内容提要：本文通过对水-光系统的构成，运行状态的分析得出，在水电站建设光伏系统是经济和合理的，其投资水平已可和建设水电相媲美。该系统对建设微电网，对充份利用光伏逆变器功能，提高水电站运行效益，都具有积极的意义。

　　　一 概述
风电、光伏发电、中小水电和小型天然气多联供等均可形成分布式发电系统。我国水电装机容量和电站数量居世界首位，已有成熟的建设和运行经验。我国风电和光伏发电是最近发展起来的新型能源，同样具有广阔的发展前景。由于风电、光伏发电等分布式电源具有分散性和间歇性的特点，对电网的电能质量、控制保护、运行可靠性带来不利的影响。为此，构建自我治理的微电网就成为有效利用分布式能源的关键。所谓“自我治理”的微电网一般可这样定义：以分布式电源为主，利用储能和控制装置进行实时调节，实现网络内部电力电量平衡的小型供电网络，可并网运行也可离网运行。

商用屋顶、户用屋顶的光伏系统和小型风场、户用风机可很方便地在低压侧入网，形成分布式能源；中小型水电在6千伏、400伏系统能形成区域网络供电，也可视作分布式能源系统，可以在低压侧入网，也可经变压器在高压侧入网。

　　二 勘察实例
在水电站安装光伏，和在楼宇建筑物上一样，无非是在水工建筑物上来完成。

中小水电站具有建设光伏发电十分有利的条件。水电站地域宽广，除发电厂房本身就是建筑屋顶外，还可利用山坡、空地，水工建筑（如大坝、渠道）甚至水库库面（浮标形式），这些围绕发电站的周边地区都可成为光伏电池板的安装场所。曾对有代表性的浙江两个水电站进行实地勘测，并对其中一个电站进行了方案设计。
1 浙江遂昌大溪坝水电站。该电站设有水库，两级开发。利用山坡和厂房屋顶可安装550kw光伏设备。图1为浙江遂昌大溪坝水电站利用发电厂房和山坡“马道”（在山坡上开筑可供安装、维护光伏设备的通道）安装光伏电池板的效果图。图2为山坡开挖示意图。方案一为山坡马道500kw高压侧并网系统原理图，方案二为山坡马道5x100kw低压侧并网系统原理图，另图为厂房屋顶50kw采用低压侧并网系统原理图。
2 浙江江山峡口贺村电站。该电站为径流式电站，可安装光伏电池板的引水灌渠（水槽）总长约1公里，为钢筋水泥材质，半圆形断面，设有水泥支撑（见图3），在上面就可安装约250kw光伏电池板。电站附近还有可利用荒地约8000㎡，初步估算利用水工建筑和空地，可安装1.2MW的太阳能电池板。该电站现有水电装机为3x600KW=1.8MW，6kv母线输出，经升压为35kv电压并网。如建设光伏，光伏装机容量已相当于2/3电站水电装机的容量，这对电站扩容、运行状况的改善、经济效益的提高都将起到十分显著的作用。
三 分析
光伏和水电各自在能源上的特点，水电站本身的条件，都十分有利于水-光互补系统的构建。所谓互补，主要是是指在能源利用上彼此可以相互补充，平衡电网需求；在电站建设、输变电设备上可以共用，提高设备使用效率；在构建微电网系统上，可以利用水库来达到储能的要求。

1 水能和太阳能都是可再生能源，来自大自然的能量本身就有循环性和互补性。炎阳时节，太阳在地球上蒸发水汽，遇冷形成雨雪，在阴雨季节时重新回归地球，汇集成江河水流，利用落差即能形成水能。这一阳一阴，一晴一雨，在物态循环变化的同时，演绎着能量的转换。在水能充沛之时，正是阴云蔽日，太阳能缺少的时节；在赤日炎炎，太阳能发力之时，也正是江河干枯，水能乏力之日。年日照时间和年阴雨时间是互相对应的，年光伏发电小时和年丰水发电小时在时段上则是互补的。大自然的这种造化给我们的启示是，顺应自然规律，发现并利用其内在共存的规律，在两种能源的利用上，可以写出水-光互补的精美篇章。
2 规划建设水电站，无论公路、桥梁，厂房，还是馈电、升压等电气设施、输电线路等，这些都是建设光伏电站所必需。因此，完全可以利用水电站已有的设施，为光伏发电所用，在“可互补”时段内轮用，或在两者同时发电时共用，充分利用现有电气设备的“过安装容量”以获得良好的效益。因此，在水电站安装光伏设备，比单独建设光伏电站，除了不需要新征土地外，建设和设备投资也都将明显节省。

