光伏发电出力由于受气象环境因素影响而具有随机波动性特征，大规模接入会增加电网的功率波动，从而对电网的安全稳定运行造成威胁，这是影响光伏发电规模化发展的重要因素。水光互补是促进光伏并网消纳的一种重要的运行方式，其关键在于如何利用水电站有效的调节能力平滑光伏发电出力的随机性特征，使其能够安全并网。

国内外学者已针对水光等多能互补问题开展了许多研究，主要集中在运行特性、互补机理、调度模型、容量配置、调度策略以及光伏对水电运行情况的影响等方面。

在研究对象方面，鉴于光伏的剧烈频繁波动，一般以调节能力较好的水电（季及以上蓄水调节能力）为互补电源，几乎没有研究日调节电站的。例如龙羊峡水光互补项目中，光伏的互补电源龙羊峡水库具有多年调节能力。有的学者研究的风光互补电源为雅砻江流域下游“二库五级”梯级水电，其中锦屏一级具有年调节能力，二滩水库具有季调节能力。

然而季调节及以上调节能力的水电较少，难以满足“取之不尽用之不竭无处不在”的光伏发电的互补需求，这是作为分散式开发的庞大数量梯级小水电站群的发展契机，而梯级小水电的调节能力较弱，如何使其能够调节更多的光伏发电值得深入探讨。

水光互补调度模型的目标已经逐步从单目标向多目标发展。目标函数的类型主要有最大化发电产出、最小化出力波动、最节能以及效益最优四类。其中发电产出类包括互补系统发电量最大化、光伏发电最大化等；最节能型主要有水电蓄能最大化或弃能电量最小化；效益最优主要包括发电收益最大化和系统运行成本最小化。

最小化出力波动是最常用的目标，多目标的水光互补调度模型常将最小化出力波动与其他类型的目标组合，只是波动性指标及其具体的目标函数形式不同，目前比较常用的指标及其表达式见表1。这些度量波动的指标都是将整个计算周期作为整体来研究的。

表1 常用的波动性指标

1、光伏发电出力特征

光伏发电出力常表现出显著的波动性，这种波动性是固有波动、随机波动和间歇波动的叠加。光伏发电曲线在时间上可分为可发电时段和不可发电时段。固有波动指光伏发电出力在一日之内可发电时段表现出的抛物线型的波动，即出力从0逐渐增加到峰值，再由峰值逐步降低为0，这是由太阳辐照度在一日之内的变化规律决定的。

随机波动是指太阳辐射受到云层的随机性的短时间遮挡而造成光伏发电出力骤然增大或降低，在出力曲线上表现出的随机的锯齿形波动。地球的自转产生了昼夜交替现象，光伏发电由于受太阳辐照度的直接影响形成了夜间发电出力为0、白天发电的周期性现象，即存在昼夜之间间歇发电波动特性。

晴天、多云、阴雨天等不同的天气情况下光伏发电出力曲线具有显著的差异性，如图1所示。但从出力曲线整体来看，无论是哪种天气类型，均表现出极差大、变化率大、间歇性强的特性，且出力较大时段一般出现在正午时分。

为了更好地表征光伏发电的出力特征，有学者将光伏功率输出范围划分成不同的出力状态，进而分析各状态下输出功率的持续时间分布、波动等特性，这是一种考虑光伏出力局部特性的方法，为水光互补调度提供了一种新思路。

图1 不同天气情况下光伏发电的典型出力曲线

2、水电的可调节能力

水库本身具有一定的调节能力，常采用库容系数β来衡量水库的调节能力。库容系数是水库调节库容与多年平均来水量的比值，与水库调节能力通常呈正相关，即调节能力随着库容系数的增大而增大，二者的对应关系见表2。

表2 库容系数与调节能力的对应关系

在水光互补发电系统中，水电的主要作用是作为互补电源，协调水光总出力，降低光伏出力波动对电网安全的影响，此时水电的可调节能力可由水电能够接纳的光伏发电相邻时段出力差的最大值来反映。

一般来说，水库本身的调节能力越好，则其可调节的光伏出力波动越大；而在光伏出力一定的情况下，水电的调节能力越好则意味着水电能够更好地补偿光伏的出力差，使得水光总出力更平稳，同时也能尽量减少水光互补系统的弃电（弃水和弃光）量。

3、水光互补机理解析

“互补”指不同系统之间互相补充，以提高系统的功效。而系统功效的提升取决于两个方面：强化优势和弥补短板。因此水光互补机理可以从增优互补效应和补短互补效应两个方面来解析。为此本文首先对水电和光伏发电的优劣势进行分析，对比结果见表3。

表3 水光的优劣对比

水光补短互补，就是要弥补出力波动性的缺陷，主要指水电对光伏发电的出力补偿，这是水光互补的主要目标。

光伏发电的波动包含随机波动、固有波动和间歇波动三个层次，因此水电对光伏的补偿也涵盖了三个方面：一次补偿消除锯齿状的随机波动，尽可能填补可发电时段的光伏发电出力缺口，使出力曲线尽可能与无云的晴天的典型曲线逼近；二次补偿在一次补偿的基础上进一步调节光伏可发电时段的固有波动，以形成可发电时段的稳定功率输出；三次补偿在前两个层次的基础上填充夜间的间歇波动，即曲线上出力为0的部分，从而使光伏发电在一日之内的发电出力平稳。

水电补偿光伏发电的示意图如图2所示。另一方面，光伏发电对水电也有补短板的功效，主要体现在光伏对水电枯水季节的电量补充，以改善水电丰枯季节悬殊的特性。水光增优互补主要体现在系统调峰能力的增强。水电由于其灵活性，常参与负荷调峰。

光伏发电接入后，在辐照度充裕的时段（暂且称为富光时段），较大的光伏发电出力是水电参与调峰的有力补充，同时水电可将多余的水存于库中，以增加水电在非富光时段的调峰能力。

图2 水电补偿光伏发电的示意图

本文编自《电工技术学报》，原文标题为“计及发电量和出力波动的水光互补短期调度”，作者为朱燕梅、陈仕军 等。