水光互补项目光伏并网运行增益研究

水光互补项目光伏并网运行增益研究

张孝臣

37142519920305**** 济南睿能电力设计咨询有限公司， 山东 济南 250000

摘要：水电站出力可平抑光伏出力波动，将光伏电站并入水电站后，形成的互补式发电可以提高其发电效率。为了研究水光互补项目联合运行后的经济收益，文章考虑了光伏和水电出力受气候和季节影响，结合光电上网标杆电价变化情况，计算水光互补独立运行和联合运行经济收益，采用增量分析法对水光互补项目增益进行评价。对龙羊峡水电站的研究结果表明，联合运行互补式发电后，年发电量增加2.06×10⁸kW·h，年发电效益增加4.69×10⁸元，该系统能够缓解光伏并网的波动，提高企业的经济收益。

关键词：水光互补；光伏电站；联合运行；增量分析法；经济收益

1 水光互补项目收益

水光互补项目是在已建水电站的基础上，与光伏电站联合运行，通过水电站对光伏电站进行补偿，达到系统的稳定运行。水光互补项目联合运行相对于水、光电站独立运行产生的增量收益，即为水光互补项目增益。

1.1 水光互补独立运行

水光互补项目独立运行时分为水力发电和光伏发电两部分。在水光互补项目中，水电的调节能力对光电出力的波动性和间歇性进行实时补偿，水电站的发电收益为

式中：E为水电站在t₁～t₂时间内的发电量，kW·h；p_h为水力发电上网电价，元/（kW·h）； 为水电站在某时刻内的平均出力，kW。

光伏电站运行产生的收益为

式中：B_L为光伏电站收益，元；W为电站装机容量，kW；H_fp为年满负荷发电小时数，h；η为光伏电站综合效率；p_l为光伏上网电价，元/（kW·h）；I_sub为国家政策补贴，元。

1.2 水光互补联合运行

为使组合电源的弃电量最小，对水光互补出力过程进行逐时段优化。光伏电站按照最大能力发电，通过调节水电进行出力补偿调节，上网电量为

式中：E_sub为水光互补系统联合调度下产生的年上网电量，kW·h；p_t（i）为输电线路第i时刻最大输送量，kW；p（i）为光伏发电在第i时刻的最大出力，kW；f（h，p）为水电站的单独运行时的调度规则；p_hy（f（h，p），i）为水电站按照既定的日调度以上规则时第i时段的出力，kW；min[p_t（i），（p（i）+p_hy（f（h，p），i））]为第i时刻输电线路的输送电量，kW。

径流是影响水电站发电的重要因素，分为枯水期、平水期、丰水期。在枯水期，水电站的出力过程产生了改变，主要原因是要满足调度需求的组合电源出力要求，当光伏电站增大出力或者负荷需求变小时，水电站就须要减小出力，而其它时段水电站须要增加出力。在丰水期时，水电站不在担任系统峰荷，随流量增加，全部装机容量转化为基荷运行，以增加水电站发电量。此时，水电站对光伏电站无补偿能力，若此时其他电源无法补偿光电，则出现弃光、弃水现象，导致资源浪费。本文假设光伏电站按最大能力发电，在水电无法补偿光电时，水电站按弃水计算，则水光互补项目收益为

式中：B_sum，t为水光互补系统在联合调度下第t时段的发电收益，元；p_sum为上网电价，元/（kW·h）；E_dro为系统发电弃水量损失，kW·h；p_dro为弃水损失电价，元/（kW·h）。

光伏电站约束条件：

式中：S_p为光伏电站容量；G（s_p）=0为电力系统安全准则，即水光互补电站约束方程；S_pmin，S_pmax为光伏容量的约束条件。

1.3 水光互补增益

在水光互补联合运行过程中，通过水电对光伏进行实时补偿，使光伏电站稳定并网运行，提高系统发电量，产生增益，增益为水光互补联合调度下，水电站独立运行时总发电收益，即：

式中：T为调度期内时段数；ΔB为增益值；B_h，t为水电站单独运行下第t时段产生的发电收益。

互补增益表征，如果互补增益ΔB＞0，则表示系统受益于互补特性，且ΔB越大，互补特性越强。

2 水光互补增益评价

从水光互补系统项目成本和收益的角度进行财务分析，计算单个水电站和水光互补联合运行两个方案的经济收益。运用增量分析法将水光互补联合运行与水电站独立运行的投资、收益进行比较，并对方案进行比选。

①增量净现值

在电站规划期内，按照一定的利率，计算水光互补各年效益的现值总和与成本现值总和之差为NPV_d，其表达式为

式中：B为所有收益现值和，元；B_t为第t年发生的收益，元；C为所有成本现值和，元；C_t为第t年发生的成本，元；n为光伏电站寿命年限；i₀为基准折现率。

若NPV_d≥0，说明增量投资在经济效果上可以接受；投资额大的方案经济效果好，否则，增量投资不予接受，投资额小的方案经济效果好。

②增量投资回收期

在计算过程中，考虑项目资金的时间价值，故使用动态投资回收期。增量投资回收期是指水光互补项目的增量成本须要被增量收益抵偿所需的年限，其表达式为

式中：g（T^*）为增量投资回收期，a；主要影响因素有增量成本和互补后的增量收益，同时，折现率与上网电价价格的变化幅度也会对回收期产生影响；T为项目各年累积收益首次为正值或0的年份； 为（T-1）的累积收益的绝对值；B_T为第T年的收益。

③内部收益率

式中：ΔIRR_d为内部收益率；增量内部收益率必选方案的判别准则：若ΔIRR_d＞i₀，则投资现值大的方案为优；反之，则投资现值小的为优。

3 结论

本文基于水电和光电出力特性，考虑不同气候条件下光电出力情况、不同典型期水电出力情况以及光伏发电标杆电价变化情况，计算各电站独立运行的经济收益以及水光互补联合运行总收益，运用增量分析法对水光互补项目增益进行评价。结果表明：①针对光电出力的不确定性问题，可利用水电调整出力以补偿光电实行互补调节，充分发挥水电调节启停灵活的优势，解决光电的不稳定问题，实现光电安全并网；②将水光互补项目联合运行模式运用到龙羊峡水光互补项目中，并结合光电上网标杆电价变化情况，计算水光互补独立运行和联合运行的经济收益，其年发电量增加2.06×10⁸kW·h，年发电收益增加4.69×10⁸元。由此表明水光互补联合运行不但能够解决光伏安全并网的难题，还提高了企业的经济收益；③运用增益分析法对水光互补项目进行增益研究表明，实行水光互补项目具有一定的可行性。同时，也验证了该方法的正确性和有效性。

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