阿里光水油互补发电系统系统特性分析

阿里地区实现水光互补系统的关键是要解决光伏并网稳定、经济运行等问题，需要有一定装机规模、调节性能较好的稳定电源作支撑。采用“调节水库电站 光伏”的电力供应方案，光伏电站夜间或极端天气情况下的出力空缺和出力不稳定，可由出力稳定、调节能力强的水库电站补充；而水电电量的不足（尤其枯水期），可由光伏电站在白天发电弥补，水电站在相应时段内减小出力、蓄水储能。通过方案研究，阿里地区水光互补体系在技术上是可实现的；上述两种电源均为清洁的可再生能源，运行安全可靠、费用低，水光互补的能源利用模式可较好地解决阿里地区的能源需求问题。

按同等程度满足系统电力电量需求的原则进行总费用现值计算。费用流程主要包括建设投资和运行

费、燃料费、设备更新改造投资等。基准年为2014 年，折现率8%，经营期30a。主要计算参数：联网工程年运行费占总投资的2%；标油耗270g/（kW·h），标油价格12300元/t，燃油电厂经营成本按总投资的4%计，运行10a设备更新改造1次；标煤耗采用630g/（kW·h），标煤价格2500元/t，燃煤电厂经营成本按总投资的5.5%计，运行10a设备更新改造1次；水电站年运行费约占总投资的1.1%；光伏和抽水蓄能电站综合经营成本按总投资的1.5%计；蓄电池每5a更换1次；光热电站经营成本按总投资的4%计；光伏、光热电站运行经济性方面：“调节水库电站 光伏”方案总费用现值最小。燃油和燃煤电厂方案虽初期一次性投资较少，但年运行成本远高于其他方案，发电成本电价约4.60元/（kW·h）、2.95元/（kW·h），需国家长期给予燃料补贴才能维持正常经营活动；光伏或光热为主的电力供应方案，初期一次性投资相对较大，但经营期运行成本远低于火电厂方案，发电成本电价约1.50元/（kW·h），略低于目前阿里地区混合用电电价1.80元/（kW·h）。相比之下，阿青水电站辅以其他电源方案，虽然初期投资较大，但运行成本最低，且受物价变化影响甚微，发电成本约0.95元/（kW·h），市场承受能力较强。供电可靠性方面：区外联网方案需对区内电网进一步升级改造，且完全依靠区外电力供应，供电可靠性差。燃油、燃煤电厂方案近期年消耗燃油2.1万t、标准煤4.8万t，仅靠公路运输，遇雨雪等恶劣天气时运输受阻，燃料供应和运输设备完好难以保证。根据已建燃油机组运行情况，机组故障率高，直接影响供电的可靠性。微网系统研究指出光伏等不稳定电源在系统中所占比例不宜超过20%，否则需采取相应措施以保证电力系统稳定运行。光伏出力波动大，遇阴天出力不足或停运，对电网冲击大；若配置蓄电池，蓄电池使用寿命约5～8a，需定期更新改造。光热电站发电稳定性优于光伏，但同样宜受天气状况影响而波动。调节水库电站 光伏方案，阿青水电站作为稳定电源进行调节，白天光伏发电时段水电可适当蓄水，夜间用电高峰时段增加水电出力，通过水光互补运行将显著提高供电可靠性，改善电网电能质量。运行维护方面：区外联网方案输电线路途经高海拔无人地区，运行维护难度大。燃机方案燃料需从区外通过公路运输，运距远、路况差，供应保证程度低，且高寒地区机组出力受阻，故障率高，运行成本高、维护难度大。光伏和光热电站，组件的清洁度影响发电效率，且一般运行15a左右设备需更新改造；若配置蓄电池，一般5～8a需更换1次，日常维护工作量大、费用较高。而水电站利用天然径流发电，无需再消耗其他动力资源，设备较简单，检修、维护费用低于同等规模的火电厂，正常运行期一般在50a以上，有利于长期保障阿里地区电力供应。

环境保护方面：燃机方案近期年消耗燃油2.1万t 或燃煤4.8万t，每年产生co ₂排放量10万t、co ₂排放量638t，在低压、缺氧条件下，不完全燃烧还会释放大量有害气体，给脆弱的生态环境造成极大破坏。水电及光伏、光热方案在施工期会对周边环境造成一定影响，可采取相应的保护措施尽量减免；运行期基本无污染物排放，环境影响甚微；同时，水库电站水域面积扩大将有助于改善库周水环境，遏制草场沙化，有利于当地水土资源的合理开发利用。

综上，从各方案的经济性、供电可靠性、运行维护性及环境友好性等综合比较，“调节水库电站 光伏”是目前阿里地区最适合的电力供应方案，能够满足系统近中期电力的需求，可完全替代已建燃油机组，保障阿里地区电力系统安全稳定、节能环保和经济运行 。

