龙羊峡水光互补运行机制的研究.docx

第36卷第3期华北水利水电大学学报(自然科学版)V0136 No32015年6月Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition)Jun2015DOI：103969jissn10025634201503018龙羊峡水光互补运行机制的研究 张娉，杨婷 (中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)摘要：光伏发电出力存在间歇性、波动性和随机性等特点，大规模光电并网会对电网的安全稳定运行造成一定的 影响基于水力资源和太阳能辐射资源客观的互补性，首次提出了水光互补运行机制，研究了龙羊峡电站 水光互补的运行模式，为探索多种能源互补利用提供了理论基础根据各种可能的补偿方式及其影响，拟 定了3种水光互补方案，并以推荐方案为例，说明水光互补运行方式的情况，并对水光互补的影响进行了 分析。研究分析结果表明，对电站来说，水光互补模式在技术上可行2013年年底，全球最大的水光互补项 目龙羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站建成发电，光伏电站与龙羊峡水电站成功联合运行，验证了 水光互补运行机制的合理性和有效性关键词：龙羊峡水电站；水光互补；运行机制中图分类号：TV74；TM615文献标识码：A文章编号：10025634(2015)03007606光伏发电的出力存在间歇性、波动性和随机性到了典型示范作用，具有较高的理论及实践价值 等特点，又有昼夜更替的显著周期性，大规模光电并1水光互补的概念网消纳及输送对电网建设、电源结构配置以及电站运行方式、管理体制等方面提出了新的要求“1水太阳能光伏发电随着日出、日落的昼夜变化， 电站具有运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等春、夏、秋、冬的季节变化，天气和温度等的气候变 特点1，可对不稳定的电源进行补偿鉴于大规模 化，辐射量呈现不同的变化，致使光伏发电具有问歇 光电并网所带来的一些问题，基于水力资源及太阳 性、波动性和随机性的特点其间歇性、间歇时间随 能资源客观的互补性，研究水光互补协调运行的机 季节变化而变化，具有一定的规律性受阴、雨、多云 制、理论及实践具有实际意义 等天气状况的影响，其出力日内具有波动性，但受天 青海省水电富集，调节性能好，太阳能资源丰气等影响的光伏发电出力波动明显小于昼夜交替引 富，水力资源的来水量和太阳能的辐射量从客观上起的波动因而光伏发电最明显的特点是昼发夜停， 具有一定的互补性，利用水电站的调节性能与补偿 光伏发电日出力的最大变化达100，送入电网消能力，与附近的光伏电站互补运行，可以弥补光伏发纳对电网安全稳定运行较为不利 电并网存在的波动性、间歇性等问题位于青海省的水力资源年际间存在来水量上的丰枯差别，年 龙羊峡水电站具有多年调节性能，利用该电站的调 内水量也有丰水期和枯水期的周期性变化，但Et水 节能力，对光伏电站的发电出力进行补偿，可促进稳量变化不大尽管水力资源受天然来水的影响比较 定性较差的光电被电网消纳 大，但当水电站有定的库容调节条件时，可根据库文中首次提出了电站的水光互补运行机制，研 容的大小来进行日、月及年水量的调节，经调节后的 究了龙羊峡水电站与光伏电站的互补运行方式，这 水电站可满足电网的需求，启动迅速、运行灵活，适 对促进多种能源互补运行发展具有重要意义，并起 合承担电网调峰、调频、调相及事故备用收稿日期：20150319工程项目：黄河上游水电公司龙羊峡水光互补320 MWp光伏并网发电可行性研究作者简介：张娉(1974一)，女，陕西韩城人，教授级高级工程师，主要从事可再生能源规划设计方面的研究 杨婷(1983一)，女，陕西凤翔人，工程师，主要从事可再生能源规划设计方面的研究万方数据第36卷第3期张娉，等：龙羊峡水光互补运行机制的研究 77由于光伏发电最不利的变化为日内出力的变 区内，光伏发电园区距县城约12 km，东距龙羊峡水 化而具有调节能力的水电站基本具有日以上的调 电站直线距离约30 km光伏电站装机容量为 节能力，可以通过水库在日内光伏发电出力大而系 320 