基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬的靈活性資源配置方法

馬鑫

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011）

0 引言

大力發(fā)展新能源，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]是助力國(guó)家“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的必然選擇[2-3]?？紤]“十四五”期間電源裝機(jī)、負(fù)荷水平增長(zhǎng)，風(fēng)電、光伏等隨機(jī)性、波動(dòng)性電源占比的增加，進(jìn)一步加深了電網(wǎng)電量總體富余但時(shí)空分布不均的特征[4]，致使午間光伏大發(fā)期間新能源出力超過(guò)電網(wǎng)調(diào)峰能力和局部斷面送出能力而被迫棄電，晚高峰新能源小發(fā)期間無(wú)法滿足電網(wǎng)內(nèi)部供電及外送需求，導(dǎo)致需通過(guò)省間斷面購(gòu)電或采取回降直流功率等措施，電力平衡安排和新能源消納愈加困難。為此，需大范圍配置靈活性資源跟隨負(fù)荷變化，并平衡新能源出力的大幅波動(dòng)[5-6]。作為靈活性資源中建設(shè)周期短、見(jiàn)效快的措施[7]，火電機(jī)組靈活性改造[8-9]、多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置[10-11]及需求側(cè)響應(yīng)[12]受到廣泛關(guān)注并被大規(guī)模應(yīng)用于高比例新能源接入地區(qū)。

面對(duì)電力平衡緊張和新能源消納困難的挑戰(zhàn)，部分學(xué)者及專家針對(duì)電力平衡及靈活性資源容量配置進(jìn)行了深入研究：文獻(xiàn)[13-15]基于儲(chǔ)能容量對(duì)新能源消納的影響分析，提出了提升新能源消納的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能容量配置策略；文獻(xiàn)[16]提出基于設(shè)備運(yùn)行壽命內(nèi)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性考慮的梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法；文獻(xiàn)[17-18]提出儲(chǔ)能與電網(wǎng)或是新能源的聯(lián)合規(guī)劃，提高了新能源消納水平及電網(wǎng)運(yùn)行的頻率安全性；文獻(xiàn)[19-20]提出計(jì)及供電可靠性的儲(chǔ)能電站選址定容規(guī)劃方法，利用儲(chǔ)能設(shè)備提高了電力系統(tǒng)負(fù)荷供電的可靠性；文獻(xiàn)[21-22]提出基于電力平衡分析的儲(chǔ)能電站規(guī)劃方法，利用儲(chǔ)能設(shè)備提高了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。以上文獻(xiàn)通過(guò)典型場(chǎng)景或是隨機(jī)生產(chǎn)模擬，實(shí)現(xiàn)了需求側(cè)響應(yīng)或多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置容量的優(yōu)化配置，但均未同時(shí)考慮全時(shí)序場(chǎng)景下電網(wǎng)電力平衡需求及新能源消納需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活性資源對(duì)電源出力不確定性和負(fù)荷增長(zhǎng)的平衡及匹配。

綜上所述，針對(duì)高比例新能源接入、多直流送端電網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展面臨的電力平衡緊張問(wèn)題，需在新建直流規(guī)劃過(guò)程中考慮其電力平衡需求及新能源消納需求，在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景中基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)算，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置配置容量，引導(dǎo)多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置、需求側(cè)響應(yīng)等電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)資源有序發(fā)展，提升電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力，全力保障電力可靠供應(yīng)及直流外送和新能源高比例消納。

1 靈活性資源全時(shí)序生產(chǎn)模擬配置方法

未來(lái)風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量將成為網(wǎng)內(nèi)第一大電源，其出力占電源總出力的比例越來(lái)越高，但由于其出力的波動(dòng)性，使其不易納入宏觀層面的電力平衡測(cè)算，需要開(kāi)展精細(xì)度更高的電力平衡及調(diào)峰需求測(cè)算。實(shí)際運(yùn)行中大量風(fēng)電出力、光伏出力、水電出力、負(fù)荷數(shù)據(jù)、調(diào)峰數(shù)據(jù)、直流曲線等歷史數(shù)據(jù)，為基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬的電力平衡與新能源消納需求測(cè)算的開(kāi)展及其靈活性資源配置策略的提出創(chuàng)造了條件。

