风光水多能互补系统研究展望.pdf

31风光水多能互补系统研究展望晏明刘德民令红兵张艳东丁小莉东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000摘要：风光水多能互补系统利用水电机组调整速率快、水库容量灵活性可调等特点，以水电/抽水蓄能作为调节电源，因地制宜，匹配风电、光伏发电，在电源侧通过多能互补解决新能源发电波动性和不稳定性的问题。基于水电/抽蓄的快速灵活性调节，可提高风电、光伏输出电能质量，降低对电网的冲击，增加新能源并网消纳，提升水电站送出线利用率和经济效益，建立了零碳清洁能源互补系统。本文综述了风光水多能互补系统研究现状、存在的问题，并提出了未来发展趋势。关键词：风光水多能互补；研究现状；存在的问题；发展趋势中图分类号：TM61文献标识码：A文章编号：1001-9006（2023）02-0031-05Research Prospects of Wind Power-photovoltaic-hydro Multi-energy HybridPower SystemYAN Ming,LIU Demin,LING Hongbing,ZHANG Yandong,DING Xiaoli(Dongfang Electric Machinery Company Limited.,618000,Deyang,Sichuan,China)Abstract:The wind power-photovoltaic-hydro multi-energy hybrid power system using the characteristics of hydropowerunits fast adjustment rate and reservoirs adjustable capacity,takes hydropower/pumped storage power as the regulatingpower supply,adapts measures to local conditions,matches wind power and photovoltaic power generation,to solve theproblems of fluctuation and instability of new energy power generation through multi energy complementarity on thepower side.Based on the rapid and flexible regulation of hydropower/pumped storage power,it can improve the outputpower quality of wind power and photovoltaic,reduce the impact on the power grid,increase the electric powertransmission of new energy,improve the utilization rate and economic benefits of power transmission grid for hydropowerstations,and establish a zero carbon releasing energy complementary system.This paper summarizes the researchstatus and existing problems of wind power-photovoltaic-hydro multi-energy hybrid power system,and puts forward thefuture development trend.Key words:wind power-photovoltaic-hydro multi-energy hybrid power system;research status;existing problems;futuredevelopment trend1收稿日期：2023-03-20作者简介：晏明（1986），男，2011 年毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业，工学硕士，高级工程师。现主要从事新技术研究工作。根据国家能源局的统计数据，截止到 2021 年底，我国发电总装机容量 23.77 亿千瓦，同比上年增长 7.9%，发电量 8.3 万亿 kWh，同比增长 10.3%。