施 濤，朱凌志，于若英

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電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)研究綜述

施 濤，朱凌志，于若英

(中國(guó)電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210003)

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等間歇性電源接入后電力系統(tǒng)的靈活性問(wèn)題，從電力系統(tǒng)靈活性的定義、量化指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法三方面系統(tǒng)地總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)研究的成果與進(jìn)展。并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級(jí)的靈活性量化指標(biāo)，電源擴(kuò)展規(guī)劃、機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等應(yīng)用場(chǎng)景下的靈活性評(píng)價(jià)方法等問(wèn)題進(jìn)行闡述與討論。最后，對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的研究進(jìn)行了展望，闡述了電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)下一步研究中需要關(guān)注的問(wèn)題和重點(diǎn)方向。

靈活性；量化指標(biāo)；評(píng)價(jià)方法；電源規(guī)劃；調(diào)度運(yùn)行

0 引言

近年來(lái)，隨著風(fēng)電，光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的成熟和發(fā)展，大量風(fēng)電場(chǎng)，光伏電站接入到現(xiàn)有電力系統(tǒng)中。與此同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)傳統(tǒng)以水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)下的電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行產(chǎn)生了深刻的影響[1-4]?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)對(duì)間歇性可再生能源發(fā)電(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：間歇性電源)的接納能力，以及間歇性電源接入后對(duì)系統(tǒng)的靈活性需求等問(wèn)題成為各方討論和關(guān)注的焦點(diǎn)[5-8]。因此，亟需一套完整的電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)理論與方法，指導(dǎo)間歇性電源高滲透率條件下電力系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃與運(yùn)行。圍繞電力系統(tǒng)的靈活性，目前研究和工程技術(shù)人員關(guān)注且致力于回答的幾個(gè)問(wèn)題為：(1)電力系統(tǒng)靈活性的定義和內(nèi)涵。具體包括它的評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)目的及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度。(2)電力系統(tǒng)靈活性的量化指標(biāo)。具體指不同的評(píng)價(jià)對(duì)象在不同的時(shí)間尺度下，其靈活屬性或需求的量化。(3)電力系統(tǒng)靈活性的評(píng)價(jià)方法。靈活性評(píng)價(jià)理論和方法體系必須涵蓋不同的評(píng)價(jià)對(duì)象，不同的應(yīng)用目的，不同的時(shí)間尺度。圍繞上述三個(gè)問(wèn)題，本文總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)研究的成果與進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級(jí)的靈活性量化指標(biāo)，電源擴(kuò)展規(guī)劃、機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等應(yīng)用場(chǎng)景下的靈活性評(píng)價(jià)方法等問(wèn)題展開(kāi)討論。

1 ?靈活性的概念和內(nèi)涵

1.1 靈活性的定義

電力系統(tǒng)的靈活性并不是一個(gè)全新的概念，早在20世紀(jì)90年代就有學(xué)者在文獻(xiàn)中提到了電力系統(tǒng)的靈活性問(wèn)題。當(dāng)時(shí)的“靈活性”概念產(chǎn)生于傳統(tǒng)電源擴(kuò)展規(guī)劃時(shí)的不確定性問(wèn)題中，旨在評(píng)價(jià)在一定的經(jīng)濟(jì)成本約束下，輸電系統(tǒng)的發(fā)展能否快速調(diào)整，以應(yīng)對(duì)初始規(guī)劃條件的變化[9-11]。由于當(dāng)時(shí)以水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性電源，所以靈活性問(wèn)題也未像現(xiàn)在這樣受到廣泛的關(guān)注。對(duì)于電力系統(tǒng)的靈活性，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和研究人員的主要觀點(diǎn)包括：

NERC把電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)供需兩側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)的不確定性變化的能力。NERC認(rèn)為電力系統(tǒng)的靈活性也應(yīng)包括：儲(chǔ)存能量的能力；高效機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的能力[12]。

國(guó)際能源署(International Energy Agency, IEA)最早在向2008年日本北海道舉行的G8峰會(huì)上提交的報(bào)告中針對(duì)可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題把靈活性定義為高滲透率間歇性電源接入條件下，電力系統(tǒng)保持可靠運(yùn)行的能力。在其后續(xù)正式發(fā)布的報(bào)告[13]中指出：一個(gè)靈活的電力系統(tǒng)應(yīng)能在一定的經(jīng)濟(jì)成本約束下，快速響應(yīng)供需兩側(cè)大幅的功率與能量波動(dòng)，對(duì)可預(yù)見(jiàn)、不可預(yù)見(jiàn)的變化和時(shí)間迅速反應(yīng)，負(fù)荷減小時(shí)減少供應(yīng)，負(fù)荷增加時(shí)增加供應(yīng)。一個(gè)靈活的電力系統(tǒng)既能消納大量的間歇性電源發(fā)出的電能，又能經(jīng)濟(jì)和高效地處理過(guò)剩的電能，也能保證可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)的間歇性電源出力不足時(shí)系統(tǒng)電力供應(yīng)的充裕度。

