阿里光水油互補發(fā)電系統(tǒng)

阿里地區(qū)共轄噶爾、日土、札達、普蘭、革吉、措勤和改則7 個縣，地區(qū)行政公署設在噶爾縣獅泉河鎮(zhèn)。阿里地區(qū)可再生能源資源種類較多，而化石能源貧乏。主要能源資源分述如下：

（a）水能：區(qū)內有大小河流80多條，湖泊60多個，水力資源理論蘊藏量480MW。獅泉河和象泉河是后續(xù)水電開發(fā)的主要河流。目前，已建最大水電站為獅泉河水電站（裝機容量6.4MW），其余縣級或鄉(xiāng)村小水電站共21座。

（b）太陽能：阿里地區(qū)太陽輻射強度大，年日照時數超過3000h，年總輻射量7000-8400MJ/m2，是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一。隨著阿里光電計劃的實施，已建立了多座鄉(xiāng)級光伏電站和戶用照

明系統(tǒng)，主要應用于縣、鄉(xiāng)、村集中供電，以及郵電、氣象通信等方面。目前，網內已建光伏電站10MW。

（c）風能：阿里地區(qū)年平均風速在3.2m/s 以上，年大風日數在200d左右，風能資源較豐富。由于風功率密度小，風向和風速不穩(wěn)定，尚未建風力發(fā)電廠。

（d）地熱：現已查明地熱泉（群）28處、其他水熱活動區(qū)21處，泉水平均溫度51.4℃，熱儲平均溫度134℃，熱儲面積47.5km2，地熱資源較豐富。除朗久地熱田外，大部分距人口密集區(qū)較遠。朗久地熱電站由于熱田參數低、設備陳舊老化等原因，目前已停運。

（e）生物質能：阿里地區(qū)森林資源較少，農業(yè)不發(fā)達，作物秸稈少，且多作飼料，農村燃料主要為畜糞，生物質能十分缺乏。

（f）化石能源：區(qū)內缺油少煤，已查明煤炭資源儲量小、煤質差，難以滿足生活用煤的需要，燃料多從周邊省區(qū)送入。

按同等程度滿足系統(tǒng)電力電量需求的原則進行總費用現值計算。費用流程主要包括建設投資和運行

費、燃料費、設備更新改造投資等?；鶞誓隇?014 年，折現率8%，經營期30a。主要計算參數：聯網工程年運行費占總投資的2%；標油耗270g/（kW·h），標油價格12300元/t，燃油電廠經營成本按總投資的4%計，運行10a設備更新改造1次；標煤耗采用630g/（kW·h），標煤價格2500元/t，燃煤電廠經營成本按總投資的5.5%計，運行10a設備更新改造1次；水電站年運行費約占總投資的1.1%；光伏和抽水蓄能電站綜合經營成本按總投資的1.5%計；蓄電池每5a更換1次；光熱電站經營成本按總投資的4%計；光伏、光熱電站運行經濟性方面：“調節(jié)水庫電站 光伏”方案總費用現值最小。燃油和燃煤電廠方案雖初期一次性投資較少，但年運行成本遠高于其他方案，發(fā)電成本電價約4.60元/（kW·h）、2.95元/（kW·h），需國家長期給予燃料補貼才能維持正常經營活動；光伏或光熱為主的電力供應方案，初期一次性投資相對較大，但經營期運行成本遠低于火電廠方案，發(fā)電成本電價約1.50元/（kW·h），略低于目前阿里地區(qū)混合用電電價1.80元/（kW·h）。相比之下，阿青水電站輔以其他電源方案，雖然初期投資較大，但運行成本最低，且受物價變化影響甚微，發(fā)電成本約0.95元/（kW·h），市場承受能力較強。供電可靠性方面：區(qū)外聯網方案需對區(qū)內電網進一步升級改造，且完全依靠區(qū)外電力供應，供電可靠性差。燃油、燃煤電廠方案近期年消耗燃油2.1萬t、標準煤4.8萬t，僅靠公路運輸，遇雨雪等惡劣天氣時運輸受阻，燃料供應和運輸設備完好難以保證。根據已建燃油機組運行情況，機組故障率高，直接影響供電的可靠性。微網系統(tǒng)研究指出光伏等不穩(wěn)定電源在系統(tǒng)中所占比例不宜超過20%，否則需采取相應措施以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。光伏出力波動大，遇陰天出力不足或停運，對電網沖擊大；若配置蓄電池，蓄電池使用壽命約5～8a，需定期更新改造。光熱電站發(fā)電穩(wěn)定性優(yōu)于光伏，但同樣宜受天氣狀況影響而波動。調節(jié)水庫電站 光伏方案，阿青水電站作為穩(wěn)定電源進行調節(jié)，白天光伏發(fā)電時段水電可適當蓄水，夜間用電高峰時段增加水電出力，通過水光互補運行將顯著提高供電可靠性，改善電網電能質量。運行維護方面：區(qū)外聯網方案輸電線路途經高海拔無人地區(qū)，運行維護難度大。燃機方案燃料需從區(qū)外通過公路運輸，運距遠、路況差，供應保證程度低，且高寒地區(qū)機組出力受阻，故障率高，運行成本高、維護難度大。光伏和光熱電站，組件的清潔度影響發(fā)電效率，且一般運行15a左右設備需更新改造；若配置蓄電池，一般5～8a需更換1次，日常維護工作量大、費用較高。而水電站利用天然徑流發(fā)電，無需再消耗其他動力資源，設備較簡單，檢修、維護費用低于同等規(guī)模的火電廠，正常運行期一般在50a以上，有利于長期保障阿里地區(qū)電力供應。