MWp，多年平均发电量为498亿kWh，装机 统需求小时减小水电站的出力，进行水库蓄水，在系 年利用时间1 556 h统需求大而光伏发电出力小时水库放水发电，水电该水光互补项目是以已建的龙羊峡水电站为依 与光电共同送出，以满足电力系统的需求，并保持日 托，规划在共和县光伏发电园区内新建光伏电站，将 内水量的平衡，尽量不影响水电站的发电效益受水其以一回330 kV线路接入龙羊峡水电站的空闲备 电站来水流量的影响，丰水期水量较大时，对于库容用出线间隔，并通过龙羊峡水库调节对光伏电站进 较小、调节能力较弱的水电站，电站将满出力运行， 行补偿，2个电源组合后的电力电量利用龙羊峡水 因而对光伏电站无补偿能力水电站对光伏电站的 电站的送出通道送人电网 补偿能力受水电站来水流量、调节库容、装机容量等龙羊峡水光互补项目，结合龙羊峡水电站设计 的影响，一般水电站枯水期的补偿能力大于丰水期 时的定位及其发展变化，确定为以供电青海电网 的补偿能力 为主水光互补则是利用具有日及以上调节能力水电4龙羊峡水光互补模式的理论研究站的补偿能力，对距离其较近的光伏电站优先补偿，并借用水电站送出通道多余的送出能力，节省送出根据各种可能的补偿方式及其影响，拟定3种 投资，以最终满足电网的电力需求，促进稳定性较差水光互补方案 的光伏发电电力电量为电网消纳，尽可能追求水电方案一：对于光伏电站出力变化较大且难以满 站及光伏电站发电效益的最大化足接入系统规定技术要求的状况时进行小幅度补偿，使光伏电站的出力尽可能平滑，以便较易为电力2水光互补的原则系统消纳对于调节性能在年调节及以上的水电站与光伏方案二：龙羊峡水电站和光伏电站组合为一个 电站互补运行，水光互补的原则为：在满足防洪、发 电源，并经龙羊峡水电站对光伏电站进行补偿后，送 电、灌溉等综合利用要求的前提下，基本不影响年调人电网，并保持基荷出力2000 MW(互补前龙羊峡 节及以上的水电站承担系统的任务，遵循水量平衡 水电站的基荷出力)不变 的原则，合理利用光伏电站的发电量方案三：龙羊峡水电站和光伏电站组合为一个日调节电站与位于其附近的光伏电站互补运行 电源，并经龙羊峡水电站对光伏电站进行补偿后，送 的时间段主要以枯水期为主，丰水期日调节水电站人电网，考虑到光伏电站的最大出力可达到 基本满出力运行，承担系统的基荷为满足系统的需 320 MW，基荷出力设定为320 MW 要，低谷时有可能弃水调峰，已无能力对并网光伏电无论何种互补方案，光伏电站与龙羊峡水电站 站进行补偿但由于水电站与光伏电站共用送出线 的电量均通过龙羊峡水电站的送出通道送出从电 路(均由水电站的送出线路送出)，相比单独建设的 网负荷需求、增加系统调峰电量、电能质量、调度以 并网光伏电站，电力电量消纳的范围更广 及水电机组的安全稳定性方面综合考虑，推荐方案二，即水光互补后基荷出力仍维持为2000 MW的3龙羊峡水光互补项目的概况方案龙羊峡水光互补项目由龙羊峡水电站和光伏电 龙羊峡水电站虽具有多年调节性能，但其发电 站组成龙羊峡水电站是黄河龙羊峡一青铜峡河段 特性受来水量的不同，存在枯、平、丰水年光伏电站 (简称龙青河段)的梯级“龙头”电站龙羊峡水库设 每日发电特性也不同以推荐方案在枯水年且光伏 计正常蓄水位2 600 m，死水位2 530 tn，调节库容 电站平均出力的情况下的水光互补情况为例进行 1935亿m3，具有优良的多年调节性能 说明龙羊峡水电站装机容量l 280 MW，1989年6首先进行水电站枯水年对光伏电站平均出力情 月，4台机组全部投产发电，该电站363 kV GIS设备 况的补偿计算，并进行水光互补前后电力电量平衡 共有6个出线问隔，其中5个出线间隔已使用，1个 及日运行方式的模拟电力系统的电力电量平衡优 出线间隔备用先安排龙羊峡水电站或水光互补组合电源水光互 光伏电站位于青海省海南州共和县光伏发电园补组合电源运行模拟时承担的备用、检修以及枯水万方数据78华北水利水电大学学报(自然科学版)2015年6月期水电站的受阻容量，均与互补前龙羊峡水电站的 电力电量的平衡计算，龙羊峡电站水光互补前后的 基本相同考虑到互补电量的增加，当水电站出力较 电站出力等基本情况分别见表1及表2，水光互补 大且有机组检修时，尽量不安排其承担事故备用 前后的对比情况见表3在枯水年且光伏电站平均出力的情况下，经过表1龙羊峡水光互补前各电站的基本情况项目1月2月3月4月5月6月装机容量MW1 