文獻(xiàn)[14]中電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)通過(guò)配置其各種資源，響應(yīng)系統(tǒng)凈負(fù)荷變化的能力。而“凈負(fù)荷”又指原始負(fù)荷中扣除間歇性電源出力之后的剩余負(fù)荷。

文獻(xiàn)[15]介紹了兩種靈活性的概念。第一種是G.Stiger在1937年提出的經(jīng)濟(jì)靈活性概念[16]，它主要指經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)短期運(yùn)行時(shí)，在不考慮附加成本的前提下，適應(yīng)不同需求條件變化的能力。第二種是在前者的基礎(chǔ)上，針對(duì)電力系統(tǒng)指出：電力系統(tǒng)的靈活性體現(xiàn)在其能否以較低的成本，改變自身的配置或者運(yùn)行方式，快速響應(yīng)市場(chǎng)和監(jiān)管條件的變化。文中認(rèn)為電力系統(tǒng)靈活性的定義類(lèi)似于適應(yīng)性(調(diào)節(jié)適應(yīng)新?tīng)顩r的能力)和魯棒性(預(yù)先滿足所有狀況的能力)等相關(guān)的概念。

文獻(xiàn)[17]討論了短時(shí)間尺度內(nèi)電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的量化評(píng)價(jià)問(wèn)題。文中強(qiáng)調(diào)電力系統(tǒng)靈活性的定義應(yīng)針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的某一特定的場(chǎng)景，作為其對(duì)應(yīng)研究領(lǐng)域問(wèn)題的延伸和擴(kuò)展。任何單一、通用的關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性的定義都是沒(méi)有意義的。文中同時(shí)指出電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)必須考慮其對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，任何電力系統(tǒng)的靈活性都是在一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)下才能獲取的。

文獻(xiàn)[18]認(rèn)為靈活性主要用來(lái)描述系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電力供需波動(dòng)性和不確定性，在一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)約束下保持系統(tǒng)可靠性的能力。一個(gè)“靈活”的系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)的概念。比如：兩個(gè)具備相同的負(fù)荷和風(fēng)/光出力場(chǎng)景的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)A比系統(tǒng)B在同一時(shí)間尺度內(nèi)消納更多的風(fēng)/光電能，則就可認(rèn)為系統(tǒng)A比系統(tǒng)B更為靈活。

文獻(xiàn)[19-20]中討論了不確定條件下的電力系統(tǒng)規(guī)劃以及輸電網(wǎng)絡(luò)靈活性評(píng)估的問(wèn)題。文中認(rèn)為：從系統(tǒng)規(guī)劃的角度，一方面擴(kuò)展電源的選址定容需要考慮到當(dāng)前輸電網(wǎng)絡(luò)的物理?xiàng)l件；另一方面輸電網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)的建設(shè)與發(fā)展要在不改變當(dāng)前的供電質(zhì)量和連續(xù)性的條件下，保證新建電源的接入。文中將輸電系統(tǒng)的靈活性描述為電源擴(kuò)展和運(yùn)行不確性條件下，以合理的經(jīng)濟(jì)成本保證系統(tǒng)可靠性要求的能力。與文獻(xiàn)[20]觀點(diǎn)類(lèi)似，文獻(xiàn)[21]中分析了需求側(cè)管理(Demand Side Mnagement, DSM)在提高電力系統(tǒng)靈活性方面的作用，給出了電源、負(fù)荷統(tǒng)籌考慮的機(jī)組組合模型。此處，負(fù)荷不僅是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的“隨機(jī)源”，其可控部分同樣可以通過(guò)利用DSM機(jī)制成為“靈活源”參與電力系統(tǒng)隨機(jī)因素的應(yīng)對(duì)中。

