电力市场环境下风光水互补分析

李晓婷

（大唐云南发电有限责任公司，昆明650103）

0 前言

随着风电、光伏发电规模的不断扩大，可再生能源的消纳与发展矛盾日益突出[1]。风能、太阳能在促进电力行业可持续发展和应对全球气候变化有着重要作用[2]。但由于受天气影响，与传统能源相比，风力发电和太阳能光伏发电的间歇性和波动性给充分消纳可再生能源带来挑战[3]。风电、光伏发电的快速发展给电力系统安稳运行和电力可靠供应带来了挑战[4]。除风能、太阳能之外，云南也是中国水电资源富集省份之一。2017年以来，云南省可再生能源全部纳入电力市场化交易[5]。截止2018年底，云南水电装机容量超过全省装机容量的2/3，水电为主的电源结构决定了云南发电出力的显著季节性特点[6]。

为促进市场环境下风能、太阳能和水电的有序开发和利用，改善可再生能源消纳现状，本文分析研究了中长期尺度上水电与风能、太阳能的资源互补特性以及短期内风光水发电联合运行特性，一方面有助于缓解以云南电力市场水电为主的电源结构性矛盾，另一方面有助于在保障电力供应的前提下充分消纳可再生能源。

1 资源特性

1.1 水能资源

云南河流众多，水能资源丰富。可开发利用的水力发电容量超过1亿千瓦，占全国可利用能力的18.8%，位居全国第三。其中径流面积在100平方公里以上的河流众多，分属于六大水系：金沙江（长江上游），澜沧江，怒江，珠江，元江红河和伊洛瓦底江，其中前三河占全省理论水能资源总储量的79.6%[7]。截止2018年，云南省水电装机容量已突破6600万千瓦[8]，预计到“十三五”末，全省装机容量将突破1亿千瓦，水电装机容量将达到7000万千瓦左右[9]。

1.2 风能资源

根据《云南省风能资源评价报告》[10]，云南风能资源总储备量约1.2亿千瓦，其中年平均风能功率密度大于50W/m2的可利用风能资源区域占地约4.5万平方公里，约占全省地理面积的11.5%。云南技术可利用的风能储量为2823万千瓦，约占全省风能总储备量的23%。云南省风能资源利用条件较好的地区主要集中在大理州与楚雄交界处、玉溪南部至红河州中南部、曲靖东部以及昆明与曲靖相邻地区和丽江至永胜一带。截止2018年，云南省风电装机容量超过850万千瓦，预计到“十三五”末将突破1000万千瓦[9]。

1.3 太阳能资源

云南属太阳能辐照资源二类地区，阳光透过率高，日照时间长，全年辐射总量在5400～6700兆焦/ 平方米左右。根据《云南省太阳能资源评价报告》[11]，云南省北部的金沙江河谷地区干旱少雨，日照充足，是全省太阳总辐照最丰富地区，年太阳辐射总量大于5000兆焦/ 平方米的地域占全省面积的90%。其中元谋、永仁、宾川、丽江等地区的年太阳辐射总量超过6000兆焦/ 平方米，最高值达6667兆焦/ 平方米。全省多数地区的年日照时数为2100～2300 小时，其中有94 个县超过2000 小时。在太阳能资源丰富程度上，云南每年太阳能约相当于714亿吨标准煤，是仅次于西藏和新疆的全国第三大太阳能资源省份。截止2018年，云南省光伏发电装机容量已突破300 万千瓦[8]。

2 特性分析

2.1 市场化交易分析

根据云南省电力改革进度，自2017年开始，云南省内的集中式风电和光伏发电全电量纳入市场化交易。下面结合近两年市场交易情况对云南省的风电、光伏以及水电的市场化交易情况进行分析。

根据云南电力市场集中出清规则，可再生能源电厂在出清顺序上优于化石能源电厂。由于风电、光伏发电2017年才开展市场化交易，受样本较少限制，无法开展年际市场化相关及互补特性分析。图1、图2为近两年水电和风电、光伏市场化交易聚合分析。

图1风电、光伏与水电市场化相关性聚合分析

从图1可见，水电和风电、光伏市场化成交量呈现显著负相关。

图2近两年风电、光伏与水电市场化交易互补分析

此外，从图2年内各月市场化成交量的聚合分析可以看出，水电和风电、光伏在年内各月的市场化成交量上呈现出明显互补性。

2.2 运行特性分析

2.2.1 水电

受西南季风影响，云南的气候呈现出旱季和雨季分明的特点，这也导致了水电出力在雨季大、旱季小的显著特点。随着近年来云南水电的快速发展，水电调节能力有所改善，但由于系统中水电装机占比超过70%，且大部分为调节能力较差的径流式水电站。因此，受季节性来水影响，水电在雨季出力陡增，旱季出力较小，呈现出明显的季节性特点。

图3、图4为近三年水电月最大和月平均出力分析结果。如图3所示，水电月最大出力区间在40%-80%之间，并呈现出随着雨季到来逐步增加趋势，而后在旱季到来后逐步降低的特点。由于云南电源大多以调节能力较差的水电为主，且受近年来经济下行压力大、用电需求不旺等因素影响，水电年最大出力均未超过装机容量的80%。

图3近三年水电月最大出力曲线

从图4可见，雨季期间，水电月平均出力较接近同期的月最大出力，这与雨季充分利用各输电通道充分消纳可再生能源的努力是一致的。

图4近三年水电月平均出力曲线

图5 为近三年水电出力概率分布分析结果。作为主力调节电源，水电出力分布相对稳定，全年出力在50%左右的累积概率超过了一半，一方面有力保障了电力供应安全可靠，但另一方面由于整体供应过剩，也导致了雨季弃水的发生。但总体来讲，相比风电、光伏等间歇性电源，水电出力总体更稳定。

