光伏發(fā)電出力由于受氣象環(huán)境因素影響而具有隨機(jī)波動性特征，大規(guī)模接入會增加電網(wǎng)的功率波動，從而對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅，這是影響光伏發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的重要因素。水光互補(bǔ)是促進(jìn)光伏并網(wǎng)消納的一種重要的運(yùn)行方式，其關(guān)鍵在于如何利用水電站有效的調(diào)節(jié)能力平滑光伏發(fā)電出力的隨機(jī)性特征，使其能夠安全并網(wǎng)。

國內(nèi)外學(xué)者已針對水光等多能互補(bǔ)問題開展了許多研究，主要集中在運(yùn)行特性、互補(bǔ)機(jī)理、調(diào)度模型、容量配置、調(diào)度策略以及光伏對水電運(yùn)行情況的影響等方面。

在研究對象方面，鑒于光伏的劇烈頻繁波動，一般以調(diào)節(jié)能力較好的水電（季及以上蓄水調(diào)節(jié)能力）為互補(bǔ)電源，幾乎沒有研究日調(diào)節(jié)電站的。例如龍羊峽水光互補(bǔ)項(xiàng)目中，光伏的互補(bǔ)電源龍羊峽水庫具有多年調(diào)節(jié)能力。有的學(xué)者研究的風(fēng)光互補(bǔ)電源為雅礱江流域下游“二庫五級”梯級水電，其中錦屏一級具有年調(diào)節(jié)能力，二灘水庫具有季調(diào)節(jié)能力。

然而季調(diào)節(jié)及以上調(diào)節(jié)能力的水電較少，難以滿足“取之不盡用之不竭無處不在”的光伏發(fā)電的互補(bǔ)需求，這是作為分散式開發(fā)的龐大數(shù)量梯級小水電站群的發(fā)展契機(jī)，而梯級小水電的調(diào)節(jié)能力較弱，如何使其能夠調(diào)節(jié)更多的光伏發(fā)電值得深入探討。

水光互補(bǔ)調(diào)度模型的目標(biāo)已經(jīng)逐步從單目標(biāo)向多目標(biāo)發(fā)展。目標(biāo)函數(shù)的類型主要有最大化發(fā)電產(chǎn)出、最小化出力波動、最節(jié)能以及效益最優(yōu)四類。其中發(fā)電產(chǎn)出類包括互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量最大化、光伏發(fā)電最大化等；最節(jié)能型主要有水電蓄能最大化或棄能電量最小化；效益最優(yōu)主要包括發(fā)電收益最大化和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化。

最小化出力波動是最常用的目標(biāo)，多目標(biāo)的水光互補(bǔ)調(diào)度模型常將最小化出力波動與其他類型的目標(biāo)組合，只是波動性指標(biāo)及其具體的目標(biāo)函數(shù)形式不同，目前比較常用的指標(biāo)及其表達(dá)式見表1。這些度量波動的指標(biāo)都是將整個(gè)計(jì)算周期作為整體來研究的。

表1 常用的波動性指標(biāo)

1、光伏發(fā)電出力特征

光伏發(fā)電出力常表現(xiàn)出顯著的波動性，這種波動性是固有波動、隨機(jī)波動和間歇波動的疊加。光伏發(fā)電曲線在時(shí)間上可分為可發(fā)電時(shí)段和不可發(fā)電時(shí)段。固有波動指光伏發(fā)電出力在一日之內(nèi)可發(fā)電時(shí)段表現(xiàn)出的拋物線型的波動，即出力從0逐漸增加到峰值，再由峰值逐步降低為0，這是由太陽輻照度在一日之內(nèi)的變化規(guī)律決定的。

隨機(jī)波動是指太陽輻射受到云層的隨機(jī)性的短時(shí)間遮擋而造成光伏發(fā)電出力驟然增大或降低，在出力曲線上表現(xiàn)出的隨機(jī)的鋸齒形波動。地球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了晝夜交替現(xiàn)象，光伏發(fā)電由于受太陽輻照度的直接影響形成了夜間發(fā)電出力為0、白天發(fā)電的周期性現(xiàn)象，即存在晝夜之間間歇發(fā)電波動特性。

晴天、多云、陰雨天等不同的天氣情況下光伏發(fā)電出力曲線具有顯著的差異性，如圖1所示。但從出力曲線整體來看，無論是哪種天氣類型，均表現(xiàn)出極差大、變化率大、間歇性強(qiáng)的特性，且出力較大時(shí)段一般出現(xiàn)在正午時(shí)分。