環(huán)境保護方面：燃機方案近期年消耗燃油2.1萬t 或燃煤4.8萬t，每年產生co ?排放量10萬t、co ?排放量638t，在低壓、缺氧條件下，不完全燃燒還會釋放大量有害氣體，給脆弱的生態(tài)環(huán)境造成極大破壞。水電及光伏、光熱方案在施工期會對周邊環(huán)境造成一定影響，可采取相應的保護措施盡量減免；運行期基本無污染物排放，環(huán)境影響甚微；同時，水庫電站水域面積擴大將有助于改善庫周水環(huán)境，遏制草場沙化，有利于當地水土資源的合理開發(fā)利用。

綜上，從各方案的經濟性、供電可靠性、運行維護性及環(huán)境友好性等綜合比較，“調節(jié)水庫電站 光伏”是目前阿里地區(qū)最適合的電力供應方案，能夠滿足系統(tǒng)近中期電力的需求，可完全替代已建燃油機組，保障阿里地區(qū)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保和經濟運行 。

目前阿里地區(qū)能源資源利用存在的主要問題為：

（a）能源供應嚴重不足。區(qū)內清潔能源資源相對豐富，化石能源較缺乏，由于地理位置偏遠、開發(fā)條件差，電源建設嚴重滯后。

（b）電網供電能力差。目前僅形成以獅泉河鎮(zhèn)為核心、向周邊輻射的孤立電網，用電人口不到地區(qū)總人口的20%。由于網架結構薄弱、電源建設滯后、供電質量較差，經常拉閘限電，枯水期缺電較嚴重。

（c）傳統(tǒng)能源替代任務重。受能源供應不足及長期形成的生活習慣影響，當地農牧民主要依靠畜糞、薪柴、草皮和荊棘等作為生活和取暖燃料，致使當地本已稀少的紅柳林、沙棘林等林地及草場遭到砍伐和破壞，土地沙化、退化現象嚴重。

（d）能源開發(fā)建設成本高。特殊的地理環(huán)境造成阿里地區(qū)能源建設成本遠高于內地，電費收入甚至難以滿足供電設施的基本運行維護。

（e）能源開發(fā)利用缺乏互濟。已建水電站裝機規(guī)模小、調節(jié)能力差，汛、枯期出力懸殊，且冬季易結冰、發(fā)電困難；太陽能多分散使用，光伏出力波動大，電網消納有限；應急燃油機組發(fā)電運行成本高昂等。表面上呈多種能源利用的現象，但相互間缺乏補償調節(jié)。

阿里地區(qū)位于西藏的最西部，區(qū)內高寒缺氧，自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，能源資源開發(fā)條件差，電源建設嚴重不足。目前，當地僅形成以獅泉河鎮(zhèn)為核心并向周邊縣、鄉(xiāng)輻射的孤立電網，網架結構薄弱，電力供應嚴重制約該地區(qū)的經濟社會發(fā)展。阿里地區(qū)缺油少煤，水能、太陽能、風能等清潔能源資源豐富，因地制宜，積極開發(fā)利用當地資源，通過多能互補方式解決用電問題是其必然選擇。太陽能和風能受天然條件制約，具有間歇性，鑒于電網安全穩(wěn)定運行要求，存在并網困難、消納受限等問題。與獨立光伏或風電系統(tǒng)相比，風光互補、水光互補等發(fā)電系統(tǒng)可獲得較穩(wěn)定的功率輸出，提高設備利用率，在保證同樣供電的情況下可減少儲能設備的配置容量，降低造價。目前，國內外關于風光互補、風電抽水蓄能聯合運行等方面的研究成果較多，水光互補開發(fā)模式也在不斷探索，而對小微電網中電源優(yōu)化及水光互補聯合運行的應用研究不多 。