文獻(xiàn)[22]認(rèn)為電力系統(tǒng)的靈活性需求貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)展的每一個(gè)階段和電力系統(tǒng)運(yùn)行的每一個(gè)過(guò)程，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行中影響電力供需平衡的隨機(jī)性和不確性因素。在傳統(tǒng)基于可控水、火發(fā)電的電源結(jié)構(gòu)下，電力系統(tǒng)的隨機(jī)性和不確定性主要源于負(fù)荷的波動(dòng)，運(yùn)行調(diào)度人員通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)、自動(dòng)發(fā)電控制、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等技術(shù)和市場(chǎng)手段滿足了負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)下的電力系統(tǒng)靈活性需求。而現(xiàn)階段，大量風(fēng)/光間歇性電源的接入，從發(fā)電側(cè)增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性和不確定性，為保證電力供需平衡，相應(yīng)的靈活性需求也應(yīng)專(zhuān)門(mén)考慮。就電力系統(tǒng)的靈活性評(píng)價(jià)而言，文中認(rèn)為主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，分別是：(1)?物理?xiàng)l件方面，主要指電力設(shè)備元件本體的物理屬性和調(diào)節(jié)能力；(2)?工業(yè)技術(shù)方面，主要指維持電力平衡的控制措施和控制策略，如AGC等；(3)?市場(chǎng)和交易機(jī)制方面，主要指利用價(jià)格杠桿和電力交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性需求。并且，文中認(rèn)為雖然風(fēng)/光等間歇性電源從發(fā)電側(cè)打破了原有基于負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果的靈活性控制機(jī)制，增加了系統(tǒng)的靈活性需求，但并不否認(rèn)風(fēng)/光等間歇性電源本身同樣可以作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)中(在一定的經(jīng)濟(jì)成本約束下，棄風(fēng)、棄光同樣可以作為快速靈活調(diào)節(jié)手段)。

針對(duì)市場(chǎng)和交易機(jī)制的靈活性，文獻(xiàn)[23]中利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了德國(guó)電力市場(chǎng)中負(fù)電價(jià)機(jī)制對(duì)提高電力市場(chǎng)靈活性、促進(jìn)風(fēng)電消納的影響。2008年歐洲能源交易所(European Energy Exchange)在德國(guó)城市Leipzig正式?jīng)Q定允許負(fù)電價(jià)參與電力市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)。負(fù)電價(jià)機(jī)制的出現(xiàn)改變了以往一味強(qiáng)調(diào)提高技術(shù)靈活性、滿足風(fēng)電接納的靈活性需求而忽略經(jīng)濟(jì)代價(jià)的誤區(qū)，使電力系統(tǒng)更為高效和經(jīng)濟(jì)地應(yīng)對(duì)影響電力供/需平衡的各種隨機(jī)因素。

文獻(xiàn)[24-25]中討論了靈活性評(píng)價(jià)在含間歇性電源在內(nèi)的電源規(guī)劃調(diào)度運(yùn)行中的角色和作用。文中指出大規(guī)模間歇性電源的引入，使得系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性增強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的靈活性需求直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電力電量平衡。因此，在傳統(tǒng)用于電源擴(kuò)展規(guī)劃的隨機(jī)生產(chǎn)模擬算法中增加了靈活性評(píng)估的環(huán)節(jié)，即從容量充裕度和運(yùn)行靈活性?xún)煞矫婵紤]問(wèn)題。

1.2 靈活性的內(nèi)涵

通過(guò)上述總結(jié)和分析，目前關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性的定義或內(nèi)涵可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)?電力系統(tǒng)靈活性并不是一個(gè)全新的、孤立的概念，它是電力系統(tǒng)運(yùn)行在不同時(shí)間尺度上應(yīng)對(duì)各種隨機(jī)因素和不確定條件、保持電力和能量平衡的必然要求，它貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)展與運(yùn)行的每一個(gè)階段和過(guò)程。

(2)?早期的電力系統(tǒng)靈活性需求主要針對(duì)可控性較強(qiáng)的水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)下，負(fù)荷波動(dòng)、電站擴(kuò)容等因素帶來(lái)的隨機(jī)性和不確定條件。電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行人員利用網(wǎng)架優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)和滿足了相應(yīng)的靈活性需求。

(3)?現(xiàn)階段，大量風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性電源的接入，改變了傳統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，降低了整個(gè)電源系統(tǒng)的出力可控性，從發(fā)電側(cè)增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性和不確定性，而原有的靈活性措施和能力并沒(méi)有考慮到這部分的靈活性需求。因此，必須在原有的電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行理論和技術(shù)體系中針對(duì)間歇性電源帶來(lái)的隨機(jī)性和不確定性條件作專(zhuān)門(mén)考慮和處理。

(4)?廣義的電力系統(tǒng)靈活性概念包含了電力系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度上以合理的經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)對(duì)各種隨機(jī)因素和不確定條件，滿足各種安全約束條件，保持可靠供電的能力。狹義的電力系統(tǒng)靈活性概念主要指在機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的時(shí)間尺度內(nèi)，針對(duì)間歇性電源帶來(lái)的隨機(jī)性和不確定性條件，以合理的經(jīng)濟(jì)成本，滿足各種安全約束條件，保持可靠供電的能力。

