水光互補(bǔ)“馴服”光伏發(fā)電間歇性

　　“就目前來(lái)看，光伏發(fā)電不太可能在電網(wǎng)里占獨(dú)立的一塊，必須要有常規(guī)能源來(lái)補(bǔ)充。” 國(guó)家電力投資集團(tuán)黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司（下稱“黃河公司”）董事長(zhǎng)謝小平，在近日接受澎湃新聞?dòng)浾卟稍L時(shí)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(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補(bǔ)償。

　　黃河公司是國(guó)家電力投資集團(tuán)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(jī)容量為1083萬(wàn)千瓦；擁有37座光伏電站，裝機(jī)容量為388萬(wàn)千瓦，占全國(guó)光伏裝機(jī)總量的5%。

　　水光互補(bǔ)是指，當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)時(shí)，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(shí)候，就可以通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)水電發(fā)電，以減少天氣變化對(duì)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(bǔ)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(kù)左岸30公里附近。

　　青海是中國(guó)日照條件最為豐富的地區(qū)之一，日照時(shí)間長(zhǎng)，年總輻射量大于6800兆焦/平方米。同時(shí)，青海擁有10萬(wàn)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(hù)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(jī)組”接入龍羊峽水電站，通過(guò)水輪機(jī)組的快速調(diào)節(jié)，將原本光伏間歇、波動(dòng)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(gè)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)。

水光互補(bǔ)項(xiàng)目的總有功曲線

　　“我們對(duì)水輪機(jī)自身特性進(jìn)行測(cè)試，對(duì)水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。當(dāng)光伏電站的光信號(hào)送到水電站的監(jiān)控系統(tǒng)。被監(jiān)測(cè)到以后，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的調(diào)速器，調(diào)節(jié)水電站的發(fā)電出力。”謝小平說(shuō)。

　　通過(guò)水光互補(bǔ)，龍羊峽水電站送出線路年利用小時(shí)預(yù)計(jì)可由原來(lái)運(yùn)行的4621小時(shí)提高到5019小時(shí)。這樣，龍羊峽水光互補(bǔ)光伏電站一年可發(fā)電14.94億千瓦時(shí)，對(duì)應(yīng)火力發(fā)電相當(dāng)于一年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤18.36萬(wàn)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(chǎng)已經(jīng)恢復(fù)。

　　為什么“水”和“光”更配？

　　互補(bǔ)，最重要的是在能源利用上彼此可以相互補(bǔ)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(qiáng)的時(shí)候多，但在夜晚完全沒(méi)有。這是由于照在光伏面板上的陽(yáng)光本身因天氣的不穩(wěn)定而產(chǎn)生的“先天性缺陷”，無(wú)法通過(guò)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(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，各水電機(jī)組利用小時(shí)主要由各地的降水量和流域來(lái)水量決定。目前，中國(guó)水電的年利用小時(shí)穩(wěn)定在3000~3700小時(shí)的區(qū)間。遇到河流枯水期或者長(zhǎng)時(shí)間降雨量較少的時(shí)候，水電則相對(duì)乏力。

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

　　研究顯示，由于水電較為穩(wěn)定，為了充分利用太陽(yáng)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(kù)本身就是個(gè)天然儲(chǔ)能器，光伏發(fā)電節(jié)省的水資源，可以由水庫(kù)儲(chǔ)存。也可根據(jù)電網(wǎng)需要，共同頂峰運(yùn)行。在無(wú)水庫(kù)的徑流式水電站中，光伏設(shè)備可以作為電站擴(kuò)容，在枯水期時(shí)平衡電力，在豐水期時(shí)增加出力。

　　目前除了“水光互補(bǔ)”，還有“風(fēng)光互補(bǔ)”的模式，但由于風(fēng)能與太陽(yáng)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(bǔ)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(fù)荷的不平衡問(wèn)題，必須通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能才能穩(wěn)定供電。目前全世界比較公認(rèn)的做法是，間歇式能源在常規(guī)電網(wǎng)的比重不能超過(guò)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(bǔ)100萬(wàn)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(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》，旨在提高可再生能源系統(tǒng)利用效率，解決新能源長(zhǎng)期存在的棄風(fēng)、棄光、棄水等頑疾。

　　謝小平認(rèn)為，未來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步，光伏的投資越來(lái)越低，光伏實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的那一天并不遙遠(yuǎn)。但如果無(wú)法攻克儲(chǔ)能技術(shù)，將會(huì)極大地制約光伏獨(dú)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(fù)荷常不平衡，必須通過(guò)蓄電池儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長(zhǎng)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(chǔ)能問(wèn)題，將成為光伏實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)后的重要課題。

　　“只有當(dāng)儲(chǔ)能發(fā)展到一定程度，光伏才可能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)電。”謝小平表示，“否則我個(gè)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(méi)有。”