2801 2801 2801 2801 2801 280负荷备用容量IVIW8080808080 80事故备用容量IIW2002000200200 200检修容量blW32032032000 0儿 受阻容量IIW 00 50 91 148 192 122-F- 最大工作容量MW 6800 6750 8709 9852 9808 9878 恍 平均出力MW 5948 5914 6120 5217 4179 4464 水 基荷出力VIW 2000 2000 2000 2000 2000 2000电可调出力MW 3948 39144120321721792464 站可调工作容量NW48004750 6709785278087878 日负荷率875 876703530426452 最小负荷率342352230 203 204 202 光伏电站平均出力MW616649627 594 563 485项目7月8月9月10月11月12月装机容量MW1 2801 2801 2801 2801 2801 280负荷备用容量IVIW8080808080 80事故备用容量VIW200200200200200 200龙检修容量IIW0000320 0羊受阻容量MW017000 0峡 最大工作容量MW 1 0000 9983 1 0000 1 0000 6800 1 0000水 平均出力MW 5023 4690 5074 5474 4098 5951基荷出力IVIW 2000 2000 2000 2000 2000 2000电可调出力MW 302。3 2690 307。4 3474 209。8 395。1站可调工作容量Mw 8000 7983 8000 8000 4800 8000日负荷率 502 470 507 547 603 595 最小负荷率 200 20O 200 200 294 200 光伏电站平均出力I、IW 510 536 525 499 637 591表2龙羊峡水光互补后组合电源的基本情况项目1月2月3月4月5月6月平均出力MW553352265599597347356542基荷出力I、fIW200020002000200020002000可调出力IVIW353332263599397327354542可调工作容量MW 8000 7983 800O 8000 4800 800O Et负荷率553524560597696654 最小负荷率200200 200 200294 20。0万方数据第36卷第3期张娉，等：龙羊峡水光互补运行机制的研究 79从表1中可以看出，枯水年水光互补前龙羊峡4747 MW，可调工作容量47508000 Mw，日负 水电站各月平均出力40986120 MW，基荷出力 荷率483972，日最小负荷率200 2000 MW，可调出力20984120 MW，可调工作755与互补前相比，最大工作容量及可调工作容 容量47508000 MW，日负荷率426 量均不变，可调出力增加485649 MW，日负荷 876，最小负荷率200352 率增jJI4996，最小负荷率在1月和2月分 从表2及表3可以看出，水光互补后的组合电别增加363和403，其他月份不变电力电量源的平均出力情况为：各月平均出力4735均可被系统完全利用，可调电量增加6747 MW，基荷出力2000 MW，可调出力2735表3龙羊峡水光互补前后的结果对比对水光互补运行模式的简单理解就是，在满足 15：0017：00会出现次低谷，水光互补后的组合电 电力系统负荷需求的前提下，水电站跟踪光伏电站源承担系统的最小和最大负荷不变随着光伏电站 的出力变化，在光伏电站出力较大时，通过蓄水等方 日发电量的变化，水电站承担腰荷的电量也在变化， 式压低水电站的出力；在光伏电站出力较小时，加大 即光伏电站置换了水电站中可调的基荷电量，以增 水电站的出力通过水电站与光伏电站的互补运行， 加互补后的可调电量，光伏电站日电量越大，置换的 达到提高光伏电站的电能质量、促进光伏电站所发 可调电量越多 电力电量被系统消纳的目的当水光互补运行时，要从水光互补前后龙羊峡电站的运行结果可以看 尽量避开水轮机组的振动区为了较清楚地阐述水 出，当光伏电站发电出力较大时，龙羊峡水电站的出 