高比例新能源電力系統(tǒng)靈活性資源充裕性評估分析

蔡文斌，程曉磊 ，南家楠，呂海霞，李曄，李靜宇

（1.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

隨著我國30，60碳達峰和碳中和目標(biāo)的提出，未來電力系統(tǒng)中新能源的比例會得到進一步提升，同時高比例的新能源接入給電力系統(tǒng)的安全性、充裕性帶來新的挑戰(zhàn)。但是電網(wǎng)原有的發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)并沒有得到與之相適應(yīng)的發(fā)展來應(yīng)對新能源的高滲透率，不能為電網(wǎng)的靈活性提供有效的支撐。由于以新能源為代表的分布式電源的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行條件更加易變和不確定[1]。隨著新能源發(fā)電的增長，需要更深入地研究高比例新能源發(fā)電接入對于電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性的影響。由于新能源（如風(fēng)能和太陽能）的出力不確定性，使得電力系統(tǒng)的運行和控制變得更為復(fù)雜。大量新能源的并網(wǎng)將從秒級、小時級、日內(nèi)等多種時間尺度上對電力系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響[2]。

在新能源滲透率逐年升高的情況下，系統(tǒng)內(nèi)資源充裕性評估需要靈活應(yīng)對負(fù)荷需求的變化。傳統(tǒng)的資源充裕性評估方法如失負(fù)荷率（loss of load probability，LOLP）、失負(fù)荷期望（loss of load expectation，LOLE）等可以很好地評估包括備用在內(nèi)的最大供電能力，但不能從靈活性的角度評估資源充裕性。因此如何對系統(tǒng)的靈活資源充裕性進行評估成為了當(dāng)今電力系統(tǒng)的熱點研究之一[3]。

近年來在電力系統(tǒng)靈活性資源及系統(tǒng)充裕性評估方面已經(jīng)有學(xué)者展開了一定研究并取得了相應(yīng)的成果。文獻[4]基于靈活性供需平衡機理，提出了廣義靈活電源的概念，并建立了計及靈活性資源的雙層統(tǒng)籌規(guī)劃模型；文獻[5]提出了一種基于近鄰傳播算法（affinity propagation，AP）聚類和兩階段魯棒優(yōu)化的電網(wǎng)規(guī)劃靈活性評估方法及基于時間斷面的規(guī)劃評估性指標(biāo)。文獻[6]通過建立電力系統(tǒng)向上/下發(fā)電容量不足指標(biāo)來描述電力系統(tǒng)的發(fā)電容量充裕度和靈活性。以上幾類研究多以新能源為研究對象從電源的角度對系統(tǒng)的靈活性進行刻畫，而忽略了電力負(fù)荷的靈活性。

綜上所述，在計及靈活性資源的系統(tǒng)充裕性方面的研究目前還處于摸索階段。電力系統(tǒng)資源充裕評估的基本問題是確定電力系統(tǒng)應(yīng)增加的發(fā)電機的類型和數(shù)量，以使未來的負(fù)荷需求能夠以最小的成本得到滿足，并滿足系統(tǒng)的可靠性要求。由于資源充裕性評估問題涉及的是一個長期的規(guī)劃，因此這類問題中不可避免地包含了許多不確定因素。此外，由于新能源滲透率的不確定性，使得電力系統(tǒng)資源充裕性評估變得更加困難。

本文提出一種用于評估高比例新能源接入電力系統(tǒng)的靈活資源充裕性的方法。該方法可以根據(jù)新能源的負(fù)荷需求（凈負(fù)荷）持續(xù)時間來評估靈活的容量需求。該方法可以用于評估靈活性資源在電力供應(yīng)的充裕性。還可以用于分析充裕性和生產(chǎn)成本之間的平衡關(guān)系。