(5)?電力系統(tǒng)的靈活性及其對(duì)應(yīng)的措施可以分為兩大類(lèi)型：技術(shù)靈活性和市場(chǎng)靈活性。技術(shù)靈活性表現(xiàn)為電力系統(tǒng)中各設(shè)備、元件、電源、電網(wǎng)乃至整個(gè)系統(tǒng)的功率和能量調(diào)節(jié)能力(幅值和速度)，它既包含元件和設(shè)備自有的靈活屬性，也包含系統(tǒng)級(jí)配置和調(diào)度后表現(xiàn)出的整體靈活屬性。從技術(shù)手段上包含電站和設(shè)備級(jí)的機(jī)組爬坡、能量存儲(chǔ)和系統(tǒng)級(jí)的負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)、機(jī)組組合、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等。市場(chǎng)靈活性與電力系統(tǒng)靈活性需求的經(jīng)濟(jì)代價(jià)約束相對(duì)應(yīng)，主要是通過(guò)電力市場(chǎng)交易規(guī)則和電價(jià)機(jī)制的靈活設(shè)計(jì)，使電力系統(tǒng)更為高效和經(jīng)濟(jì)地應(yīng)對(duì)影響電力供/需平衡的各種隨機(jī)因素，避免一味強(qiáng)調(diào)提高技術(shù)靈活性而忽略經(jīng)濟(jì)代價(jià)。市場(chǎng)靈活性觀點(diǎn)的引入使得間歇性電源、負(fù)荷等傳統(tǒng)的“隨機(jī)源”同樣可以作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)中，豐富了提高電力系統(tǒng)靈活性的措施。

2 ?靈活性量化指標(biāo)

電力系統(tǒng)靈活性根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的不同可以分為：輸電系統(tǒng)靈活性和配電(需求側(cè))系統(tǒng)靈活性；也可以分為電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷和電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性。整個(gè)電力系統(tǒng)的靈活性來(lái)源于上述各組成設(shè)備或子系統(tǒng)自身的物理屬性及其在系統(tǒng)中所處的角色和作用。根據(jù)上述關(guān)于靈活性概念和內(nèi)涵的討論，電力系統(tǒng)靈活性的量化指標(biāo)應(yīng)能反映出其在維持電力系統(tǒng)能量和功率平衡上的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度，即：

由式(1)可以看出，能量、功率、爬坡率三個(gè)物理屬性本質(zhì)上反映的是電力設(shè)備與系統(tǒng)在一定安全和經(jīng)濟(jì)約束下進(jìn)行能量交換或轉(zhuǎn)換時(shí)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。

2.1 設(shè)備級(jí)靈活性量化指標(biāo)

電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備的靈活性與其固有的物理屬性和當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。以傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組為例，為應(yīng)對(duì)負(fù)荷的變化，機(jī)組出力的靈活調(diào)節(jié)能力既取決于機(jī)組固有的額定容量、最小技術(shù)出力、啟停時(shí)間、爬坡率等固有物理屬性，又取決于機(jī)組當(dāng)前的啟停和出力狀態(tài)。目前大多數(shù)文獻(xiàn)中設(shè)備級(jí)的靈活性指標(biāo)都是基于設(shè)備的爬坡率、運(yùn)行上下限、強(qiáng)迫停運(yùn)率等物理約束考慮的。經(jīng)濟(jì)調(diào)度和機(jī)組組合場(chǎng)景下典型的設(shè)備級(jí)靈活性量化指標(biāo)如式(2)～式(3)所示[14-15]。

(3)

(4)

上式中根據(jù)調(diào)節(jié)方向的不同將設(shè)備的靈活性分為向上調(diào)節(jié)靈活性和向下調(diào)節(jié)靈活性?xún)蓚€(gè)指標(biāo)分別定義。其中：表示第個(gè)時(shí)段；表示第臺(tái)設(shè)備；表示單位時(shí)段對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度；RR表示第臺(tái)設(shè)備功率向上調(diào)節(jié)的爬坡率；RR表示第臺(tái)設(shè)備功率向下調(diào)節(jié)的爬坡率；Online為布爾變量，表示第臺(tái)設(shè)備在第個(gè)時(shí)段的在/離線狀態(tài)(1/0)；S為第臺(tái)設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間(式中默認(rèn)S≤)；Prod,u為第臺(tái)設(shè)備在第個(gè)時(shí)段內(nèi)的出力狀態(tài)；max/min,u表示第臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行出力上下限。當(dāng)需要設(shè)備停運(yùn)時(shí)，令Online,u=0；當(dāng)為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，min,u≤0。當(dāng)為可控負(fù)荷時(shí)，設(shè)備消耗能量，max,u=0，min,u≤0，RR,+=0。