光互补模式，以推荐方案枯水年7月及12月为例说 力适当减小，而负荷需求略大的其他时段水电站的 明水电站与光伏电站的互补运行方式 出力增加，日内龙羊峡水电站的出力发生改变，仍维枯水年7月，电力系统负荷在光伏发电时间段持日内龙羊峡水电站的平均出力不变，可达到日内 的需求大，水光互补前后承担系统的最小和最大负龙羊峡水电站的水量平衡荷不变随着光伏电站日发电量的变化，水电站承担5龙羊峡水光互补的影响分析腰荷的电量发生变化，即光伏电站电量置换了水电站中可调的基荷电量，增加了互补后的可调电量所在研究论证阶段，需要分析水光互补后对龙羊 以，光伏电站日电量越大，置换的可调电量越多峡水电站原有发电量、水电站承担的发电和供水等 从水光互补前后龙羊峡电站的运行方式可以看工作任务的影响，以此来分析和论证所推荐的水光出，当光伏电站发电出力较大和负荷低谷时，龙羊峡互补运行方式的合理性 水电站的出力减小，而其他时段水电站的出力增加；龙羊峡水光互补电站在满足青海电网电力电量 虽然日内龙羊峡水电站的出力发生改变，但仍可达 需求的同时，还应满足黄河水量调度以及下游梯级 到日内龙羊峡水电站的水量平衡从互补后龙羊峡 电站发电用水等要求以推荐方案进行龙羊峡电站 水电站的出力过程来看，龙羊峡水电站的水电机组水光互补运行方式的影响分析根据龙羊峡水电站 不存在穿越机组振动区的问题 1988-2010年的统计资料分析结果：随着龙羊峡水枯水年12月，电力系统负荷在光伏发电时间段库水位的变化，水电站发出1度电的耗水量为31万方数据华北水利水电大学学报(自然科学版)2015年6月 50 irl3按每度电的平均耗水量40 m3估算，遇光伏光互补协调运行控制系统中设置软开关，可以将光电站最大发电情况时，龙羊峡水电站的出库水量可 伏发电的控制权限交予上级调度，由电网直接调度 能减少97万一317万m3；遇光伏电站最小发电情况 光伏电站，而不经过水光互补协调运行控制系统来 时，龙羊峡水电站的出库水量可能增加202万一调度光伏电站 464万m；通过拉西瓦水电站的反调节来满足黄河 AGC功能是水光互补协调控制的核心，充分考 水量调度的要求，则需要拉西瓦水电站反调节的库 虑电站的运行方式，具有调有功、调频及低频启动等 容约500万m3，占拉西瓦水电站调节库容15亿m3 功能 的3左右；若光伏发电日电量预报误差控制在水光互补协调控制系统根据电站上级调度部门 20O左右，仅需100万m调节库容经拉西瓦水 要求的发电功率或下达的负荷曲线，按安全、可靠、 电站反调节后，可满足下游梯级电站对龙羊峡水库 最优、经济的原则运行，最大限度地避免弃光、弃水 出库水量的要求情况要保证光伏电站按照其实时光资源情况发电，假定实际水光互补运行中按照光伏平均发电情 以下达的发电计划实时总有功减去光伏电站的实时 况时的运行方式调度，遇光伏发电最不利情况时，需有功，剩余有功再参与AGC控制的水轮发电机组之 要龙羊峡水电站的调节库容500万m3进行蓄水或 间的分配分配时考虑实时工况、水头、机组状况、机 放水，占龙羊峡水电站调节库容1935亿trl3的比例 组气蚀区、机组振动区、机组效率曲线、机组最大有 很小，龙羊峡水库水位约波动18 em，占龙羊峡水 功功率限制、机组PQ关系等约束条件，确定最佳 电站平均水头133 113的001因此，基本不影响运行的机组台数、最佳机组的组合方式和机组间最 龙羊峡水电站的发电量 佳的有功功率分配，进行电站机组出力的闭环自动 龙羊峡水电站下游为拉西瓦水电站，2009年5调节，并可自动开、停水轮发电机组完成AGC控制， 月，其首台机组已投产发电拉西瓦水电站的正常蓄 也可以只在计算机监控系统相应的人机界面上显示 水位为2 452 m，死水位为2 440 m，平均水头约为 出操作建议作为开环运行指导，提示运行值班人员210 1TI，调节库容为15亿m3，多年平均发电量为手动发出开停机及负荷调节指令未参加AGC控制1022亿kWh，在光伏电站平均发电的情况下，水 的机组可直接接受操作员对该机组的控制 光互补运行模式需要拉西瓦水电站反调节库容AVC调节可以通过调节无功补偿设备、调整升 500万m3，相应拉西瓦水库水位消落04 m，电站平压变压器有载调压开关、调节逆变器功率因数等方 均水头减小约02 