其中，风电、光伏装机容量分别达到 3.28 亿千瓦（占比 13.8%）、3.07 亿千瓦（占比 12.9%），同比增长 16.6%、20.9%，但其发电量占比仅占 7.8%、3.9%，表明存在大量的弃风弃光，导致这一问题的主要原因就是风光发电存在较大的随机性和不稳定性，对电网冲击较大，限制了风电、光伏发电上网（图 1）。根据国家电网公司 2019 年预测，2035年前，新能源装机将超过煤电成为全国第一大电源，风、光装机规模分别达到 7 亿、6.5 亿千瓦，总计13.5 亿千瓦，占总装机比例提高到 37%，2050 年，总装机 25.5 亿千瓦，占比达到 52%。可以看出，32如不采取相关措施，未来风电、光伏等新能源对电网的冲击将会逐步加大。为解决这一问题，结合“双碳目标”，利用清洁水电在电源侧对风光进行互补调节，是未来增加风光新能源出力的理想模式。(a)电力装机结构(b)电力发电量结构图 1 截止 2021 年底电力装机和发电量结构水电/抽水蓄能进行风光调节在 2021 年国家发改委、能源局发布的关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见中正式提出，明确了以“碳达峰 碳中和”为目标，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。2022 年 3 月，国家能源局进一步发布国家能源局综合司关于开展全国主要流域可再生能源一体化规划研究工作有关事项的通知，其主旨围绕水风光可再生能源一体化发展，实现可再生能源综合集约高效一体化开发。我国水资源、风光资源丰富，具备风光水互补工程开发的资源基础，以雅砻江为例，其干流年流量 600 亿方，落差 3 830 米，可装机 3 000 万千瓦，沿线区域风电资源可开发量达 1 300 万千瓦，光照资源可开发量可达 1 800 万千瓦1，以流域水电为基础，统筹风光资源，互补风电、光伏出力，具备风光水一体化综合利用的条件和基础。目前，国内建设及在建的风光水互补项目包括龙羊峡光水互补示范工程（水电 1 280 MW、光伏850 MW）、贵州玉龙镇象鼻岭“水光互补工程”（水电 240 MW、光伏 48 MW）、青海玉树水光互补微网发电示范工程（光伏 2 MW、水电 12.8 MW、储能 15.2 MWh）2，苏洼龙项目（水电 1 200 MW）等。象鼻岭采用光水互补模式后，送出线年利用小时数提高了 7.7%3，互补具有良好的经济性。目前风光水互补探索的重点及方向集中在跨流域、跨区域风光互补，根据规划，未来将有更多的水电/抽蓄机组参与到风光水互补系统中。1风光水互补政策支持为提早实现 2030 碳达峰、2060 碳中和目标，“十四五”阶段是关键期，根据国家发改委、能源局发布的“十四五”现代能源体系规划，推进水电基地、重大工程建设，实施小水电绿色改造，推动西南地区水电与风光发电协同互补，“十四五”末，常规水电容量达到 3.8 亿千瓦。四川、云南、贵州、西藏、青海等各省均在探索利用省内水电资源规划风光水互补，打造风光水一体化工程。国务院在黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要中指出，发挥黄河上游水电站和电网系统的调节能力，支持青海、甘肃、四川等风能、太阳能丰富地区构建风光水多能互补系统（表 1）。表 1各省风光水互补政策规划省份省份规划名称规划名称“十四五十四五”容量规模容量规模风光水互补规划风光水互补规划四川四川省“十四五”能源发展规划水电核准在建 0.12 亿千瓦，新增投产 0.24 亿千瓦重点推进雅砻江、金沙江、大渡河“三江”水电基地建设，规划建设雅砻江、金沙江上游、金沙江下游、大渡河中上游风光水互补利用基地。云南云南省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标纲要电力装机达到 1.3 亿千瓦左右，绿色电源装机比重达到86%以上以金沙江下游、澜沧江中下游大型水电站基地以及送出线路为依托，建设“风光水储一体化”国家示范基地。贵州贵州省新能源和可再生能源发展“十四五”规划水电装机 2 281 万千瓦（无新增），风电装机 1 080 万千瓦（新增 500 万千瓦），光伏发电装机3 100万千瓦（新增2 043万千瓦）建设乌江、北盘江、南盘江、清水江流域四个水风光一体化可再生能源综合基地以及风光水火储多能互补一体化项目，提高水电或火电送出通道利用率。