2.2 電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性描述

通常意義上的電力系統(tǒng)靈活性資源包括：水電、火電、燃?xì)獍l(fā)電等常規(guī)電源；抽水蓄能電站、電池、壓縮空氣等儲(chǔ)能設(shè)施；電動(dòng)汽車(chē)、可控負(fù)荷、微網(wǎng)等需求側(cè)管理對(duì)象[26-32]。上述設(shè)施相對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)而言，其共有的特征就是同時(shí)具有能量、功率、爬坡率三方面的屬性。由于電力網(wǎng)絡(luò)本身并不具備能量變換和功率爬坡調(diào)節(jié)能力。因此，電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性也主要體現(xiàn)在其所能承受的傳輸容量即其功率屬性上，而電力網(wǎng)絡(luò)的功率屬性又取決于組成電力網(wǎng)絡(luò)的每一條支路的傳輸容量和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[19]中基于輸電支路的靜態(tài)安全裕度和潮流分布因子定義了一種輸電網(wǎng)絡(luò)的靈活性指標(biāo)，如式(5)~式(7)所示。

(6)

(7)

由上述指標(biāo)的定義可知：電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性一方面取決于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)支路的安全裕度，裕度越大，可用于傳輸電能的容量越大；另一方面，在安全裕度相等的情況下，各支路相對(duì)于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的潮流分布因子越小，發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的出力擾動(dòng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的影響越小，網(wǎng)絡(luò)也就越靈活。

2.3 系統(tǒng)級(jí)靈活性量化指標(biāo)

系統(tǒng)級(jí)的靈活性量化指標(biāo)主要用于衡量在一定的安全和經(jīng)濟(jì)約束下，整個(gè)系統(tǒng)所具備的靈活性調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)空間。目前針對(duì)系統(tǒng)級(jí)靈活性的量化指標(biāo)主要分三種類(lèi)型：(1)?利用系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)量化系統(tǒng)靈活性[34]。(2)?基于系統(tǒng)中各“靈活源”的能量、功率、爬坡率等特性定義總的系統(tǒng)級(jí)的技術(shù)靈活性指標(biāo)。(3)?將系統(tǒng)各“靈活源”的經(jīng)濟(jì)特性與技術(shù)特性綜合考慮，把經(jīng)濟(jì)代價(jià)約束納入到系統(tǒng)的靈活性量化指標(biāo)中。本文將介紹IRRE、NetFlexibility、T_USFI、TE_USFI四種典型的系統(tǒng)級(jí)靈活性量化指標(biāo)。

2.3.1 量化指標(biāo)一(IRRE)

文獻(xiàn)[14]中系統(tǒng)級(jí)的靈活性量化指標(biāo)定義為

該指標(biāo)主要用于分析機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度場(chǎng)景下系統(tǒng)在各個(gè)連續(xù)時(shí)段內(nèi)的靈活性，并進(jìn)一步應(yīng)用到包含風(fēng)電，光伏發(fā)電的電源擴(kuò)展規(guī)劃中，以解決常規(guī)電源擴(kuò)展規(guī)劃中主要注重容量的充裕度，而對(duì)實(shí)際運(yùn)行中靈活性需求簡(jiǎn)化處理的情況。

在式(8)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[14]利用靈活性不足的概率期望值(Insufficient Ramping Resource Expectation, IRRE)來(lái)描述特定時(shí)序場(chǎng)景下的系統(tǒng)靈活性，具體定義如下：

(10)

(11)

(13)

(14)

式(9)中：AFD,+/-()是基于式(8)所得到的離散累積分布函數(shù)，用來(lái)描述單位時(shí)間尺度為(如15 min、30 min、1 h)時(shí)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的概率分布，可用Kaplan-Meier 法[35]估計(jì)的累積密度函數(shù)得出。NLR表示第時(shí)段的凈負(fù)荷量；NLR,t,+/-為第時(shí)段為應(yīng)對(duì)凈負(fù)荷變化所需的靈活調(diào)節(jié)量；為凈負(fù)荷時(shí)間序列樣本量；IRRP,t,+/-為系統(tǒng)在第時(shí)段內(nèi)時(shí)間尺度為的靈活調(diào)節(jié)能力不足概率；IRRE,t,+/-為系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)時(shí)間尺度為的靈活性不足的概率期望值。

2.3.2 量化指標(biāo)二(NetFlexibility)

文獻(xiàn)[25]在文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[36]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了用于機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度場(chǎng)景的系統(tǒng)級(jí)靈活性量化指標(biāo)，如式(16)、式(17)所示。

(17)

