水光互补运行约束条件分析

图1   沿海某地光伏发电出力示意图

图2  上海市某年某月典型工作日负荷曲线

图3  某年3月15日，龙羊峡水光互补调度曲线

2.2水光互补运行约束条件分析

（1）库容约束条件。库容大小直接决定水光互补运行的能力。根据库容大小，二者的互补运行分为三种情况：①没有调节库容的水电站，如长引水式水电站等，一般不具备和光伏互补运行的条件。但当紧邻的上游分布有日调节及其以上的大型水库时，可以实现上下游梯级水电站同步运行与光伏互补。②对于日调节水库而言，当汛期的日平均入库流量大于全部机组的发电流量时，水电站将以最大基荷上网，水光不能互补运行。但在非汛期，当日平均入库流量小于全部机组的发电流量时，则具备互补运行条件。③对于季或年调节水库而言，在非汛期，水光的互补运行能力很强。进入汛期后，因季或年调节的大型水库普遍承担防洪功能，在库水位到达汛限水位前，水光互补运行还有一定的库容条件，互补的天数受防洪库容限制。当库水位达到汛限水位后，水光不能互补运行。

（2）生态约束条件。我国水电开发实行生态优先的指导思想。其中，在水电站正常运行期，发电流量大于最小生态流量是必须遵循的生态调度原则。因此，对于式2-2来讲，在光伏运行时段内，水电站与其互补运行时的最小发电流量不应小于生态环境部批复的最小生态流量。此外，有些河流为了满足鱼类产卵要求，每年要在鱼类产卵期，水库实施一段时间的生态调度。在该段时间内，电站下泄流量保持基本稳定，水光不能互补运行。

（3）水轮机安全运行约束条件。新修编的水轮机基本技术条件（GB/T15468-2020）对水轮机稳定运行功率范围提出了较严格的要求。如对于转轮直径大于6m的混流式机型而言，在额定水头及其以下时，发电出力范围按50%到100%的最大功率控制。其余运行技术要求详见参考文件3。因此，对于式2-2来讲，在光伏运行时段内，水电站与其互补运行时的最小发电流量不应小于水轮机安全稳定对应的流量。若要突破该界限规定，则应在机组招标阶段，对最小稳定流量提出具体要求，由中标厂家开展模型试验研究后提出最终的安全稳定最小流量。

（4）社会约束条件。大型水利水电工程往往带有多种功能，如防洪、防凌、向下游供水、航运等。结合我国国情，电调服从水调、企业利益服从社会利益也是水光互补运行必须长期遵循的基本原则。因此，当出现上述社会面的基本要求时，水光互补运行应优先为社会利益让路。

3. 对水光互补运行的进一步探讨

3.1光伏发电与抽水蓄能电站的互补运行

抽水蓄能电站本身并不真正产生电量，它只是其它能源的“搬运工”和“充电宝”，而且自身也是耗电大户。按照我国抽水蓄能电站中长期发展规划，到了2030年，抽水蓄能电站装机容量将达到1.2亿KW以上。若年平均发电小时按1200h计，则到了2030年，全国抽水蓄能电站的调峰发电量和抽水耗电量分别为1440亿KWh和1920亿KWh，二者的差值（480亿KWh）相当于三峡水电站多年平均发电量的57%。

为了满足新能源，特别是光伏的大规模开发要求，同时考虑节能需求，有必要对水光一体化基地内光伏发电与抽水蓄能的合理配套进行分析。

为了提高光伏发电的上网质量，在其白天有限的运行时段内，其上网容量不宜变化过快、过大，最好根据电网的需求，保持两到三个容量台阶运行。因此，光伏发出的电量一部分用于直接上网，另一部分用于抽水蓄能。二者的数量分配尽至少符合黄金分割法，并尽可能多上网。即在光伏发出的电量中，至少应有61.8%用于直接上网，其它38.2%以下用于抽水蓄能。对于一座装机容量为120万KW的抽水蓄能电站，与之配套的光伏发电容量至少为320万KW。若考虑电网系统的互补调节能力，则在水光一体化基地内，抽蓄容量与光伏发电容量的配套比值可达1：4及以上。

光伏与抽水蓄能电站配套互补运行，除了受水轮机安全稳定约束外，“2.2”节所述的其它约束条件均不存在。在抽水工况下，抽水蓄能发电机组不能像常规水电机组那样随时启动调峰或调频，这也是抽水蓄能发电与常规水电在电网安全运行中不能互相取代的根本原因。

3.2光伏发电与流域梯级水电站群互补运行分析

流域梯级水库群形成后，水电站群的弃水量显著减少，上网的调节能力也大大提高。若梯级水电站群能和周边的光伏进行互补运行，则能创造最佳经济效益。对此，有两个问题需要引起关注。