目前阿里地区能源资源利用存在的主要问题为：

（a）能源供应严重不足。区内清洁能源资源相对丰富，化石能源较缺乏，由于地理位置偏远、开发条件差，电源建设严重滞后。

（b）电网供电能力差。目前仅形成以狮泉河镇为核心、向周边辐射的孤立电网，用电人口不到地区总人口的20%。由于网架结构薄弱、电源建设滞后、供电质量较差，经常拉闸限电，枯水期缺电较严重。

（c）传统能源替代任务重。受能源供应不足及长期形成的生活习惯影响，当地农牧民主要依靠畜粪、薪柴、草皮和荆棘等作为生活和取暖燃料，致使当地本已稀少的红柳林、沙棘林等林地及草场遭到砍伐和破坏，土地沙化、退化现象严重。

（d）能源开发建设成本高。特殊的地理环境造成阿里地区能源建设成本远高于内地，电费收入甚至难以满足供电设施的基本运行维护。

（e）能源开发利用缺乏互济。已建水电站装机规模小、调节能力差，汛、枯期出力悬殊，且冬季易结冰、发电困难；太阳能多分散使用，光伏出力波动大，电网消纳有限；应急燃油机组发电运行成本高昂等。表面上呈多种能源利用的现象，但相互间缺乏补偿调节。

阿里地区共辖噶尔、日土、札达、普兰、革吉、措勤和改则7 个县，地区行政公署设在噶尔县狮泉河镇。阿里地区可再生能源资源种类较多，而化石能源贫乏。主要能源资源分述如下：

（a）水能：区内有大小河流80多条，湖泊60多个，水力资源理论蕴藏量480MW。狮泉河和象泉河是后续水电开发的主要河流。目前，已建最大水电站为狮泉河水电站（装机容量6.4MW），其余县级或乡村小水电站共21座。

（b）太阳能：阿里地区太阳辐射强度大，年日照时数超过3000h，年总辐射量7000-8400MJ/m²，是世界上太阳能资源最丰富的地区之一。随着阿里光电计划的实施，已建立了多座乡级光伏电站和户用照

明系统，主要应用于县、乡、村集中供电，以及邮电、气象通信等方面。目前，网内已建光伏电站10MW。

（c）风能：阿里地区年平均风速在3.2m/s 以上，年大风日数在200d左右，风能资源较丰富。由于风功率密度小，风向和风速不稳定，尚未建风力发电厂。

（d）地热：现已查明地热泉（群）28处、其他水热活动区21处，泉水平均温度51.4℃，热储平均温度134℃，热储面积47.5km²，地热资源较丰富。除朗久地热田外，大部分距人口密集区较远。朗久地热电站由于热田参数低、设备陈旧老化等原因，目前已停运。

（e）生物质能：阿里地区森林资源较少，农业不发达，作物秸秆少，且多作饲料，农村燃料主要为畜粪，生物质能十分缺乏。

（f）化石能源：区内缺油少煤，已查明煤炭资源储量小、煤质差，难以满足生活用煤的需要，燃料多从周边省区送入。

阿里地区位于西藏的最西部，区内高寒缺氧，自然条件恶劣，生态环境脆弱，能源资源开发条件差，电源建设严重不足。目前，当地仅形成以狮泉河镇为核心并向周边县、乡辐射的孤立电网，网架结构薄弱，电力供应严重制约该地区的经济社会发展。阿里地区缺油少煤，水能、太阳能、风能等清洁能源资源丰富，因地制宜，积极开发利用当地资源，通过多能互补方式解决用电问题是其必然选择。太阳能和风能受天然条件制约，具有间歇性，鉴于电网安全稳定运行要求，存在并网困难、消纳受限等问题。与独立光伏或风电系统相比，风光互补、水光互补等发电系统可获得较稳定的功率输出，提高设备利用率，在保证同样供电的情况下可减少储能设备的配置容量，降低造价。目前，国内外关于风光互补、风电抽水蓄能联合运行等方面的研究成果较多，水光互补开发模式也在不断探索，而对小微电网中电源优化及水光互补联合运行的应用研究不多 。

2015年，光伏装机规模10MW，占比29.7%，调节水库电站仅狮泉河水电站，装机规模占比19%。由于调节水库电站所占比例较小，光伏被系统吸收电量有限，主要还得依靠燃油机组提供电力电量。2020年，随着阿青水电站投入运行，调节水库电站所占系统比例达79.7%，光伏所占比例为160.%，可完全替代燃油机组，阿里电网水光互补清洁能源体系初步形成。

2025年，根据系统电力电量平衡计算，枯水期将缺电约840万kW·h，考虑新增光伏电站约8MW补充不足电量，水光互补运行可满足系统用电需求。

调节水库电站发电特性为：水库具有年调节性能，可对径流蓄丰补枯，进行水量再分配，调度灵活，出力调节反应速度快，电量和容量作用均突出；光伏电站发电特性为：受光照影响，午间时段发电，夜间间断，出力易波动，主要考虑电量作用。因此，两者日内出力分布及电量、容量作用的发挥等方面具有互补性。由阿里电网2025平水年枯水期典型日电力电量平衡图，可知，调节水库电站担当大部分基荷，在白天光伏发电时段减小出力，在夜晚用电高峰时段增加出力。由于系统最大负荷出现在夜晚，而此时光伏电站不能发电，系统主要依靠调节水库电站发挥调峰容量和电量作用。