式(16)、式(17)分別為系統(tǒng)向上和向下調(diào)節(jié)的靈活性指標(biāo)，其中：為第個(gè)時(shí)段；是單位時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度；為場(chǎng)景編號(hào)；Contingency,+/-是系統(tǒng)運(yùn)行中所需的備用容量；同式(10)，NLR,t為前后兩個(gè)時(shí)段的凈負(fù)荷差。

定義RF,t,s為

式中：為靈活電源編號(hào)；為靈活電源數(shù)目；為可變電源(Variable Generation)編號(hào)；為可變電源數(shù)目；P,i,s為靈活電源在場(chǎng)景下第個(gè)時(shí)段的機(jī)組出力；RES,i,s為可變電源在場(chǎng)景下第個(gè)時(shí)段的機(jī)組出力。

系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)取決于向上調(diào)節(jié)時(shí)的最大值，向下調(diào)節(jié)時(shí)的最小值，即靈活電源向上/向下的調(diào)節(jié)空間，如式(19)~式(21)所示。

(20)

(21)

2.3.3 量化指標(biāo)三(T_USFI))

文獻(xiàn)[20]針對(duì)電源擴(kuò)展規(guī)劃問(wèn)題定義了不確定場(chǎng)景下的技術(shù)靈活性指標(biāo)(Technical Uncerta-inty Scenarios Flexibility Index，T_USFI)，如式(22)所示。

式中：為新建電源的待選并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；ΔP為系統(tǒng)技術(shù)靈活性?xún)?yōu)化目標(biāo)下，各待選并網(wǎng)點(diǎn)的注入功率。

系統(tǒng)技術(shù)靈活性的優(yōu)化目標(biāo)如式(23)所示。

2.3.4 量化指標(biāo)四(TE_USFI)

由上可知：電力系統(tǒng)的靈活性必須滿足一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)約束，對(duì)此的處理方法一是對(duì)目標(biāo)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)代價(jià)評(píng)估和校核，另一種是直接將經(jīng)濟(jì)代價(jià)最小化納入到系統(tǒng)的靈活性?xún)?yōu)化目標(biāo)中。文獻(xiàn)[20]中針對(duì)電源擴(kuò)展規(guī)劃問(wèn)題，提出了一種不確定場(chǎng)景下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)靈活性指標(biāo)(Technical Economical Uncertainty Scenarios Flexibility Index，TE_USFI)，如式(24)所示。

式中：C為輸電支路剩余容量的邊際成本；M為輸電支路的剩余容量；為輸電支路數(shù)目；為已建電源的并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；C(Pgen)為節(jié)點(diǎn)注入功率為Pgen時(shí)的發(fā)電成本；med為網(wǎng)損的單位平均成本；loss為系統(tǒng)網(wǎng)損。其中第一項(xiàng)代表輸電網(wǎng)絡(luò)的剩余容量成本；第二項(xiàng)代表已建電源的發(fā)電成本變化量；第三項(xiàng)代表網(wǎng)損成本的變化量。

該優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)的控制變量是成本約束下的已建電源的注入功率和待建電源的注入功率(規(guī)劃年負(fù)荷曲線給定)。

對(duì)應(yīng)的，系統(tǒng)在不確定場(chǎng)景下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)靈活性指標(biāo)(Technical Economical Uncertainty Scenarios Flexibility Index，TE_USFI)定義如式(25)所示。其中：為待建電源的并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目。

另外，定義

(26)

實(shí)際上，輸電支路剩余容量的邊際成本不需要任何人支付，但剩余容量的減少限制了網(wǎng)絡(luò)以最低的成本進(jìn)行能量供給的能力，同時(shí)對(duì)調(diào)度成本也帶來(lái)影響。因此，剩余容量在這里作為一個(gè)影響經(jīng)濟(jì)代價(jià)的變量考慮。

3 ?靈活性評(píng)價(jià)方法

風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性電源接入到電力系統(tǒng)后，其對(duì)應(yīng)的靈活性需求也同時(shí)納入到相關(guān)的電源擴(kuò)展規(guī)劃、機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等問(wèn)題中。目前的處理方法：一方面，通過(guò)對(duì)間歇性電源出力狀態(tài)的概率分布、轉(zhuǎn)移頻率、有效容量的等時(shí)序特性的量化，把間歇性電源出力的隨機(jī)性及其對(duì)應(yīng)的靈活性需求納入到相關(guān)的隨機(jī)生產(chǎn)模擬算法中[37-42]。另一方面，根據(jù)給定的靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)發(fā)單獨(dú)的靈活性評(píng)價(jià)模塊，對(duì)相關(guān)規(guī)劃或運(yùn)行方案進(jìn)行靈活性評(píng)價(jià)和校核。本節(jié)針對(duì)后者，根據(jù)2.3節(jié)中相關(guān)靈活性指標(biāo)的定義，介紹幾種電源擴(kuò)展規(guī)劃、機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題中的靈活性評(píng)價(jià)方法。