1 靈活性資源充裕性評估方法

系統(tǒng)靈活性資源充裕性評估方法的概念如圖1所示，該方法包括4個方面：可再生能源的負(fù)荷需求分析、考慮新能源接入的資源充裕性評估、靈活性容量需求評估以及考慮備用容量的生產(chǎn)成本研究。該方法的目的是確定經(jīng)濟性和可靠性之間的關(guān)系，如常規(guī)發(fā)電、抽水蓄能電站和聯(lián)絡(luò)線等。計及電力系統(tǒng)靈活性的可靠性指標(biāo)可以通過考慮電力系統(tǒng)靈活性的資源充足性評估（靈活容量需求評估）和考慮備用容量[7]的生產(chǎn)成本研究之間的權(quán)衡關(guān)系來分析。

圖1 靈活資源充足率評估方法的內(nèi)涵Fig.1 Implications of a flexible resource adequacy assessment methodology

這里考慮權(quán)衡分析的參數(shù)是火電、抽水蓄能發(fā)電和并網(wǎng)輸電線路等資源的靈活容量和爬坡速度，通過凈負(fù)荷變化的幅度和速度的持續(xù)曲線來反映系統(tǒng)凈負(fù)荷變化。

1.1 新能源電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求分析

在分析新能源電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求時，凈負(fù)荷可以分解為負(fù)載率、負(fù)載的持續(xù)波動[8]，這里波動的幅度和速度可以轉(zhuǎn)換成持續(xù)時間曲線，并根據(jù)獲得的持續(xù)時間曲線來研究靈活性容量的需求。假設(shè)不考慮凈負(fù)荷的連續(xù)性并且電力系統(tǒng)靈活性評估的效果可以通過電力系統(tǒng)運行方式來校驗[9]。

在分析例如大規(guī)模太陽能發(fā)電接入的新能源電力系統(tǒng)的凈負(fù)荷波動時，我們通常采用“鴨型曲線”[10]的分析方法，鴨型曲線變化的形狀可以被視為凈負(fù)荷的下降和上升。通過鴨型曲線可以得到峰值需求與新能源生產(chǎn)之間的時間不平衡關(guān)系，并以此來評估靈活性容量需求。圖2給出了典型的鴨型曲線的形狀。鴨型曲線運行中可能的備用容量是否充足，可以通過靈活性能力需求評估指標(biāo)進行評估。

圖2 鴨型曲線Fig.2 Duck curve

1.2 計及新能源的資源充裕性評估

現(xiàn)有的新能源置信容量的評估方法主要通過有效承載能力（effective load carrying capability，ELCC）[11]來表示，這里ELCC考慮了新能源出力的不確定性。然而在大量新能源接入系統(tǒng)的情況下，電力系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致大量新能源出力下降。

為此我們提出了的新能源供電可靠性的指標(biāo)。該指標(biāo)用有效承載能力來計算計及新能源的強制停電率的新能源發(fā)電置信容量，并類比于常規(guī)發(fā)電機組的供電能力和LOLP/LOLE指標(biāo)。在給定年凈負(fù)荷持續(xù)時間曲線（即提供每個凈負(fù)荷的發(fā)生概率）的情況下，計及新能源強迫停電率的LOLP可由下式計算：

式中：Pr(Ck-Ek)為新能源在負(fù)荷水平Ek下計及強迫停電率的系統(tǒng)供電不足概率；Ek為持續(xù)時間k的負(fù)荷水平；Ck為在持續(xù)時間k內(nèi)使用新能源的供電容量；Pr(Ek)為負(fù)荷水平Ek出現(xiàn)的概率。

1.3 靈活性容量需求評估

靈活的容量需求評估方法是基于與傳統(tǒng)的概率評估方法（如LOLP/LOLE）的類比[12]。該方法可以通過凈負(fù)荷負(fù)載率的幅度和速度的持續(xù)曲線對備用容量是否充足進行評價。該方法以失備用概率（loss of reserve capacity probability，LORP）作為備用容量是否充足的指標(biāo)。在給定每周或每天凈負(fù)荷負(fù)載率的幅度和速度的持續(xù)時間曲線的情況下，LORP可由下式計算得到。