1.1 電力缺口需求新能源受阻電力計(jì)算

受制于火電最小技術(shù)出力[23]，新能源總出力PN小于新能源消納空間。其中，新能源消納空間等于電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-電網(wǎng)總調(diào)峰深度∑fkSH,k；同時(shí)，受新能源多級(jí)送出斷面制約，新能源總出力PN往往小于其理論最大可發(fā)出力eSN，如式（1）所示：

式中：fk—具備調(diào)峰能力機(jī)組的調(diào)峰深度；

SH,k—具備調(diào)峰能力機(jī)組的裝機(jī)容量；

k—具備調(diào)峰能力的機(jī)組；

e—考慮多級(jí)斷面受阻后的新能源理論最大同時(shí)率；

SN—新能源總裝機(jī)容量。

在新能源出力較小時(shí)段內(nèi)，若火電機(jī)組最大出力無(wú)法滿足負(fù)荷供應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生電力缺口，因此火電總出力PH≤火電總出力空間。其中，火電總出力空間=電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-新能源實(shí)際總出力PN；同時(shí)，受制于實(shí)際開(kāi)機(jī)容量（受機(jī)組檢修及出力受阻影響），火電總出力PH往往小于其最大可調(diào)容量（即火電總?cè)萘?檢修容量-受阻容量），如式（2）所示：

式中：ST,k—火電機(jī)組的受阻容量（受煤質(zhì)差或設(shè)備老舊或送出斷面受限）；

SJ,k—火電機(jī)組的檢修容量，若其停機(jī)則其檢修容量為其容量。

1.1.1 電力缺口需求計(jì)算

隨著負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)及新能源出力波動(dòng)幅度持續(xù)加大，考慮火電機(jī)組檢修及出力受阻后，將存在較大電力缺口。此時(shí)，電力缺口PD=電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-新能源總出力PN-火電總出力PH，如式（3）所示：

1.1.2 新能源受阻電力計(jì)算

考慮電網(wǎng)調(diào)峰能力限制后，部分時(shí)段新能源出力將存在較大的受阻。此時(shí)，新能源受阻電力PX=新能源理論最大可發(fā)出力eSN-新能源總出力PN，如式（4）所示：

圖1 累計(jì)缺口電量及新能源受阻累計(jì)棄電量

通過(guò)上述方法，對(duì)每15 min 一個(gè)點(diǎn)，全年35 040個(gè)點(diǎn)進(jìn)行電力平衡計(jì)算，得到全年中每15 min的電力缺口和新能源受阻電力數(shù)據(jù)。對(duì)連續(xù)出現(xiàn)的每15 min 電力缺口進(jìn)行積分，得到全年發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量、發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時(shí)段及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到全年發(fā)生的單次最大累計(jì)缺口電量、不同累計(jì)缺口電量的概率、電力缺口最大持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的概率。

同樣地，對(duì)連續(xù)出現(xiàn)的新能源受阻電力進(jìn)行積分，得到全年發(fā)生新能源受阻的累計(jì)受阻電量、發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時(shí)段及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)發(fā)生新能源受阻的累計(jì)受阻電量及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到全年發(fā)生的單次最大累計(jì)受阻電量、不同累計(jì)受阻電量分布的概率、新能源受阻最大持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的概率。

1.2 靈活性資源全時(shí)序生產(chǎn)模擬的概率配置

受制于電力缺口的累計(jì)缺口電量、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，儲(chǔ)能裝置的配置容量與儲(chǔ)能裝置放電時(shí)長(zhǎng)的乘積應(yīng)大于一定概率限額的累計(jì)缺口電量值。受制于新能源累計(jì)受阻電量及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，儲(chǔ)能裝置的配置容量與儲(chǔ)能裝置充電時(shí)長(zhǎng)的乘積應(yīng)該大于一定概率限額的新能源累計(jì)受阻電量。

