约束、潮流约束等。

（3）智能算法寻优，可采用遗传算法迭代计算。

3.3 联合运行调度

水光互补电站是否能实现平抑波动、提升调峰能力等取决于联合运行调度策略，从时间尺度上可分为实时与短期优化调度和中长期优化调度。与容量优化配置相同，联合运行调度时需要首先确定优化目标、然后确定系统约束条件，最后通过智能优化算法得出不同目标下的最优调度策略。但与容量优化配置不同的是，互补电站在实时与短期和中长期调度过程中往往有多个优化目标，因而需要采取多目标优化算法进行互补出力优化计算。目前我国已经有成熟的水光互补电站AGC、AVC控制软件实时调度水电站和光伏电站的有功功率和电压控制。

3.3.1 实时与短期优化调度

实时与短期调度包括编制日前发电计划和实时经济运行，因此优化目标一般为总发电量最高、弃电量最小、出力波动最小、调峰能力最大和发电效益最优。总发电量等于全天不同时间段所有水电站和光伏电站出力总和，其中水电出力与水头、发电流量、水电站耗水率成正比，光伏发电量则与光辐射强度和温度相关；弃电量等于光伏出力加水电出力与互补电站联合出力的差值；处理波动一般用标准差来反映；调峰能力是指互补系统对电网下达负荷的跟随能力；发电效益则由各自发电量和上网电价决定。模型约束需考虑机组出力、电量平衡约束、水库下泄流量水位及库容的约束。此外对于综合性和梯级水电站还需考虑其防洪灌溉能力保证和上下游水库水位保持。由于目标函数的求解是个非线性、多维、非凸的优化过程，传统的线性规划、动态规划等优化方法已经不再适用，现多采用混合动态规划、智能寻优算法或混合算法，可以充分结合动态规划的多线程处理速度和智能算法的全局精确寻优等优点。

3.3.2 中长期优化调度

中长期调度的对象一般是具有年调节能力的大型水光互补电站。因水电站来水和年光辐射强度具有明显的季节性和规律性，互补电站中长期优化目标一般为水光资源利用率最高、发电保证率最高、缺水指数最小和发电效益最大。在制定调度策略时可嵌套实时与短期优化调度策略，将短期调度弃电量以弃电惩罚的方式纳入互补电站总发电量和发电效益中，将出力波动纳入发电保证率函数中，避免忽略短期调度引起的弃水弃光和电量缺失。资源利用率可以通过年累计弃电量（水电和光伏发电）在总发电量中的占比来计算；发电保证率通过统计所有时段出现缺电的频次来计算；缺水指数由水库下泄流量和下游水库需水量来衡量；发电效益的计算方法同3.2。为了求解模型、绘制水电站调度图，不同学者提出了基于帝王蝶优化算法、多目标粒子群算法、改进的NSGA Ⅱ算法、改进的逐步优化算法、基于 POA 的模拟优化算法、遗传算法、模拟退火算法、随机优化算法、PSO优化算法、布谷鸟搜索算法等，得出了不同优化目标的水光互补电站中长期优化调度策略。

3.4 运行安全分析

受光伏间歇性、波动性和随机性的影响，运行安全分析是水光互补电站运营过程中的重要环节。目前针对常规电力系统，市面上存在成熟的分析软件如PSAT、PSD-BPA、PSAPACC、EMTP、BPA等。对于水光互补电站而言，其安全运行体现在电网影响、发电计划安全性和安全运行区间上。通过构建水光互补微电网模型并用计算互补电站引起的电网功率、频率等不稳定性并通过CPSO 算法优化电网收益；此外还有学者基于多项式混沌理论的概率配点算法开发了安全运行分析和评估软件，软件提供水电和光伏电站运行参数展示、调度模式展示、运行安全分析和实时数据可视化等功能。

3.5 经济性分析

前文提到了以发电效益最大为目标的优化调度策略可以直接计算互补电站整体的经济性。经计算证明，水光互补电站具备经济性与否，取决于光伏容量配置和调度策略。结合我国光伏上网标杆电价采用增量分析法可以计算龙羊峡水光互补电站联合收益并与单独运行对比，发现互补电站发电量明显提高、调峰能力增强、输电线路利用率显著提升因而年效益增加了4.69亿元；复兴大坝水光互补后经济效益比优于水电和光伏电站独立运行；大英加水光互补电站互补后由于水电站调节能力差、输电线路容量不足等因素导致大量光伏弃电，效益低于互补前。

4 研究展望

针对上文分析的当前水光互补关键技术研究和运行现状，提出以下三项研究和发展趋势：

（1）基于不同上网定价机制的光伏电站容量配置方案。

我国目前尚未出台完善的水光互补发电上网定价政策，市场电量和电价结算不透明，研究不同国家综合能源系统上网定价机制并计算最优光伏容量配置，有利于水光互补电站全生命周期的经济性运行，也为未来越来越多的综合能源系统提供参考，引导我国多能互补定价机制的完善。

（2）基于大电网安全性和经济性的水光光互补系统优化调度策略研究。

目前研究的水光互补调度策略多以互补系统的整体发电量、经济性等为指标，忽略了区域电网及大电网整体安全和效益，有不被电网采纳的风险，因而有必要研究不同调度策略对大电网的影响并在互补电站和电网中平衡最佳调度策略。

（3）互补系统成套设备研制。

水库的调节能力在互补电站中起到关键作用，研制变速恒频的抽水蓄能发电设备可以极大提高互补电站的调峰能力、降低甚至消除弃水弃光。目前仅有部分梯级水库配置了用于调节上下游水位的设备，缺少调节互补电站负荷的成套抽水蓄能发电设备。

5 结论

本文在全球范围内调研了水光互补发展政策和工程建设，阐述了互补特性分析、容量优化配置、联合运行调度、安全稳定运行和经济性指标等水光互补电站全生命周期的关键技术，提出了包含定价机制研究、基于电网的调度策略、成套设备研制等三个方向的未来研究思路。未来全球新能源发电份额将不断增加，我国能源结构也在持续转型，希望本文的研究能为未来水光互补技术研究和工程提供参考。