光伏發(fā)電出力由于受氣象環(huán)境因素影響而具有隨機波動性特征，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。水光互補是促進光伏并網(wǎng)消納的一種重要的運行方式，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)電出力的隨機性特征，使其能夠安全并網(wǎng)。

國內(nèi)外學者已針對水光等多能互補問題開展了許多研究，主要集中在運行特性、互補機理、調(diào)度模型、容量配置、調(diào)度策略以及光伏對水電運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項目中，光伏的互補電源龍羊峽水庫具有多年調(diào)節(jié)能力。有的學者研究的風光互補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，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。

水光互補調(diào)度模型的目標已經(jīng)逐步從單目標向多目標發(fā)展。目標函數(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)運行成本最小化。

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

表1 常用的波動性指標

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、隨機波動和間歇波動的疊加。光伏發(fā)電曲線在時間上可分為可發(fā)電時段和不可發(fā)電時段。固有波動指光伏發(fā)電出力在一日之內(nèi)可發(fā)電時段表現(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。

隨機波動是指太陽輻射受到云層的隨機性的短時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、間歇性強的特性，且出力較大時段一般出現(xiàn)在正午時分。

為了更好地表征光伏發(fā)電的出力特征，有學者將光伏功率輸出范圍劃分成不同的出力狀態(tài)，進而分析各狀態(tài)下輸出功率的持續(xù)時間分布、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，二者的對應關(guān)系見表2。

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

在水光互補發(fā)電系統(tǒng)中，水電的主要作用是作為互補電源，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償光伏的出力差，使得水光總出力更平穩(wěn)，同時也能盡量減少水光互補系統(tǒng)的棄電（棄水和棄光）量。

3、水光互補機理解析

“互補”指不同系統(tǒng)之間互相補充，以提高系統(tǒng)的功效。而系統(tǒng)功效的提升取決于兩個方面：強化優(yōu)勢和彌補短板。因此水光互補機理可以從增優(yōu)互補效應和補短互補效應兩個方面來解析。為此本文首先對水電和光伏發(fā)電的優(yōu)劣勢進行分析，對比結(jié)果見表3。

表3 水光的優(yōu)劣對比

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

光伏發(fā)電的波動包含隨機波動、固有波動和間歇波動三個層次，因此水電對光伏的補償也涵蓋了三個方面：一次補償消除鋸齒狀的隨機波動，盡可能填補可發(fā)電時段的光伏發(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；二次補償在一次補償?shù)幕A上進一步調(diào)節(jié)光伏可發(fā)電時段的固有波動，以形成可發(fā)電時段的穩(wěn)定功率輸出；三次補償在前兩個層次的基礎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)的電量補充，以改善水電豐枯季節(jié)懸殊的特性。水光增優(yōu)互補主要體現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)峰能力的增強。水電由于其靈活性，常參與負荷調(diào)峰。

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

圖2 水電補償光伏發(fā)電的示意圖

本文編自《電工技術(shù)學報》，原文標題為“計及發(fā)電量和出力波動的水光互補短期調(diào)度”，作者為朱燕梅、陳仕軍 等。