m，拉西瓦水电站的发电量仅减式进行无功一电压调节，以保证光伏电站送出的电 少01，影响较小压水平及电压质量满足电网要求，从这个角度看，龙综上所述，龙羊峡水光互补项目满足下游梯级 羊峡水电站的计算机监控系统的AVC功能仍保持 电站对龙羊峡水库出库水量的要求，且基本不影响 原有功能即可，可以不考虑对光伏电站的无功调节 龙羊峡和拉西瓦水电站的发电量7结语6龙羊峡水光互补项目的实施方案具有调节性能的水电站与其附近的光伏电站互龙羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站工程补运行，可扩大光伏电站的消纳范围龙羊峡水光互 已建成龙羊峡水光互补协调控制系统由于光伏电 补项目，在考虑光伏电站的补偿要求后，对龙羊峡水 站的电量是通过330 kV线路送入龙羊峡水电站，利库的出库流量影响不大，基本不影响龙羊峡水电站 用龙羊峡水电站的5回330 kV线路接入电网系统及其下游梯级电站的水库水量和发电量水光互补 因此，从接人系统的角度看，龙羊峡水电站和光伏电 后的组合电源的电能质量优于光伏电站，可使龙羊 站是一个电源点，即在日内，调度部门对龙羊峡水光峡水电站送电通道送出的电量每年增加84，提高 互补项目下达整体发电量指标，由水光互补协调运 了送出线路的利用率和经济性故水光互补机制在 行控制系统对龙羊峡水电站机组及光伏电站进行技术上可行 AGC及AVC的控制，实现其调度目标也就是说，文中首次提出了水光互补运行机制，为探索多 从电量的角度看，光伏电站可以看作是龙羊峡水电种能源互补利用方面的研究提供了理论基础，为光 站扩建的5 4机组o电的大规模开发及利用提供了新思路，为水电和光光伏电站和龙羊峡水电站作为一个整体接受电 电并网的互补调度提供了理论基础，对进一步推进 力系统的调度，参加电网自动发电控制；同时，在水水光互补模式在水电富集、太阳能资源丰富的地区万方数据第36卷第3期 张娉，等： 龙羊峡水光互补运行机制的研究的大规模应用具有典型示范作用，对推进国内乃至 2于大洋可再生能源发电并网协调策略的研究D济国际大规模能源互补项目的开发具有指导意义 南：山东大学，20102013年年底，全球最大的水光互补项目龙3陈赞风力发电和光伏发电并网问题研究D上海：上海交通大学，2009羊峡水光互补320 MWp并网光伏电站建成并网发4陈丽嫒，陈俊文，李知艺，等“风光水”互补发电系统的 电，320 MWp光伏电站与龙羊峡水电站成功联合运调度策略J电力建设，2013，34(12)：16行，验证了水光互补运行机制的合理性和有效性5高庆敏，王利乎，孟繁为，等现代水轮发电机调速策略的发展J华北水利水电学院学报，2011，32(5)：7173参考文献6张娉，王娟，王昭亮，等龙羊峡水光互补二期并网光伏1秦睿，董开松，汪红燕，等大规模光伏电站集中并网对 电站工程电网影响分析专题报告R西安：中国电建 电网的影响分析及对策J电气自动化，2014，36(3)：集团西北勘测设计研究院有限公司，20145759Research on Longyangxia Hydrophotovoltaic Complementary Operation MechanismZHANG Ping，YANG Ting(Powerchina Xibei Engineering Corporation，Limited，Xian 710065，China)Abstract：Photovoltaic generation has the characteristics of intermittent，volatility and randomness，largescale photovohaic grid con nected will have some impact on the security and stability of power systemBased on the complementary characteristics of water re sources and solar radiation，hydrophotovohaic complementary operation mechanism was firstly proposed in this paper，Longyangxia hydrophoto