内容:
大规模消纳风电的常规水电运行方式探究
摘要：由于风电是一种新型的无污染的电力资源，其在我国的发展十分迅猛，为我国经济发展和可持续性发展打下了坚实的基础。而电网的大规模接入让我国电力企业开始着力于制定符合电网要求和风电运行特点的大规模消纳风电的常规水电运行方式。本文从水电运行方式的依据入手，结合具体案例对其要遵循的原则和原理进行分析探究。
关键词：大规模消纳风电；水电运行方式；风电消纳；新型能源
风力发电随着社会经济的增长和人们生活水平的提高已经渐渐成为我国电力企业发电的重要方式之一，由于并网容量的快速增长和装机比重的明显增加且发电量不稳定，电网调度面临着严峻的挑战。在当下，最可行有效的方式就是快速调节风电运行方式，与常规水电运行进行配合，但是如何减少风电运行接入对电网的不利以及通过风电和水电的配合获取最大效益等是我国电力企业最重要的课题。
一、制定常规水电运行方式的基本依据
我国水电年度运行计划的传统依据主要是以来水的预报为根本依据，与水库要面对的综合利用要求和电网负荷需求趋势相结合，以寻求发电量最大化的角度为立足点，使用数学优化方法将水库在不同时段的最佳控制水位及电站出力找出来。另一种依据是把水库当前时段起始的水位在调度图中的位置确定水电站的出力作为决策，把当前时段的预报来水作为输入，将水库和电站的运行约束考虑在内，结合水量平衡和出力计算方法对下时段初始水位进行确定，依照这个制定全年的运行计划。
传统的水电年度运行方式的制定受环境因素和其它边界因素的影响很大，所以并不适用于风电的发展需求，由于水电自身在调度中存在夏季调峰容量不足、冬季调峰容量不足的问题，所以在大规模风电接入时电网时，应该对水电在不同时期的调峰进行推导，构建集综合考虑水电站发电量和对风电消纳贡献量于一体的调度模型，通过不同频率的来水确定性来计算，对大规模风电接入电网的水电运行方式制定方法的合理性进行验证。
二、制定常规水电运行方式的原则
大规模的风电接入电网不可能从根本上改变水电运行上传统的任务和特点，所以，水电年度运行方式的制定一定要遵循一定的原则。
首先，遵循清洁能源发电量最大的原则。水电是不以消纳风电能力最大化牺牲水电自身效益的清洁电源，要寻找水电的运行方式就应该综合考虑水电站发电量和风电消纳能力；
第二，遵循优先利用水库的原则。水库能够防洪、灌溉、供水等，这些优势应该被优先利用；
第三，遵循不超出电网负荷需求的原则。电能必须平衡供需，不能制定超出电网负荷需求的运行方式；
第四，遵循将风电发展规划需求考虑在内的原则。随着风电的影响和应用越来越广泛，风电装机的进度也必须跟上脚步。
三、制定常规水电运行方式的原理
搭建模型应该以水电调峰的根本问题出发，也就是说应该综合考虑搭建水电发电量和风电消纳能力来对模型进行优化的，而在大规模风电接入电网的情况下，水电运行好坏的评判标准可以用公式表示为
+
,其中，E表示电量所要达到的需求量，
表示水电站的发电量，
表示风电消纳贡献量。水电年度运行方式依据水库不同时期的来水特点可以划分为汛期和非汛期。
- 汛期
在汛期，来水较多，很容易受水库限水位的影响而产生废水，在制定的水库年度运行方式中要体现水电对调峰进行强制参与的要求，将参与电网调峰的实况进行描述，也可以用公式来表达：
=
，其中，
表示的是电站时段平均出力情况，日负荷率的情况能够反映汛期水电对调峰期间所带来的帮助，要想实现汛期调峰水电的加大，应该根据两种情况进行。
首先，水库提前泄出部分水量，为今后的调节腾出库容，降低部分水头损失带来的用电量减少的可能。其次，弃水调峰，水量因此减少，水电站的发电量也会减少。
所以汛期要在约束日负荷量的基础上，努力平衡水电调峰时风电消纳贡献量和水电站发电量。
汛期(HT)运行方式的公式最终可得出：max
。
(二)非汛期
在非汛期，水电能够给电网消纳风电提供尽可能多的条件，而水电的负荷量与电网其它电源承担的负荷量成反比，负荷越多，电网消纳清洁能源越有优势，但是，因为非汛期用水量和水电站装机的容量都有限度且水电在电网高峰时段不能无限承担电量，所以，水电调峰消纳和水电的发电量、装机容量、发电水头、水库综合利用以及电网的运行要求相关，可以用公式来表达：
=
，
=
-
，
=（
，其中，
表示水电t时段的发电量，K是水电站综合出力系数，
是t时段的发电量，
是t时段发电的平均水头，
是t时段小时数，
是t时段扣水电实发电量除开保证后的电量，
是t时段水电最小保证出力，
是t时段水电的可调电量，
是t时段水电预期出力，其大小同电站平均发电水头
机组可用容量和联络线上限有关。
非汛期（LT）水电的年度运行目标可以用公式表达为：Max
。
四、实际应用案例
以某电网为例进行分析。
- 应用对象概况
截止到2009年年底，该电网的风电装机容量达到了7.62GW，超越了水电装机容量，在东北成为第二大电源。该电网风电出力具有春季最大、秋冬季较大而夏季最小的特点，其特有的反调峰性和相关性给调频调峰带来很大困难，同时也严重影响了电网的安全稳定性，所以水电在任何季节都要满足适应风电影响的运行要求。
电网具有调峰能力强调节性能高，水库库容大等特性，本例选择调节能力较差的桓仁水电站进一步分析。桓仁水库处于浑江中游，蓄水位为300米，死水位是290米，300米的汛限水位，属于不完全年调节的水库，电站总装机容量为2.225GW，出力能够保证是33MW，设计水头为53.2米，年平均发电量是4.77亿kW.h。
- 计算结果
将电网日负荷量定为1以便计算，不考虑电站的联络线出力约束，设常规调度图用水量与可用水量约束相同，而入库来水取值则分别为特丰年5%，丰水年20%，平水年50%，枯水年75%，水库调度起始位为297.98米，其计算运行结果如下表所示。
表 1 不同频率来水的各优化方法运行效益对比表
（三）分析
第一，多数年份在考虑风电消纳的过程中，其水库年度运行方式有别于传统的运行方式，既要充分发挥水电的调峰能力又要根据风电消纳的情况制定年度运行方式，这对大规模风电接入电网的调峰能力起着十分积极的作用；
第二，在枯水年份中，水电发电量因为可用水量的减少而减少，在这种情况下，如果不对水电调峰提高风电消纳的能力进行充分地挖掘发挥，那么清洁能源消纳就没有提高的可能性；
五、总结
利用水电来适应风电运行，提高水电不同季节的调峰能力，必然要改变水电传统的年度运行方式，以满足风电发电不确定性需求，而这种运行方式的改变将打破水电原有单纯的水电发电量最大化目标。要实现电网大规模风电消纳需要通过各种手段进行辅助，譬如，网架的合理布设、调峰深度的技术改进、储能电站等，这一切都需要电力企业的不断研究努力，为国家建设创造更好的明天。
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