33西藏西藏自治区国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标纲要水电建成和在建装机容量突破 1500 万千瓦，光伏装机突破 1 000万千瓦推动雅 鲁藏布江、金沙江、澜沧江等流域水风光综合开发，快速推动藏 电外送规模化发展，建设国家重要的清洁能源接续基地。青海青海省“十四五”能源发展规划水电装机达 1 643 万千瓦（新增450 万千瓦），光伏 4 580 万千瓦（新增3 000万千瓦）、风电1 650万千瓦（新增 807 万千瓦）打造共和、贵南、同德、兴海等水风光储一体化工程。推动常规水电、可逆机组、储能工厂协同开发，力争“十四五”开工建设 100 万千瓦的水电梯级储能工厂。抽水蓄能在大规模风光并网方面，具备优异的调节能力，具体表现在调峰调谷、调频调相、事故备用、蓄能、黑启动等方面。根据抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035 年），截至 2021 年 8 月，包括东方电机供货的仙游（单机 300 MW）、仙居（单机 375 MW）、绩溪（单机 300 MW）、长龙山（350 MW）等电站在内，我国抽蓄电站已投产总规模 3 249 万千瓦，在建规模为 5 513 万千瓦，均为世界第一。预计到 2025 年，抽蓄投产总规模达到至少 6 200 万千瓦，2030 年，其投产规模再翻番。西部地区常规水电和抽蓄的大力规划建设，为后续风光水互补提高调节能力奠定了坚实的基础。2.风光水互补研究现状2.1 风光水互补工程现状在风光水储互补领域，各大电力巨头如三峡集团、中国能建规划设计集团、国家电投等，均在推进相关示范项目的建设，如表 2 所示。华能水电依托自身大中型水电站等区域的风光资源，因地制宜开展风电、光伏建设，致力于风光水储一体化发展。表 2拟建/在建风光水互补工程序号序号项目名称项目名称容量规模容量规模备注备注1云南昆明“风光水储一体化”试验基地300 万千瓦规划建设2贺州市 2GW“风光水火储项目”风电 300MW、抽蓄 1.2 GW、光伏 500MW桂东电力与贺州市签订框架协议，总投资 110 亿3湖南省衡阳县风光水储多能互补项目3 个风电项目、3 个光伏项目、抽蓄项目，总装机容量 1 100 MW中国能建与衡阳县签订投资开发协议，总投资 55 亿4包头风光水储氢一体化能源示范项目/三峡集团与包头市签署战略合作协议5澜沧江清洁能源基地10 GW 光伏+10 GW 水电华能，规划中6春厂坝“分布式光伏与梯级小水电互补联合发电技术研究及应用示范”工程54 MW 水电、5 MW 抽蓄中国电建，实施中7荆门市百万千万级水风光一体化重大基地项目总装机 300 万千瓦以上，光伏 240 万千瓦以上，风电 20 万千瓦以上，抽蓄 20万千瓦以上签订开发协议，投资测算 150 亿目前，风光水互补项目基本处于在建或论证规划阶段，工程大多为示范研究，未来随着越来越多的风光水储一体化项目的实施，风光等新能源发电并网将得到质的提升。2.2 研究方向电网、发电集团、设备厂家、高校科研院所均在围绕风光水互补工况下的系统进行研究，其研究方向包括基于不同优化目标的风水光容量匹配4、适应风光水互补运行的水电机组研究、不同时间尺度下的风光水处理耦合控制、风光水互补运行联合控制和优化调度、联合运行收益分配。2.2.1 容量匹配研究张海龙等人5基于西藏阿里地区孤网条件下的未来用电需求，结合光伏资源可装机容量，采用光水互补方式，以建设总费用最优为目标，分析了水电装机容量。水电与光伏、风电容量配比的合理性，34在项目规划过程中意义重大，直接影响后续风光水互补系统的经济性。此外，在梯级电站的容量配置过程中，还应考虑水量平衡、对下游各级电站的影响。2.2.2 水力发电设备研究风光水互补系统目前仍处于研究阶段，为保障后续整体系统满足防汛、发电、高频互补等功能，相比常规水电设备，风光水一体化运行工况下导致的水电机组频繁负荷波动，对设备设计研发的要求更高更严苛。在常规水电机组升级方面，技术适应性提升具体表现在，要求机组能全负荷工况运行，大部分负荷范围能长期安全稳定运行，其余负荷能安全运行；能快速响应负荷的频繁波动；相比常规水电机组，具备更加优异的水力特性，如压力脉动等；基于设定的启停频次、负荷变动频次、甩负荷频次、飞逸频次等要求，旋转部件的设计要具备优异的机械特性和抗疲劳能力；发电机要求具备承受较大电压、频率波动的能力，足够的调相容量和进相深度。在抽蓄机组方面，技术正在朝向更高水头、容量及变速抽蓄等方向发展。我国抽水蓄能工程始于上世纪 60 年代的河北岗南电站，通过广抽、十三陵、天荒坪抽蓄电站的建设，逐步建立了我国抽蓄基础，东方电机在上述项目设备供货中均有参与，当前抽蓄市场占有率全国第一。