图5近三年水电出力概率分布

2.2.2 风电

风电出力受风资源区域差异影响各不相同。但从全省角度来看，随着近年来风电的不断渗透，集群效应在改善风电出力特性上的作用越来越明显。图6、图7为近三年风电月最大和月平均出力分析结果。从图6可见，随着风电集群效应逐步显现，风电月最大出力呈现雨季小、旱季大的特点，且风电最大出力波动呈逐年缩小趋势，其中旱季最大出力呈逐年趋于平稳的趋势，逐步向40%～70%的区间过渡，风电最大出力基本在70%以下，雨季的最大出力特性也得到了改善。

图6近三年风电月最大出力曲线

从图7可以看出，风电月平均出力基本呈现旱季大、雨季小的特点。风电雨季、旱季出力比由第一年的31:69逐步过渡到第三年的35:65，集群效应对风电平均出力特性改善起到了明显作用。

图7近三年风电月平均出力曲线

从图8可见，集群效应在改善风电出力特性的明显，风电出力在70%以上的概率基本为0，出力在20%～60%的概率相比单个风电场出力概率分布明显改善，出力小于20%的概率相比于单座风电场也有明显降低。

图8近三年风电出力概率分布

2.2.3 光伏

图9、图10为近三年风电月最大和月平均出力分析结果。如图9所示，随着光伏发电规模的不断攀升，光伏月最大出力呈现雨季小、旱季大的特点。其中旱季最大出力由前两年的40%左右增加到第三年的70%左右，有效出力进一步增加，且在整体出力特性上与水电形成互补趋势，有助于改善以水电为主的电源结构性矛盾。

图9近三年光伏月最大出力曲线

从图10可见，光伏月平均出力分布体现出逐步趋于平稳的特点，波动逐年下降，至第三年平均出力基本维持在12%～16%之间。雨、旱季电量比由第一年的41:59逐步过渡到第三年的50:50左右，与风电类似，集群效应也改善了光伏平均出力特性。

从图11可见，集群效应对改善光伏出力分布的作用也很明显，出力在70%以上的概率基本为0，出力在20%-60%的概率相比单个光伏电站出力概率分布明显上升，出力小于20%的概率相比于单个光伏电站也有明显降低。

图10近三年光伏月平均出力曲线

图11近三年光伏发电出力概率分布

图12澜沧江戛旧水文站年径流量与祥云气象站年平均风速分布（1990～2010年）

3 风光水互补分析

3.1 年际互补分析

由于缺乏光伏发电历史辐照资料，加之近三年光伏发电在云南发电量占比不足5%，因此，忽略光伏发电影响，仅对风能和水能资源进行年际互补分析。

根据澜沧江干流各水文站年平均流量分析，水文站控制流域面积较大，流量变化过程基本一致，选取祥云气象站作为附近风电场测风数据订正代表站，以戛旧水文站和祥云气象站历史资料（1990年～2010年）为例分析澜沧江流域径流、风速年际变化，如图12所示。从图中可以看出，年径流量与年平均风速呈现负相关特性，年径流量较大时，即降水较多的年份，平均风速相对较小，反之异然；同时出现丰水大风或者枯水小风的年份较少。

3.2 年内互补分析

云南旱季和雨季交替特征明显，旱季干燥，降水量稀少，但风速大，风能资源丰富；雨季湿润降水多，风速小。因此，云南的风能和水能在年内恰好构成一个有机的互补体系。云南平均海拔高，日照时间长，多数地区日照时数在2100～2300小时，日照时数大于6小时的日数全年约200天，从资源特性上看，太阳能未呈现出与水电明显互补特性。

图13为近三年云南风电、光伏和水电的平均出力过程。如图所示，风电、光伏的年内各月出力呈现出显著的“两峰一谷”形式，而水电年内各月出力呈现出明显的“一峰”形式，且风电、光伏“两峰一谷”中的“一谷”恰好与水电的“一峰”在时间上对应，风电、光伏和水电之间形成较为匹配的年内互补关系。

图13近三年风电、光伏和水电平均出力过程

3.3 日内互补分析

云南水电以调节能力较差水电站为主，其日出力特性主要受来水影响，而少数具备较强调节能力的大中型水电因要承担调峰调频和系统调节任务，其日出力特性主要受负荷、库容及来水影响；风电、光伏日内出力特性受天气影响短时变化剧烈。因此，风电、光伏和水电没有明显的日内互补特性，但通过调节性能较好的水电出力可在很大程度上“平滑”风电、光伏的间歇出力特性，降低风电、光伏出力波动的影响。

4 结束语

通过对电力市场环境下风电、光伏和水电的互补特性分析，表明风电和水电具有年际资源互补特性。此外，风电、光伏发电和水电的市场交易和出力特性在年内各月呈现出显著负相关和互补特性，风电、光伏可作为旱季水电出力小时的有力供应支撑，有助于进一步替代化石能源发电和促进可再生能源消纳。通过分析，未发现风电、光伏和水电出力在日内有明显互补特性，但通过风光水联合运行可有效平滑联合出力曲线，平抑风、光发电出力波动性和间歇性，促进清洁能源消纳，为进一步深化电力市场化改革、促进电力系统合理规划运行和厂网协调发展提供支撑。