阿里地區(qū)實現水光互補系統(tǒng)的關鍵是要解決光伏并網穩(wěn)定、經濟運行等問題，需要有一定裝機規(guī)模、調節(jié)性能較好的穩(wěn)定電源作支撐。采用“調節(jié)水庫電站 光伏”的電力供應方案，光伏電站夜間或極端天氣情況下的出力空缺和出力不穩(wěn)定，可由出力穩(wěn)定、調節(jié)能力強的水庫電站補充；而水電電量的不足（尤其枯水期），可由光伏電站在白天發(fā)電彌補，水電站在相應時段內減小出力、蓄水儲能。通過方案研究，阿里地區(qū)水光互補體系在技術上是可實現的；上述兩種電源均為清潔的可再生能源，運行安全可靠、費用低，水光互補的能源利用模式可較好地解決阿里地區(qū)的能源需求問題。

目前，阿里電網調節(jié)水庫電站僅獅泉河水電站，入庫水量和調節(jié)庫容有限，在某臺機組擔當基荷后，常無足夠水量來調峰；燃油機組白天1臺、晚間2臺運行，燃料消耗量大；已建光伏占系統(tǒng)比例達30%，若無其他補償措施，對電網沖擊大，系統(tǒng)棄光嚴重，晚高峰時段仍需增加燃油發(fā)電。2020年，阿青水電站建成后，系統(tǒng)內調節(jié)水庫電站所占比例超過70%，配合已建光伏電站，系統(tǒng)尚有盈余電力電量；隨著系統(tǒng)用電需求的增加，水光互補運行，資源優(yōu)化配置，將增加系統(tǒng)對光伏電量的消納。根據2025年系統(tǒng)電力電量平衡成果，光伏年有效吸收電量達0.184億kW·h，相當于替代火電約10MW，每年節(jié)約標準煤約1.16萬t，減少so?排放量2.3萬t，減少so?排放量154t，減少煙塵排放量77t，節(jié)能減排的效益顯著。

因此，通過水光互補運行，一方面調節(jié)水庫電站對系統(tǒng)調峰和安全、穩(wěn)定、經濟運行極為有利，在管理和

運行上有很大的機動性和高度的適應性，但水量有限，尤其是枯水期需要光伏補充一定電量；另一方面，水電蓄水調節(jié)，調峰調頻運行，解決了光伏棄光問題。遠期，即使系統(tǒng)用電負荷增加、調峰容量不足，可通過新增水電電源或已建水庫電站擴機增容來滿足容量需求；若電量不足，則可通過新建光伏或其他新能源電源補充。

2015年，光伏裝機規(guī)模10MW，占比29.7%，調節(jié)水庫電站僅獅泉河水電站，裝機規(guī)模占比19%。由于調節(jié)水庫電站所占比例較小，光伏被系統(tǒng)吸收電量有限，主要還得依靠燃油機組提供電力電量。2020年，隨著阿青水電站投入運行，調節(jié)水庫電站所占系統(tǒng)比例達79.7%，光伏所占比例為160.%，可完全替代燃油機組，阿里電網水光互補清潔能源體系初步形成。

2025年，根據系統(tǒng)電力電量平衡計算，枯水期將缺電約840萬kW·h，考慮新增光伏電站約8MW補充不足電量，水光互補運行可滿足系統(tǒng)用電需求。

調節(jié)水庫電站發(fā)電特性為：水庫具有年調節(jié)性能，可對徑流蓄豐補枯，進行水量再分配，調度靈活，出力調節(jié)反應速度快，電量和容量作用均突出；光伏電站發(fā)電特性為：受光照影響，午間時段發(fā)電，夜間間斷，出力易波動，主要考慮電量作用。因此，兩者日內出力分布及電量、容量作用的發(fā)揮等方面具有互補性。由阿里電網2025平水年枯水期典型日電力電量平衡圖，可知，調節(jié)水庫電站擔當大部分基荷，在白天光伏發(fā)電時段減小出力，在夜晚用電高峰時段增加出力。由于系統(tǒng)最大負荷出現在夜晚，而此時光伏電站不能發(fā)電，系統(tǒng)主要依靠調節(jié)水庫電站發(fā)揮調峰容量和電量作用。

燃油或燃煤不宜作為阿里地區(qū)能源供應主體；太陽能單一形式發(fā)電，間歇性和不穩(wěn)定性成為電網安全的最大隱憂；水電存在枯水期電量不足等問題。因此，因地制宜，積極開發(fā)利用多種清潔能源，多能互補才是阿里地區(qū)能源發(fā)展的根本出路。從發(fā)展趨勢看，太陽能發(fā)電將成為技術可行、經濟合理、具備規(guī)?；l(fā)展條件的可再生能源，穩(wěn)定的調節(jié)水庫電站與光伏電站發(fā)電雙向互補，可實現當地能源資源的優(yōu)化配置，也有利于光伏產業(yè)后期在阿里地區(qū)的規(guī)?；l(fā)展，較好地解決阿里地區(qū)的能源供應不足和環(huán)境制約問題，是阿里地區(qū)清潔能源發(fā)展的一條新途徑 。2100433B