由于電力缺口的累計(jì)缺口電量和新能源累計(jì)受阻電量均大小滿足正態(tài)分布，其數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)發(fā)生的概率越小。為滿足所有電力缺口或解決所有新能源受阻，儲(chǔ)能裝置需配置的容量較大且利用率較低；因此，需通過(guò)一定概率限額對(duì)應(yīng)的累計(jì)缺口電量或累計(jì)受阻電量，綜合考慮電力平衡需求,新能源利用率提升需求和儲(chǔ)能利用小時(shí)數(shù)，最終給出滿足一定概率條件下的累計(jì)缺口電量或累計(jì)受阻電量需要的儲(chǔ)能容量。

儲(chǔ)能容量確定后，剩余無(wú)法滿足的累計(jì)缺口電量需通過(guò)省間電力互濟(jì)或需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行滿足。省間電力互濟(jì)能力與需求側(cè)響應(yīng)容量為互補(bǔ)關(guān)系，若省間或區(qū)域間無(wú)潮流互濟(jì)能力時(shí)，應(yīng)通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)以滿足電力平衡需求。由于實(shí)際調(diào)控運(yùn)行策略存在不確定性，準(zhǔn)確評(píng)估需求側(cè)響應(yīng)的配置容量存在較大難度。較為合理的方案是通過(guò)電網(wǎng)電力平衡能力評(píng)估以確定需求側(cè)響應(yīng)的配置容量，以滿足所有電力缺口及調(diào)用需求側(cè)響應(yīng)功率最小為原則，優(yōu)先采取儲(chǔ)能裝置放電以滿足部分電力缺口，采取需求側(cè)響應(yīng)覆蓋其余電力缺口。受制于單次電力缺口的累計(jì)缺口電量及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，單次電力缺口需要配置的需求側(cè)響應(yīng)容量與單次電力缺口的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)之積應(yīng)等于累計(jì)缺口電量值減去儲(chǔ)能裝置單次最大放電量。為滿足所有電力缺口，需求側(cè)響應(yīng)的配置容量SR應(yīng)大于每一次電力缺口需要配置的需求側(cè)響應(yīng)容量，如式（5）所示：

式中:Wi—第i次發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量;

△ti—第i次電力缺口的持續(xù)時(shí)長(zhǎng);

Fi—儲(chǔ)能裝置單次最大放電量，其值小于儲(chǔ)能裝置的最大放電功率Pf,max與單次電力缺口的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)之積，且小于儲(chǔ)能裝置的最大放電深度Ef,max，其公式如式（6）所示：

2 算例分析

利用水電、風(fēng)電、光伏、負(fù)荷、直流外送功率歷史曲線，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，生成未來(lái)規(guī)劃年的運(yùn)行曲線，通過(guò)每日96 點(diǎn)、每年35 040 點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)2025年全年電力平衡進(jìn)行精確模擬測(cè)算。

全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量分布情況如圖2所示。全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量主要集中在單日19：00-07：00 時(shí)段，且最大單時(shí)段累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在單日的20：00。

圖2 全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量分布

全年月度累計(jì)缺額電量分布情況如圖3 所示。全年各月累計(jì)缺額電量主要集中在4-9月以及12-1月份部分時(shí)段，且最大累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在12月份。

定論已下，我再也沒(méi)有力量去為自己說(shuō)些什么了。這個(gè)男人冷漠而又不失禮節(jié)的口吻，讓我清楚地意識(shí)到，自己的表現(xiàn)已經(jīng)糟糕得甚至不值得讓他去征求一下皮埃爾先生的意見(jiàn)。

圖3 全年各月累計(jì)缺額電量分布

全年缺額電力分布情況如圖4所示。缺額電力發(fā)生次數(shù)大部分集中在3 GW 以內(nèi)，約占缺額電力總發(fā)生次數(shù)的80%，4 GW以內(nèi)的電力缺額發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的93%。

圖4 缺額電力分布情況

全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量分布情況如圖5所示。全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量主要集中在單日8：00-16：00 時(shí)段，且最大單時(shí)段累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在單日11：00。

