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編者按：為了解決光伏發(fā)電間歇性造成的并網(wǎng)難題，黃河公司與相關(guān)科研院所研發(fā)了水光互補協(xié)調(diào)運行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補償。


“就目前來看，光伏發(fā)電不太可能在電網(wǎng)里占獨立的一塊，必須要有常規(guī)能源來補充。” 國家電力投資集團黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司（下稱“黃河公司”）董事長謝小平，在近日接受澎湃新聞記者采訪時表示。

為了解決光伏發(fā)電間歇性造成的并網(wǎng)難題，黃河公司與相關(guān)科研院所研發(fā)了水光互補協(xié)調(diào)運行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補償。

黃河公司是國家電力投資集團控股的綜合性能源企業(yè)。截至2018年，該公司已建成17座水電站，裝機容量為1083萬千瓦；擁有37座光伏電站，裝機容量為388萬千瓦，占全國光伏裝機總量的5%。


水光互補是指，當(dāng)太陽光照強時，用光伏發(fā)電，水電停用或者少發(fā)。當(dāng)天氣變化或夜晚的時候，就可以通過電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水電發(fā)電，以減少天氣變化對光伏電站發(fā)電的影響，提高光伏發(fā)電電能的質(zhì)量，從而獲得穩(wěn)定可靠的電源。

2013年初，黃河公司依托龍羊峽水電站，建設(shè)了850MW水光龍羊峽水光互補光伏電站。該光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)位于青海省海南藏族自治州共和縣塔拉灘附近，在龍羊峽水庫左岸30公里附近。

青海是中國日照條件最為豐富的地區(qū)之一，日照時間長，年總輻射量大于6800兆焦/平方米。同時，青海擁有10萬平方公里荒漠化土地，適合建設(shè)光伏發(fā)電和風(fēng)電等新能源。

黃河公司海南新能源發(fā)電部維護中心副主任宦興勝介紹，黃河公司位于青海共和縣的這座光伏電站可視為“虛擬水電機組”接入龍羊峽水電站，通過水輪機組的快速調(diào)節(jié)，將原本光伏間歇、波動的功率不穩(wěn)定的鋸齒型光伏電源，調(diào)整為均衡、穩(wěn)定的平滑電源，以兩個電源組合的電量，利用龍羊峽水電站的送出通道送入電網(wǎng)。 

“我們對水輪機自身特性進行測試，對水輪機監(jiān)控系統(tǒng)進行改造。當(dāng)光伏電站的光信號送到水電站的監(jiān)控系統(tǒng)。被監(jiān)測到以后，監(jiān)控系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)水輪機的調(diào)速器，調(diào)節(jié)水電站的發(fā)電出力。”謝小平說。

通過水光互補，龍羊峽水電站送出線路年利用小時預(yù)計可由原來運行的4621小時提高到5019小時。這樣，龍羊峽水光互補光伏電站一年可發(fā)電14.94億千瓦時，對應(yīng)火力發(fā)電相當(dāng)于一年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤18.36萬噸。

此外，由于光伏板的遮擋，光伏子陣區(qū)域的風(fēng)速平均降低了50%，晴天天氣下土壤水分的蒸發(fā)量也降低了50%以上，有效緩解了該區(qū)域的水土流失，目前部分退化草場已經(jīng)恢復(fù)。

為什么“水”和“光”更配？

互補，最重要的是在能源利用上彼此可以相互補充，平衡電網(wǎng)的需求；并且在電站建設(shè)、輸變電設(shè)備上可以共用，提高設(shè)備使用效率。

間歇性是光伏發(fā)電的缺陷。間歇性意味著其發(fā)電量極不穩(wěn)定，光照強的時候多，但在夜晚完全沒有。這是由于照在光伏面板上的陽光本身因天氣的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的“先天性缺陷”，無法通過光伏器件或發(fā)電系統(tǒng)自身去改變。

水電則是將河流、湖泊或海洋等水體所蘊藏的水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，各水電機組利用小時主要由各地的降水量和流域來水量決定。目前，中國水電的年利用小時穩(wěn)定在3000~3700小時的區(qū)間。遇到河流枯水期或者長時間降雨量較少的時候，水電則相對乏力。

但光伏發(fā)電和水電的“先天性缺陷”卻能彼此互補。陰雨時節(jié)，太陽能缺少的時候，正是水能充沛的時候；而赤日炎炎江河干枯，水能乏力的時候，正是太陽能發(fā)力之時。年日照時間和年陰雨時間是互相對應(yīng)的，因此年光伏發(fā)電小時和年豐水發(fā)電小時在時段上基本也是互補的。

研究顯示，由于水電較為穩(wěn)定，為了充分利用太陽能，首先讓光伏設(shè)備全額輸出，電網(wǎng)需求不足部分由水電設(shè)備提供。而水庫本身就是個天然儲能器，光伏發(fā)電節(jié)省的水資源，可以由水庫儲存。也可根據(jù)電網(wǎng)需要，共同頂峰運行。在無水庫的徑流式水電站中，光伏設(shè)備可以作為電站擴容，在枯水期時平衡電力，在豐水期時增加出力。

目前除了“水光互補”，還有“風(fēng)光互補”的模式，但由于風(fēng)能與太陽能都屬于能量密度很低的能源，且都隨著天氣和氣候變化的方式?jīng)]有顯著的“互補性”。這使得風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在資源不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負荷的不平衡問題，必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電。目前全世界比較公認的做法是，間歇式能源在常規(guī)電網(wǎng)的比重不能超過20%，除非電網(wǎng)中有大量的水電或者抽水蓄能電站。因此，黃河公司還布局了“水光風(fēng)”多能互補100萬千瓦集成優(yōu)化示范工程，并于今年6月并網(wǎng)。

2016年7月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》，旨在提高可再生能源系統(tǒng)利用效率，解決新能源長期存在的棄風(fēng)、棄光、棄水等頑疾。

謝小平認為，未來隨著技術(shù)進步，光伏的投資越來越低，光伏實現(xiàn)平價上網(wǎng)的那一天并不遙遠。但如果無法攻克儲能技術(shù)，將會極大地制約光伏獨立發(fā)電的前景甚至替代常規(guī)能源的可能性。

相關(guān)研究顯示，由于資源的不確定性，光電的發(fā)電與用電負荷常不平衡，必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電。但光電每天的發(fā)電量受天氣影響很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，影響蓄電池組的使用壽命。因此，光電的儲能問題，將成為光伏實現(xiàn)平價上網(wǎng)后的重要課題。

“只有當(dāng)儲能發(fā)展到一定程度，光伏才可能實現(xiàn)獨立發(fā)電。”謝小平表示，“否則我個人理解，在20年內(nèi)光伏替代常規(guī)能源發(fā)電的可能性幾乎沒有。”