3.1 電源擴(kuò)展規(guī)劃中的靈活性評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)[14]為解決包含風(fēng)電場(chǎng)的電源擴(kuò)展規(guī)劃問(wèn)題在以LOLE(loss of load expectation)和EENS (expected energy not served)為指標(biāo)的容量裕度分析模塊和生產(chǎn)成本分析模塊之間，引入靈活性分析模塊，通過(guò)啟發(fā)式迭代分析，最終得到同時(shí)滿足容量裕度和靈活性需求的電源擴(kuò)展規(guī)劃方案。文中針對(duì)系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)IRRE，提出了相應(yīng)的求解算法流程，如圖1所示。該算法的輸入數(shù)據(jù)主要為負(fù)荷和間歇性電源的時(shí)序數(shù)據(jù)，間歇性電源以外的各常規(guī)機(jī)組的額定容量、強(qiáng)迫停運(yùn)率、最大/最小運(yùn)行出力、啟停時(shí)間、向上/向下爬坡率、成本數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的時(shí)序分辨率取決于研究人員所關(guān)注的單位時(shí)間尺度(15?min、30?min、1?h等)。步驟(4)~步驟(11)按照式(8)~式(15)定義的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)逐時(shí)段、逐步計(jì)算，最后得到該時(shí)序場(chǎng)景下系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)：IRRE。

文獻(xiàn)[20]針對(duì)電源擴(kuò)展規(guī)劃中的不確定性因素，提出了一套基于T_USFI和TE_USFI靈活性指標(biāo)，考慮輸電網(wǎng)絡(luò)約束的靈活性評(píng)價(jià)算法。該算法的主要思想是通過(guò)蒙特卡洛模擬得到節(jié)點(diǎn)注入功率和潮流數(shù)據(jù)，建立式(23、式(24)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并利用遺傳算法進(jìn)行求解，得到式(22)、式(25)對(duì)應(yīng)的靈活性指標(biāo)計(jì)算過(guò)程會(huì)形成兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)1 由蒙特卡洛模擬得到支路潮流和節(jié)點(diǎn)注入功率；數(shù)據(jù)庫(kù)2 包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如分布系數(shù))、節(jié)點(diǎn)注入分量、支路余量、受成本限制的注入分量、受成本限制的支路余量、發(fā)電余量和損失成本等。

圖1 IRRE求解算法流程圖[14]

3.2 機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的靈活性評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)[25]基于文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[36]提出的IRRE和PFD(Periods of Flexibility Deficit)指標(biāo)，介紹了一種經(jīng)濟(jì)調(diào)度和機(jī)組組合場(chǎng)景下的靈活性評(píng)價(jià)方法，以確定輸電網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)靈活性的影響，如圖2所示。文中認(rèn)為在給定的電源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷水平下，輸電系統(tǒng)的靈活性受兩方面的影響：(1)機(jī)組組合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中的輸電網(wǎng)絡(luò)約束；(2)由于“靈活源”在網(wǎng)絡(luò)中分布的位置不同，輸電阻塞(預(yù)測(cè)誤差，或者突發(fā)故障造成)可能限制一部分系統(tǒng)靈活性的實(shí)現(xiàn)。圖2描述了如何分析和量化輸電網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)靈活性影響的分析過(guò)程。用于確定靈活性的三個(gè)選項(xiàng)被校核以用于驗(yàn)證建模的復(fù)雜性對(duì)靈活性評(píng)估的影響。

圖2中包含3個(gè)選項(xiàng)、4個(gè)階段。階段A代表機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度過(guò)程，產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)度計(jì)劃；階段B基于階段A的調(diào)度計(jì)劃，計(jì)算得出各“靈活源”在每個(gè)時(shí)段內(nèi)具備的靈活性。階段C用于確定輸電阻塞對(duì)不同位置的“靈活源”的靈活性能否實(shí)現(xiàn)，即系統(tǒng)實(shí)際可用靈活性的影響；只有階段C中包含在選項(xiàng)3中，是因?yàn)橹挥性陔A段C中同時(shí)考慮了輸電網(wǎng)絡(luò)約束和輸電阻塞對(duì)靈活性實(shí)現(xiàn)的影響。階段D是根據(jù)上一階段的結(jié)果，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)。

圖2 機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的靈活性評(píng)價(jià)[25]