圖5 全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量分布柱狀圖

月度新能源累計(jì)受限電量分布如圖6 所示。全年各月新能源累計(jì)受限電量主要集中在1-7、9-12 月份部分時(shí)段，且新能源累計(jì)受限電量出現(xiàn)在2月份。

圖6 全年各月新能源累計(jì)受限電量分布

對(duì)新能源受限電力分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。新能源受限電力大部分集中在3 GW以內(nèi)，其中3 GW 以內(nèi)新能源受限電力占總受限次數(shù)的70%；90%總受限次數(shù)的新能源受限電力在5 GW以內(nèi)。

圖7 新能源受限電力分布情況

全年202個(gè)時(shí)段存在電力缺額，連續(xù)缺額時(shí)段最長(zhǎng)可達(dá)12.75 h，最短為0.25 h。最大連續(xù)累計(jì)缺額電量達(dá)23.43 GW·h，連續(xù)缺額時(shí)長(zhǎng)12.75 h。累計(jì)缺額電量累計(jì)概率如圖8所示。

圖8 連續(xù)時(shí)間累計(jì)缺額電量累計(jì)概率曲線

儲(chǔ)能電站按2 h 放電時(shí)長(zhǎng)考慮，為滿足不同概率場(chǎng)景的電量缺額，儲(chǔ)能電站及省間互濟(jì)或需求側(cè)響應(yīng)配置需求容量如表1 所示。考慮滿足90%概率場(chǎng)景的電量缺額需求，需配置儲(chǔ)能容量6 GW?？紤]6 GW 儲(chǔ)能容量配置后，需配置需求側(cè)響應(yīng)容量1.73 GW，以滿足儲(chǔ)能裝置無(wú)法滿足的剩余累計(jì)缺口電量。

表1 考慮電力平衡需求的靈活性資源配置容量

經(jīng)測(cè)算全年366個(gè)時(shí)段存在新能源出力受限，連續(xù)受限時(shí)段最長(zhǎng)可達(dá)15.5 h，最短為0.25 h；新能源最大連續(xù)受限電量86.14 GW·h，最大連續(xù)受限時(shí)長(zhǎng)15.5 h。新能源累計(jì)受限電量累計(jì)概率如圖9所示。

圖9 連續(xù)時(shí)間新能源累計(jì)受限電量累計(jì)概率曲線

儲(chǔ)能電站按2 h 充電時(shí)長(zhǎng)考慮，為緩解不同概率場(chǎng)景的新能源受限，儲(chǔ)能電站配置需求容量如表2 所示?？紤]滿足80%概率場(chǎng)景的新能源受阻緩解需求，需配置儲(chǔ)能容量6.5 GW。

表2 考慮新能源消納需求的靈活性資源配置容量

綜上可知，考慮6 GW 儲(chǔ)能容量配置后，滿足78%概率場(chǎng)景的新能源受阻緩解需求，新能源消納率可達(dá)95%以上。

考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，可預(yù)見(jiàn)我國(guó)用電負(fù)荷仍將保持中速增長(zhǎng)；能源稟賦條件決定了我國(guó)必須進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展新能源。通過(guò)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景中電力平衡需求及新能源消納壓力的經(jīng)濟(jì)性測(cè)算，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置配置容量，實(shí)現(xiàn)靈活性資源對(duì)電源出力不確定性和負(fù)荷增長(zhǎng)的平衡及匹配，提升電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高比例新能源接入、多直流送端電網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展面臨的電力平衡緊張問(wèn)題，提出考慮新建直流規(guī)劃電力平衡需求及新能源消納需求的靈活性資源配置方法，基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬的經(jīng)濟(jì)性測(cè)算，為滿足連續(xù)時(shí)間的累計(jì)缺口電量及新能源受阻累計(jì)棄電量，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置配置容量，實(shí)現(xiàn)靈活性資源對(duì)電源出力不確定性和負(fù)荷增長(zhǎng)的匹配，引導(dǎo)多類(lèi)型儲(chǔ)能裝置、需求側(cè)響應(yīng)等電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)資源有序發(fā)展，全力保障電力可靠供應(yīng)和新能源高比例消納。