水光互补“驯服”光伏发电间歇性

　　“就目前来看，光伏发电不太可能在电网里占独立的一块，必须要有常规能源来补充。” 国家电力投资集团黄河上游水电开发有限责任公司（下称“黄河公司”）董事长谢小平，在近日接受澎湃新闻记者采访时表示。

　　为了解决光伏发电间歇性造成的并网难题，黄河公司与相关科研院所研发了水光互补协调运行控制系统，实现了水力发电和光伏发电快速补偿。

　　黄河公司是国家电力投资集团控股的综合性能源企业。截至2018年，该公司已建成17座水电站，装机容量为1083万千瓦；拥有37座光伏电站，装机容量为388万千瓦，占全国光伏装机总量的5%。

　　水光互补是指，当太阳光照强时，用光伏发电，水电停用或者少发。当天气变化或夜晚的时候，就可以通过电网调度系统自动调节水电发电，以减少天气变化对光伏电站发电的影响，提高光伏发电电能的质量，从而获得稳定可靠的电源。

　　2013年初，黄河公司依托龙羊峡水电站，建设了850MW水光龙羊峡水光互补光伏电站。该光伏产业园区位于青海省海南藏族自治州共和县塔拉滩附近，在龙羊峡水库左岸30公里附近。

　　青海是中国日照条件最为丰富的地区之一，日照时间长，年总辐射量大于6800兆焦/平方米。同时，青海拥有10万平方公里荒漠化土地，适合建设光伏发电和风电等新能源。

　　黄河公司海南新能源发电部维护中心副主任宦兴胜介绍，黄河公司位于青海共和县的这座光伏电站可视为“虚拟水电机组”接入龙羊峡水电站，通过水轮机组的快速调节，将原本光伏间歇、波动的功率不稳定的锯齿型光伏电源，调整为均衡、稳定的平滑电源，以两个电源组合的电量，利用龙羊峡水电站的送出通道送入电网。

水光互补项目的总有功曲线

　　“我们对水轮机自身特性进行测试，对水轮机监控系统进行改造。当光伏电站的光信号送到水电站的监控系统。被监测到以后，监控系统会自动调节水轮机的调速器，调节水电站的发电出力。”谢小平说。

　　通过水光互补，龙羊峡水电站送出线路年利用小时预计可由原来运行的4621小时提高到5019小时。这样，龙羊峡水光互补光伏电站一年可发电14.94亿千瓦时，对应火力发电相当于一年节约标准煤18.36万吨。

　　此外，由于光伏板的遮挡，光伏子阵区域的风速平均降低了50%，晴天天气下土壤水分的蒸发量也降低了50%以上，有效缓解了该区域的水土流失，目前部分退化草场已经恢复。

　　为什么“水”和“光”更配？

　　互补，最重要的是在能源利用上彼此可以相互补充，平衡电网的需求；并且在电站建设、输变电设备上可以共用，提高设备使用效率。

　　间歇性是光伏发电的缺陷。间歇性意味着其发电量极不稳定，光照强的时候多，但在夜晚完全没有。这是由于照在光伏面板上的阳光本身因天气的不稳定而产生的“先天性缺陷”，无法通过光伏器件或发电系统自身去改变。

　　水电则是将河流、湖泊或海洋等水体所蕴藏的水能转变为电能的发电方式，各水电机组利用小时主要由各地的降水量和流域来水量决定。目前，中国水电的年利用小时稳定在3000~3700小时的区间。遇到河流枯水期或者长时间降雨量较少的时候，水电则相对乏力。

　　但光伏发电和水电的“先天性缺陷”却能彼此互补。阴雨时节，太阳能缺少的时候，正是水能充沛的时候；而赤日炎炎江河干枯，水能乏力的时候，正是太阳能发力之时。年日照时间和年阴雨时间是互相对应的，因此年光伏发电小时和年丰水发电小时在时段上基本也是互补的。

　　研究显示，由于水电较为稳定，为了充分利用太阳能，首先让光伏设备全额输出，电网需求不足部分由水电设备提供。而水库本身就是个天然储能器，光伏发电节省的水资源，可以由水库储存。也可根据电网需要，共同顶峰运行。在无水库的径流式水电站中，光伏设备可以作为电站扩容，在枯水期时平衡电力，在丰水期时增加出力。

　　目前除了“水光互补”，还有“风光互补”的模式，但由于风能与太阳能都属于能量密度很低的能源，且都随着天气和气候变化的方式没有显著的“互补性”。这使得风电和光电系统都存在资源不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题，必须通过蓄电池储能才能稳定供电。目前全世界比较公认的做法是，间歇式能源在常规电网的比重不能超过20%，除非电网中有大量的水电或者抽水蓄能电站。因此，黄河公司还布局了“水光风”多能互补100万千瓦集成优化示范工程，并于今年6月并网。

　　2016年7月，国家发改委、国家能源局联合发布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》，旨在提高可再生能源系统利用效率，解决新能源长期存在的弃风、弃光、弃水等顽疾。

　　谢小平认为，未来随着技术进步，光伏的投资越来越低，光伏实现平价上网的那一天并不遥远。但如果无法攻克储能技术，将会极大地制约光伏独立发电的前景甚至替代常规能源的可能性。

　　相关研究显示，由于资源的不确定性，光电的发电与用电负荷常不平衡，必须通过蓄电池储能才能稳定供电。但光电每天的发电量受天气影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，影响蓄电池组的使用寿命。因此，光电的储能问题，将成为光伏实现平价上网后的重要课题。

　　“只有当储能发展到一定程度，光伏才可能实现独立发电。”谢小平表示，“否则我个人理解，在20年内光伏替代常规能源发电的可能性几乎没有。”