式中：Pr（RCk-RRk）為在必要的靈活性容量水平上Rk的備用不足概率；RCk為持續(xù)時間k的備用容量；RRk為持續(xù)時間k必要的靈活性容量；Pr（RRk）為必要的靈活容量RRk出現(xiàn)的概率。

2 考慮備用的生產(chǎn)成本函數(shù)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)成本法研究可以很好地評估由發(fā)電機固定成本和可變成本組成的年度總成本，然而這些方法不能用于評估發(fā)電機所帶部分負(fù)荷運行中由于有效容量和發(fā)電效率損失而產(chǎn)生的額外成本。

本文提出了一種考慮備用容量的生產(chǎn)成本法。在給定發(fā)電機組合的情況下，所提出的方法可以提供供電容量的等效成本函數(shù)，并可以將備用容量的額外成本作為等效成本函數(shù)中固定成本和可變成本的增量成本，等效成本如圖3所示。

圖3 年生產(chǎn)成本的等效成本函數(shù)Fig.3 Equivalent cost function for annual production costs

供電容量的函數(shù)可以通過求解一種最優(yōu)的系統(tǒng)機組組合問題的逆問題來推導(dǎo)。假設(shè)所有的可變成本給出的都是發(fā)電機和參考發(fā)電機的固定成本。這里給定一個時間段（如1 a）備用容量的平均值，因此計及備用容量的發(fā)電機修正后的固定成本可由下式計算得到：

式中：Rave為在k=1，2，…，n的時間段內(nèi)的備用容量R的平均值；b為計及發(fā)電機的固定成本的修正后備用容量的固定成本，元/MW；b′為等效成本函數(shù)中發(fā)電機的固定成本，元/MW；Rk為某一時期k的備用容量，MW。

3 算例分析

本文以一個典型電力供需平衡場景為例，對所提出方法的概念進行了仿真，該問題有常規(guī)火電機組、燃?xì)鈾C組、水電機組、抽水蓄能發(fā)電機組等6種資源。表1為各類電廠參數(shù)。

表1 各類電廠參數(shù)Tab.1 Various types of power plant parameters

首先對大規(guī)模新能源接入的凈負(fù)荷負(fù)載率波動的靈活容量需求評估進行分析。圖4為某地區(qū)的年凈負(fù)荷曲線，其中最大負(fù)荷需求為40 261 MW，光伏發(fā)電總額定容量為24 888 MW。圖5所示為日凈負(fù)荷曲線，其有典型的“鴨型曲線”年凈負(fù)荷的特點。

圖4 年凈負(fù)荷曲線Fig.4 Annual net load curve

圖5 日凈負(fù)荷曲線Fig.5 Daily net load curve

3.1 新能源電力系統(tǒng)的負(fù)荷需求分析

在考慮高比例新能源接入的系統(tǒng)中找出最大的凈負(fù)荷上升/下降負(fù)載率，對于評估靈活的容量需求非常重要。最大爬坡的周凈負(fù)荷曲線如圖6所示，圖7給出了周凈負(fù)載率曲線。然后可以將包含爬坡波動最大量級的周內(nèi)時間序列轉(zhuǎn)換為如圖8所示的周持續(xù)時間曲線。

圖6 計及凈負(fù)荷最大增速的周負(fù)荷曲線Fig.6 Curve of weekly load maximum ramp-up

圖7 計及最大增幅的周負(fù)增長曲線Fig.7 Curve of weekly load ramp with maximum ramp-up

圖8 凈負(fù)荷增長的周持續(xù)時間曲線Fig.8 Curve of weekly duration of the net load ramp

圖9給出了圖2所定義的年度鴨型曲線深度的變化趨勢，進而可以得到如圖10所示的鴨型深度的年持續(xù)時間曲線。對于鴨型曲線的靈活性容量需求，可以根據(jù)所得到的鴨型曲線深度的年持續(xù)時間曲線進行校驗。以類似的方式還可以得到二級備用需求的年度持續(xù)時間曲線，如圖11所示。二級備用容量可以通過在所得到的年度持續(xù)時間曲線上進行調(diào)節(jié)能力需求的校驗。