所謂風光互補，顧名思義，強調的就是風能與太陽能的結合。事實上，風能與太陽能的結合有著天然優(yōu)勢。風能是太陽能的另一種轉化，太陽照射地球引起溫度變化產生風。我們可以注意到，一般白天風小太陽輻射大，夜晚風大太陽輻射小，夏季風小太陽輻射大，冬季風大而太陽輻射小，晴天風小雨天風大。風能和太陽能在時間和季節(jié)上如此吻合的互補性，決定了風光互補結合后發(fā)電系統(tǒng)可靠性更高、更具有實用價值。因此，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的出現可以很好的彌補太陽能和風能提供能量間歇性和隨機性的缺陷，實現不間斷供電。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網型發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠，將接受來的能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流;另一類是離網型發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內部形成電路，系指采用區(qū)域獨立發(fā)電、分戶獨立發(fā)電的離網型供電模式，將接收來的能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池。離網型較并網發(fā)電而言投資小、見效快，占地面積小，從安裝到投入使用的時間視其工程量，少則一天多則二個月，無需專人值守，易于管理 。

本書主要包括風光互補發(fā)電系統(tǒng)概述、風光互補發(fā)電系統(tǒng)中PLC應用、風光互補發(fā)電系統(tǒng)中DSP原理及應用、光伏電池組件設計和測試、蓄電池工作原理和應用、逆變器的工作原理和輸出波形測試、監(jiān)控和組態(tài)軟件的應用、風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理、風光互補發(fā)電系統(tǒng)安裝和調試等方面的內容。

起初的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，就是將風力發(fā)電機和光伏陣列進行簡單的組合，由于缺乏詳盡的數學計算模型，同時系統(tǒng)只是在保證率低的用戶中使用，因此導致系統(tǒng)使用壽命不長。

近幾年來，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究一方面主要是利用飛速發(fā)展的微計算機控制技術和電力電子技術提高系統(tǒng)的供電高效性和運行穩(wěn)定性。為提高系統(tǒng)的供電高效性，現在的風光互補發(fā)電系統(tǒng)大都采用最大功率跟蹤來保證光伏電池和風力機輸出功率盡可能最大，提高整個系統(tǒng)的工作效率。隨著半導體功率器件、微處理器以及數字控制器的迅速發(fā)展，MPPT技術達到鼎盛時期，人們將MPPT控制與DC/DC變換器連接起來，結合定電壓法等已有的控制算法，通過

硬件和軟件控制相結合的方法來達到最大功率點的跟蹤。除了恒定電壓法、增量電導法、擾動觀察法等常見算法外，近幾年出現一些新的算法如滯環(huán)比較法最優(yōu)梯度法、間歇掃描法跟蹤、模糊邏輯法、神經網絡預測法等等，由于這些控制算法復雜，要求微機配置高及出于成本等諸多因素的考慮，應用于工程實踐中還需一段時間。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)另一方面的研究集中在系統(tǒng)的計算機仿真和優(yōu)化設計。國外相繼開發(fā)出一些模擬光伏陣列、風力發(fā)電機及其互補發(fā)電系統(tǒng)性能的大型工具軟件包。我們通過模擬不同系統(tǒng)配置性能和供電成本便可得出最佳的系統(tǒng)配置。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory合作開發(fā)了hybrid2應用軟件。 hybrid2本身是一款很優(yōu)秀的軟件，它可對一個風光互補系統(tǒng)進行非常精確的模擬運行，根據輸入的互補發(fā)電系統(tǒng)結構、負載特性以及安裝地點的太陽輻射、風速數據獲得一年8760小時的模擬運行結果。但是hybrid2只是一個功能強大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設計的功能，并且價格昂貴，需要的專業(yè)性較強。在國內，香港理工大學同中科院廣州能源所及中科院半導體研究所合作提出了一整套利用CAD進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計的方法。

目前國內進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的大學，主要有合肥工業(yè)大學、中科院電工研究所、內蒙古農業(yè)大學、內蒙古大學等。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的優(yōu)化匹配和內蒙古大學新能源研究中推出來的小型戶用風光互補發(fā)電系統(tǒng)匹配的計算即輔助設計，在匹配計算方面有著領先的地位，而合肥工業(yè)大學能源研究所提出了風光發(fā)電系統(tǒng)的變結構仿真模型用戶可以重構多種結構的風光復合發(fā)電系統(tǒng)并進行計算機仿真計算，從而能夠預測系統(tǒng)的性能、控制策略的合理性以及系統(tǒng)運行的效率 。