目前，阿里电网调节水库电站仅狮泉河水电站，入库水量和调节库容有限，在某台机组担当基荷后，常无足够水量来调峰；燃油机组白天1台、晚间2台运行，燃料消耗量大；已建光伏占系统比例达30%，若无其他补偿措施，对电网冲击大，系统弃光严重，晚高峰时段仍需增加燃油发电。2020年，阿青水电站建成后，系统内调节水库电站所占比例超过70%，配合已建光伏电站，系统尚有盈余电力电量；随着系统用电需求的增加，水光互补运行，资源优化配置，将增加系统对光伏电量的消纳。根据2025年系统电力电量平衡成果，光伏年有效吸收电量达0.184亿kW·h，相当于替代火电约10MW，每年节约标准煤约1.16万t，减少so₂排放量2.3万t，减少so₂排放量154t，减少烟尘排放量77t，节能减排的效益显著。

因此，通过水光互补运行，一方面调节水库电站对系统调峰和安全、稳定、经济运行极为有利，在管理和

运行上有很大的机动性和高度的适应性，但水量有限，尤其是枯水期需要光伏补充一定电量；另一方面，水电蓄水调节，调峰调频运行，解决了光伏弃光问题。远期，即使系统用电负荷增加、调峰容量不足，可通过新增水电电源或已建水库电站扩机增容来满足容量需求；若电量不足，则可通过新建光伏或其他新能源电源补充。

燃油或燃煤不宜作为阿里地区能源供应主体；太阳能单一形式发电，间歇性和不稳定性成为电网安全的最大隐忧；水电存在枯水期电量不足等问题。因此，因地制宜，积极开发利用多种清洁能源，多能互补才是阿里地区能源发展的根本出路。从发展趋势看，太阳能发电将成为技术可行、经济合理、具备规模化发展条件的可再生能源，稳定的调节水库电站与光伏电站发电双向互补，可实现当地能源资源的优化配置，也有利于光伏产业后期在阿里地区的规模化发展，较好地解决阿里地区的能源供应不足和环境制约问题，是阿里地区清洁能源发展的一条新途径 。2100433B

所谓风光互补，顾名思义，强调的就是风能与太阳能的结合。事实上，风能与太阳能的结合有着天然优势。风能是太阳能的另一种转化，太阳照射地球引起温度变化产生风。我们可以注意到，一般白天风小太阳辐射大，夜晚风大太阳辐射小，夏季风小太阳辐射大，冬季风大而太阳辐射小，晴天风小雨天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性和随机性的缺陷，实现不间断供电。

风光互补发电系统大体上可以分为两类，一类是并网型发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂，将接受来的能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流;另一类是离网型发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，系指采用区域独立发电、分户独立发电的离网型供电模式，将接收来的能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池。离网型较并网发电而言投资小、见效快，占地面积小，从安装到投入使用的时间视其工程量，少则一天多则二个月，无需专人值守，易于管理 。

本书主要包括风光互补发电系统概述、风光互补发电系统中PLC应用、风光互补发电系统中DSP原理及应用、光伏电池组件设计和测试、蓄电池工作原理和应用、逆变器的工作原理和输出波形测试、监控和组态软件的应用、风力发电系统工作原理、风光互补发电系统安装和调试等方面的内容。

起初的风光互补发电系统，就是将风力发电机和光伏阵列进行简单的组合，由于缺乏详尽的数学计算模型，同时系统只是在保证率低的用户中使用，因此导致系统使用寿命不长。

近几年来，风光互补发电系统的研究一方面主要是利用飞速发展的微计算机控制技术和电力电子技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。为提高系统的供电高效性，现在的风光互补发电系统大都采用最大功率跟踪来保证光伏电池和风力机输出功率尽可能最大，提高整个系统的工作效率。随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展，MPPT技术达到鼎盛时期，人们将MPPT控制与DC/DC变换器连接起来，结合定电压法等已有的控制算法，通过

硬件和软件控制相结合的方法来达到最大功率点的跟踪。除了恒定电压法、增量电导法、扰动观察法等常见算法外，近几年出现一些新的算法如滞环比较法最优梯度法、间歇扫描法跟踪、模糊逻辑法、神经网络预测法等等，由于这些控制算法复杂，要求微机配置高及出于成本等诸多因素的考虑，应用于工程实践中还需一段时间。

风光互补发电系统另一方面的研究集中在系统的计算机仿真和优化设计。国外相继开发出一些模拟光伏阵列、风力发电机及其互补发电系统性能的大型工具软件包。我们通过模拟不同系统配置性能和供电成本便可得出最佳的系统配置。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory合作开发了hybrid2应用软件。 hybrid2本身是一款很优秀的软件，它可对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的太阳辐射、风速数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有合肥工业大学、中科院电工研究所、内蒙古农业大学、内蒙古大学等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率 。