圖9 年龐鴨型曲線深龐變化趨勢Fig.9 Annual duck curve depth analysis variation trend

圖10 鴨型曲線深龐的年龐持續(xù)時間曲線Fig.10 Annual duration curve of duck curve depth

圖11 二級備用需求的年龐持續(xù)時間曲線Fig.11 Annual duration curve of secondary reserve demand

3.2 計及新能源的資源充裕性評估

所提出的計及新能源接入的靈活性資源充裕性評估指標(biāo)，如2.2節(jié)所述新能源的置信容量，可以視作與傳統(tǒng)發(fā)電一樣的供電能力。因此可以通過有效承載能力（ELCC）計算出計及新能源強迫停電率LOLP。在給定負(fù)荷持續(xù)時間曲線的情況下，計及到新能源的LOLP可以用式（1）計算。

表2列出了基于有效承載能力方法計算出的新能源月度負(fù)荷持續(xù)時間曲線的置信容量。由此可見，在新能源的強制停電率下，新能源與傳統(tǒng)發(fā)電具有相同的供電能力。

表2 基于ELCC的可再生電源容量Tab.2 ELCC-based renewable power capacity

表3給出了不同月份下計及新能源的置信容量的LOLP指標(biāo)的計算結(jié)果。該結(jié)果可用于評估含有高比例新能源接入的電力系統(tǒng)的供電備用容量是否充足，LOLP越小，則表示備用容量越充足。

表3 基于LOLP的新能源的容量裕度Tab.3 LOLP-based pumped storage operating capacity

3.3 靈活性容量需求評估

利用基于動態(tài)最優(yōu)潮流算法[13]確定目標(biāo)周的發(fā)電組合和爬坡備用容量，計算出每周凈負(fù)荷升壓時的LORP。然后計算出每周凈負(fù)荷爬坡時的爬坡備用容量的LORP，這里以抽水蓄能運行容量作為額外的爬坡備用容量的參數(shù)。

抽水蓄能運行容量的LORP計算結(jié)果如表4所示。抽水蓄能運行容量的值可以從備用容量是否充足的角度進行評估。從表中可以看出，隨著抽蓄容量的增加，系統(tǒng)的失備用概率降低，最低可比沒有抽蓄加入時減小近80%，棄電功率減少12 392 MW·h。

表4 基于LORP的抽水蓄能運行容量Tab.4 LORP-based pumped storage operating capacity

3.4 考慮備用容量的生產(chǎn)成本研究

根據(jù)所提出的生產(chǎn)成本方法計及備用容量的生產(chǎn)成本可以提供備用容量的額外成本，作為成本函數(shù)中固定成本和可變成本的增量。表5給出了在3月15日和3月22日之間的一周內(nèi)通過式（3）計算的發(fā)電機的修正固定成本。給出了考慮電力系統(tǒng)靈活性的資源充足性評估和考慮備用容量的生產(chǎn)成本之間的權(quán)衡分析。

表5 修正后的發(fā)電機固定費用（3-15～3-22）Tab.5 Modified fixed costs of generators（3-15～3-22）

4 結(jié)論

本文提出了一種評估電力系統(tǒng)靈活性資源充裕性分析方法，該方法給出了電力系統(tǒng)靈活性的資源充裕性評價指標(biāo)。所提出的方法通過分析基于凈負(fù)荷波動的持續(xù)時間曲線特征，對靈活運行備用容量需求進行評估，并以某實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)建立仿真場景，對所提方法進行了驗證。未來需要進一步針對凈負(fù)荷特點研究與之相適應(yīng)的系統(tǒng)靈活性評價體系。