為了更好地表征光伏發(fā)電的出力特征，有學(xué)者將光伏功率輸出范圍劃分成不同的出力狀態(tài)，進(jìn)而分析各狀態(tài)下輸出功率的持續(xù)時(shí)間分布、波動等特性，這是一種考慮光伏出力局部特性的方法，為水光互補(bǔ)調(diào)度提供了一種新思路。

圖1 不同天氣情況下光伏發(fā)電的典型出力曲線

2、水電的可調(diào)節(jié)能力

水庫本身具有一定的調(diào)節(jié)能力，常采用庫容系數(shù)β來衡量水庫的調(diào)節(jié)能力。庫容系數(shù)是水庫調(diào)節(jié)庫容與多年平均來水量的比值，與水庫調(diào)節(jié)能力通常呈正相關(guān)，即調(diào)節(jié)能力隨著庫容系數(shù)的增大而增大，二者的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 庫容系數(shù)與調(diào)節(jié)能力的對應(yīng)關(guān)系

在水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，水電的主要作用是作為互補(bǔ)電源，協(xié)調(diào)水光總出力，降低光伏出力波動對電網(wǎng)安全的影響，此時(shí)水電的可調(diào)節(jié)能力可由水電能夠接納的光伏發(fā)電相鄰時(shí)段出力差的最大值來反映。

一般來說，水庫本身的調(diào)節(jié)能力越好，則其可調(diào)節(jié)的光伏出力波動越大；而在光伏出力一定的情況下，水電的調(diào)節(jié)能力越好則意味著水電能夠更好地補(bǔ)償光伏的出力差，使得水光總出力更平穩(wěn)，同時(shí)也能盡量減少水光互補(bǔ)系統(tǒng)的棄電（棄水和棄光）量。

3、水光互補(bǔ)機(jī)理解析

“互補(bǔ)”指不同系統(tǒng)之間互相補(bǔ)充，以提高系統(tǒng)的功效。而系統(tǒng)功效的提升取決于兩個(gè)方面：強(qiáng)化優(yōu)勢和彌補(bǔ)短板。因此水光互補(bǔ)機(jī)理可以從增優(yōu)互補(bǔ)效應(yīng)和補(bǔ)短互補(bǔ)效應(yīng)兩個(gè)方面來解析。為此本文首先對水電和光伏發(fā)電的優(yōu)劣勢進(jìn)行分析，對比結(jié)果見表3。

表3 水光的優(yōu)劣對比

水光補(bǔ)短互補(bǔ)，就是要彌補(bǔ)出力波動性的缺陷，主要指水電對光伏發(fā)電的出力補(bǔ)償，這是水光互補(bǔ)的主要目標(biāo)。

光伏發(fā)電的波動包含隨機(jī)波動、固有波動和間歇波動三個(gè)層次，因此水電對光伏的補(bǔ)償也涵蓋了三個(gè)方面：一次補(bǔ)償消除鋸齒狀的隨機(jī)波動，盡可能填補(bǔ)可發(fā)電時(shí)段的光伏發(fā)電出力缺口，使出力曲線盡可能與無云的晴天的典型曲線逼近；二次補(bǔ)償在一次補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)節(jié)光伏可發(fā)電時(shí)段的固有波動，以形成可發(fā)電時(shí)段的穩(wěn)定功率輸出；三次補(bǔ)償在前兩個(gè)層次的基礎(chǔ)上填充夜間的間歇波動，即曲線上出力為0的部分，從而使光伏發(fā)電在一日之內(nèi)的發(fā)電出力平穩(wěn)。

水電補(bǔ)償光伏發(fā)電的示意圖如圖2所示。另一方面，光伏發(fā)電對水電也有補(bǔ)短板的功效，主要體現(xiàn)在光伏對水電枯水季節(jié)的電量補(bǔ)充，以改善水電豐枯季節(jié)懸殊的特性。水光增優(yōu)互補(bǔ)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)峰能力的增強(qiáng)。水電由于其靈活性，常參與負(fù)荷調(diào)峰。

光伏發(fā)電接入后，在輻照度充裕的時(shí)段（暫且稱為富光時(shí)段），較大的光伏發(fā)電出力是水電參與調(diào)峰的有力補(bǔ)充，同時(shí)水電可將多余的水存于庫中，以增加水電在非富光時(shí)段的調(diào)峰能力。

圖2 水電補(bǔ)償光伏發(fā)電的示意圖

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“計(jì)及發(fā)電量和出力波動的水光互補(bǔ)短期調(diào)度”，作者為朱燕梅、陳仕軍 等。