3 水-光系统可以利用水库调节作用，利用水电机组的控制系统，使光能得到充分利用，在某种程度上，作为微电网，达到网络内电力、电量的平衡。
为了充分利用太阳能，首先让光伏设备全额输出，电网需求的不足部分由水电设备提供。可以应用水电设备的控制系统（调速器、导水机构、阀门和励磁装置等）来实现这一目标。水库本身就是个天然储能器，光伏发电节省的水资源，将由水库储存，达到“细水长流”的目的，当然，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，光伏设备可以做为电站扩容，在枯水期时平衡电力，在丰水期时增加出力。

4 充分利用光伏逆变器的功能，实现无功调节，以实现水电机组最大功率输出。

水电站发电机的功率因数，通常设计为0.8，具有承担电网无功功率的能力。不足时，电网还需要增配电容、调相机，以保持电网电压稳定。在水电站，在汛期或电网有需要时，要求发电机在功率因数为1的状态下运行，以达到少弃水、不弃水或短时多发电的需要，这时发电机的功率为最大输出功率。在水-光系统中，可利用光伏逆变器在有功输出不足（弱光时）时，增大无功输出来达到，夜晚（太阳能无输入）更是可以利用逆变器来全额发出无功功率，以满足电网对无功调度的要求，充分保证发电机能实现最大功率输出，为电站增加经济效益。在浙江滩坑水电站的光伏方案中，对此也已有专门的叙述。（见参考资料2）。
5 投资初析
目前中小水电建设投资，按照不同形式和不同容量等级单位千瓦的平均投资约为8000-12000元， 年发电小时平均约为2500—4000小时。

光伏设备的价格，近年来已有大幅度下降，目前单位千瓦设备的投资已在1万元以下。已可和水电投资媲美，甚至低于水电建设的投资。

投资回收期取决于投资额和年发电小时和电价，而对水电上网电价，一直是业内关注并有争议的问题。由于电站投资随不同地区、不同机组类型有较大的差异，年发电小时也随地理条件有所不同，而且水电站的建设不仅在于发电量，往往又与水利建设统筹考虑，要求发挥灌溉、防洪等综合效益。这里以已建成发电的上网电价作为基准值来进行讨论。

光伏资源和水电资源均随地区而变化，如在太阳能一般地区（浙江），年发电时间为1300-1700小时，而在该地区的水电站年发电时间可达3000-4000小时，如果两者投资相当，显见需要对光伏发电电价给予加倍补贴，这样电站才有积极性；对光照资源相对好西部、北部的地区，年发电时间为 2000-2500小时，已和该地区水电年发电小时相当，其电价补贴就可相应减少。

因此，需要在政策鼓励下，在实践中加以分析和完善，根据不同地区，制定合理的光伏补助政策，使水电站的光伏投资至少达到和现有水电站相近的回报，以充分利用资源，有力促进水-光互补发电系统的构建。

　　　四结论
1 在水电站建设光伏电站，无论从投资上，还是从运行上都具有十分有利的条件，利用水电站控制、储能（具有水库时）条件形成水-光互补系统，促进微电网的建设，使光伏分布式能源得到更好的利用；对径流式和其它形式的水电站，光伏设备对电站扩容、满足电网电量需要、提高设备运行利用率也都是有利的。因此，在光照适宜地区，构建水-光互补分布式发电系统，都将明显提高电站的经济效益。

2 利用光伏逆变器的调相功能，在水-光互补系统中，使水轮发电机组能在最大输出功率下运行，提高水电站运行效益；又为电网无功调节创造条件。这是水-光互补系统实现“自我治理”，充分发挥光伏逆变器功能的又一成效。

3 鉴于光伏投资水平和水电建设已可媲美，但由于发电小时还不如水电稳定，因此要从电价补贴上予以鼓励。如能和光伏地面电站、屋顶工程享有同样的扶植政策，水-光互补系统的推广将是现实。

在电站勘察过程中，浙江水利电力勘测设计院资深水电专家顾明福、该院水电室总工及技术人员，遂昌大溪坝水电站、浙江江山峡口水库管理局总工姜美武等一起在现场，共同探讨水-光互补发电系统的发展前景。在完成本文的时候，谨对他们的努力和帮助表示谢意！

　　　参考资料：

1 我国太阳能资源分布概述 马月 2013年3月 索比太阳能光伏

2 农村水能与太阳能混合发电系统的设计及应用 张仁贡 农业工程学报2012年14期

3 中国水力发电电能上网价格及成本综合分析 百度文库

　　　作者简介：
许国清，教授级高工，公司顾问。
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倪东新 正泰电源系统公司 系统工程部经理 工程师
王苇 正泰电源系统公司 系统工程部总监 高工