（1）在目前多元投资的流域上，要实现流域整体水电和光伏运行互补，则需要增加部分反调节水库，并明确统一的调度规程，为此，需要出台流域内新的上网政策。

（2）对于流域水光一体化基地而言，在枯水期，水光两种能源能够实现互补运行上网。但到了汛期，如2.2节所述，流域内除了有年调节的水电站外，其它都承担基荷上网，水光互补运行严重受限。为此，在流域水光一体化基地规划时，有两个因素需要考虑。一是利用某个水电站的水库作为下库布置抽水蓄能电站，解决汛期常规水电站与光伏互补运行的受限问题。二是通过市场调节手段，汛期用光伏上网的电量替代白天一部分煤电机组的电量。在煤电机组白天时段的临时停运或低负荷运行期，由流域水光一体化基地予以适当的经济补偿。

3.3光伏发电与电网系统调度运行互补

一个以省为主的大电网，具有地域范围广、多种电源共存、负荷波动大等特点。在以新能源为主体的电网中，各地气象条件的突变增大了电网调度的难度。电网系统调度可以实现在气象变化条件下，在宏观上实现水光互补运行。由于电源供给侧多种成分共存，经济矛盾不断彰显，真正实现系统内互补，需要回归电的商品属性。以新能源汽车为例，截至2021年6月，我国纯电动桥车的保有量为624.65万辆，充电桩的数量达114.7万个。当年6月，全国电动汽车的充电量约为9.21亿KWh。若在今后适时出台电动汽车充电优惠政策，在电价上鼓励电动汽车在每天光伏发电的高峰时段充电，则可减少一定数量的抽水蓄能电站，实现系统调度与光伏发电直接互补。

3.4在水光互补运行条件下，对常规水电年平均利用小时数的探讨

我国常规水电复核后的技术可开发容量为6.87亿KW。预计到了2025年和2030年，常规水电的装机容量将分别将达到3.8亿KW和4.2亿KW。由于常规水电是未来推动能源绿色转型发展的重要抓手，因此，结合《水电工程动能设计规范》（NB/T35061-2015）和我国未来电网的电源构成特点，作者对常规水电站的年利用小时数提出以下观点：

（1）常规水电已进入最后建设期，在未来以新能源为主体的电网中，其不可替代的调峰、调频、调相等功能日益珍贵。为此，需要进一步提高常规水电在电网中的特殊定位。有日调节及以上能力的水电站可明确其储能功能。

（2）对于有日调节能力的水电站，可结合水库的调节能力增加一台负荷备用或事故备用机组，其年平均利用小时数可控制在3500h到4000h之间。没有日调节能力，但来水受上游相邻水电站控制的径流式水电站，其年平均利用小时数可与之基本相同。

（3）对于有季调节能力的水电站，可将备用机组增加到两台，其年平均利用小时数可控制在3000h左右。而对于有年调节能力的水电站，可将年平均利用小时数控制在2500h左右。季、年调节水库是电网的重要储能调节库。

在水光互补运行条件下，常规水电站的扩容是一种必然选择。扩容的方式主要有更换转轮和新增加机组两种。其中，在上下游两个已有的水库之间，增加可逆式发电机组具有不增加水库淹没、能和周边光伏配套运行、行政审批程序少等优点。但其规划必须满足三个约束条件：①两个梯级之间没有脱水河段，生态流量不影响电站正常运行。②上水库必须有季调节及以上能力，电站水头经济指标优越，周边有足量的光伏资源与之配套运行。③地形地质条件具备等。

4. 结论

（1）在水光一体化基地的电源供给侧，光伏发电和有调节能力的常规水电是一对互补性很强的可再生能源，二者的互补运行程度受库容、生态、社会等多种因素的制约。光伏发电与抽水蓄能电站互补运行基本没有制约因素，但二者互补需要消耗一定的电量。综合考虑各种因素，在水光一体化基地内，光伏发电应优先和有调节能力的常规水电互补运行，其次再和抽水蓄能电站互补运行。在光伏发电和抽水蓄能电站配套运行时，光伏发电的上网电量与抽水电量分配应至少符合黄金分割法。

（2）在构建以新能源为主体的电网环境条件下，确定常规水电年平均利用小时数的界面条件已发生了质的变化。要实现水光互补运行或多能互补，有调节能力的常规水电站需要在以往分析的基础上，增加电网系统所需的备用机组容量，降低年利用小时数，把调节能力发挥到极致水平。

参考文献：

[1] 水电水利规划设计总院编，《中国可再生能源发展报告2021》，中国水利水电出版社，2022.5

[2] 国家“十四五”可再生能源发展规划

[3] GB/T15468-2020《水轮机技术条件》，中国电力出版社 2020.6

[4] 韩冬等，2021年中国常规水电发展现状与展望，《水力发电》2022.6

收稿日期： 2022.7.10

作者简介：姚福海（1964.10-），男，陕西渭南人，正高级工程师，国家注册土木工程师，工学博士，公司总工程师，主要从事大型水电建设管理工作。E_mail:1309040406@qq.com

周业荣（1972-），男，四川广安人，正高级工程师，公司党委书记兼董事长，主要从事大型水电流域管理工作。