選項(xiàng)1表示在不考慮輸電網(wǎng)絡(luò)約束的情況下，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)制定對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度內(nèi)的調(diào)度計(jì)劃?；谶@個(gè)調(diào)度計(jì)劃，可以計(jì)算得出每個(gè)“靈活源”在每個(gè)時(shí)段內(nèi)的靈活性(階段B)，進(jìn)而可以計(jì)算得出整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)(階段D)。選項(xiàng)2中，機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中考慮了輸電網(wǎng)絡(luò)約束。階段B和階段D的作用和選項(xiàng)1中相同。選項(xiàng)3在選項(xiàng)2的基礎(chǔ)上，考慮了輸電阻塞情況下，“靈活源”的分布對(duì)實(shí)際可用靈活性的影響(階段C)。因此，選項(xiàng)3中可以確定輸電網(wǎng)絡(luò)約束和靈活源分布位置所決定的系統(tǒng)真正能實(shí)現(xiàn)的靈活性指標(biāo)。

4 ?結(jié)論與建議

本文系統(tǒng)地總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)研究的成果與進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級(jí)的靈活性量化指標(biāo)，電源擴(kuò)展規(guī)劃、機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等應(yīng)用場(chǎng)景下的靈活性評(píng)價(jià)方法等問(wèn)題展開(kāi)討論。本文認(rèn)為：

(1)?電力系統(tǒng)靈活性需求存在于電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的各個(gè)階段，對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間尺度。廣義的電力系統(tǒng)靈活性概念旨在描述在一定的經(jīng)濟(jì)約束下，電力系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度上應(yīng)對(duì)各種隨機(jī)因素和不確定條件，保持電力和能量平衡的能力。電力系統(tǒng)的靈活性包含技術(shù)靈活性和市場(chǎng)靈活性?xún)煞矫妗?/p>

(2)?電力系統(tǒng)靈活性的量化指標(biāo)設(shè)計(jì)從技術(shù)的角度主要基于組成電力系統(tǒng)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)以及子系統(tǒng)在維持電力系統(tǒng)能量和功率平衡上的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。這一方面取決量化對(duì)象在能量、功率、爬坡率等方面的物理屬性；另一方面又取決于其當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)節(jié)裕度。

(3)?電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)方法與其對(duì)應(yīng)的靈活性量化指標(biāo)及應(yīng)用場(chǎng)合密切相關(guān)。靈活性評(píng)價(jià)過(guò)程中既要考慮系統(tǒng)的技術(shù)靈活性，又要考慮一定經(jīng)濟(jì)代價(jià)約束即市場(chǎng)靈活性；既要考慮電源系統(tǒng)的潛在靈活調(diào)節(jié)能力，又要考慮網(wǎng)絡(luò)約束下的實(shí)際可用靈活調(diào)節(jié)能力。

(4)?電力系統(tǒng)靈活性理論與方法的研究應(yīng)從目前的技術(shù)靈活性研究出發(fā)，逐步往市場(chǎng)和交易機(jī)制的靈活性方面深入，建立電力系統(tǒng)各靈活性調(diào)節(jié)措施對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)模型，研究如何利用價(jià)格杠桿和電力交易機(jī)制來(lái)激發(fā)電力系統(tǒng)中潛在的靈活調(diào)節(jié)能力，探索風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、可控負(fù)荷等傳統(tǒng)的“隨機(jī)源”作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)中的可能性，從技術(shù)和市場(chǎng)兩方面構(gòu)建適用于高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電接入的電力系統(tǒng)靈活性理論與方法體系。

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(編輯 魏小麗)

Overview on power system flexibility evaluation

SHI Tao, ZHU Lingzhi, YU Ruoying

(China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

Aiming at flexibility problem originated from integration of large-scale intermittent generation source, such as wind farm, photovoltaic power station, etc, the corresponding research achievements and process are systematically summarized from three aspects of power system flexibility: the concept and definition, quantitative indexes, evaluation method. On this basis, key issues of power system flexibility are expatiated and discussed, which include the generalized definition and connotation of power system flexibility; the quantitative flexibility evaluation indexes of power unit, power grid and power subsystem; the flexibility evaluation method in generation expansion planning, unit commitment and economic dispatch scenarios, etc. Finally, the research direction of power system flexibility is prospected and the concerns in the next research stage of power system flexibility evaluation are expounded.

flexibility; quantitative index; evaluation method; generation plan; dispatching and operation

10.7667/PSPC150806

中國(guó)電力科學(xué)研究院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CEPRI: NY83-14-007)

2015-08-13；

2016-01-28

施 濤(1982-)，男，通信作者，博士，高級(jí)工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究；E-mail: shitao@epri.sgcc.com.cn 朱凌志(1975-)，男，博士，高級(jí)工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究；E-mail: zhulingzhi@epri.sgcc.com.cn 于若英(1988-)，女，碩士，工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)研究。E-mail: yuruoying@ epri.sgcc.com.cn