目前，国内抽蓄设备在 600 米水头段及以下大容量、高转速领域，以东方电机为代表的产品，已达国际先进水平，未来将朝向变速抽蓄、分布式抽蓄、海水抽蓄等技术方向拓展。2.2.3 联合调度研究在风光水联合调度方面，其研究主要集中在风光电站集群调度、风光发电不确定性研究、风光水长期协调控制、水风光短期协调等领域6。明波等人7对水光互补中长期不同优化调度方法进行研究表明，采用参数-模拟-优化方法能有效提高发电量、发电保证率和降低缺水指数。贾一飞等人8通过建立合理的光伏出力预测模型和水光调度模型，能大大降低弃光和水库弃水。对风电、光伏出力预测是联合调度研究中的重要一环，对风光出力预测存在较大的困难，如图 2 所示，尤其是阴雨天气，预测难度较大。康本贤9通过多种建模，以龙羊峡光水互补实际情况进行验证发现，不同时间尺度、不同天气条件下采用不同的预测模型，能提高出力预测的准确性。(a)阴雨天气(b)晴天图2 某光伏电站光伏预测与实时监测曲线对比2.2.4 收益分配策略研究陈述等人10通过等分策略、按容分配策略和Shapley 值分配策略进行研究，研究结论表明光伏电站最倾向参与多能互补，风电次之，水电再次之。对风光水互补系统中，各发电主体的收益分配研究及政策配套，目前还处于研究策划阶段。2.3 风光水互补当前困境资源匹配及输送困难。从表 1 可以看出，各省风光电力资源与水电资源比例差异较大，这就导致了风光利用水电的调节需要在更大的范围内进行。同时，部分地区主网架能力无法满足风光资源大规模消纳、电力供需结构性矛盾、外送电送-受-输协同等仍存在较大问题11。需兼顾防汛、灌溉、发电经济性等要素。风光水互补运行能有效提高发电效益，但同时可能会导致枯水期系统失负荷天数增加，而丰水期又增大了下游的防汛压力12。技术上，新能源发电预测、风光水互补协调调度、系统安全控制等技术方面未得到有效验证，应用存在风险。市场机制待完善。大型抽水蓄能/水电通过电网或者直接参与风电、光伏电力输出调节，电力市场缺乏在该工况下对抽蓄/水电机组调节作用的鼓励机制以及分布式风光水互补系统联合打包供电鼓励机制缺乏。3风光水互补形式风光水互补目前存在的形式主要有两种，一种是以龙羊峡为代表的水（风）光互补 AGC 调节，分配水、风/光出力，打包上网，跟随负荷曲线；另一种则是以流域或更大范围内的风光水调节，通过电网进行调度，将出力直接分配至电源端。结合水利灌溉、调水工程13的风光水互补系统，“优先就35地消纳、兼顾发电效率”小型区域性风光-抽蓄系统、风光-泵-发系统，未来也可作为区域性水风光农联合运用探究方向。风-光-泵-发系统，可通过泵系统消纳风光的不稳定出力的同时，由水电机组平稳发电以满足负荷需求，同时，高水位的上水库还能结合附近农、牧、渔需求提供水利灌溉便利，具有较好的应用价值（图 3）。图 3风-光-泵-发系统4结语双碳背景下，风电、光伏未来装机容量将逐步增大，大量直接上网对电网带来巨大冲击，最终导致弃风、弃光问题加剧，而负荷端我国能源电力消耗将逐年增大，在水资源丰富的地区和流域，利用水电/抽蓄进行风光水互补联合运行，能有效缓解这一系列矛盾。本文总结了目前国内风光水多能互补发展现状，得出以下结论：（1）风光水互补系统能提升电站现有输出线效益，增长年发电时间，提高风光消纳，经济效益得到较好改善。但同时，采用这种方式，可能会带来丰水期防汛、枯水期失负荷的风险，因此，系统设计时应统筹考虑。（2）除国家政策支撑外，水资源丰富地区省份均出台政策支持风光水互补项目实施，同时，发电集团、电网、设计院、建设集团等电力相关巨头均在该领域发力，已规划项目众多，为后续风光水互补系统有效应用奠定了基础。（3）风光水互补系统目前在容量匹配、设备技术研究、发电预测、联合调度等方面仍处于研究阶段，当前还存在资源匹配及输送难、系统安全控制不成熟、市场机制不健全等困境。（4）风光水互补的形式主要有两种，基于水电站/抽蓄的风光水互补联合打包出力、区域电网内的风光水互补调度。此外，在小区域范围内，基于小水电改造，考虑农、牧、渔需求提供水利灌溉便利等因素下的风-光-泵-发系统具有一定的前景。参考文献：1 吴世勇,周永,王瑞等.雅砻江流域建设风光水互补千万千万级 清 洁 能 源 示 范 基 地 的 探 讨 J.四 川 水 力 发 电,2016,35(3):105-1082 韩晓言,丁理杰,陈刚等.梯级水光蓄互补联合发电关键技术与研究展望J.电工技术学报,2020,35(13):2711-27223 黄鹤,秦岭,喻洋洋等.水光多能互补清洁能源智能发电技术J.分布式能源,2020,5(2):21-264 Xu 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