國(guó)華能源投資有限公司 史明亮

眾所周知，新能源裝機(jī)在國(guó)內(nèi)占比19.8%左右。所以，保障新能源電力系統(tǒng)的電力與電量平衡尤為關(guān)鍵，本文基于現(xiàn)階段我國(guó)新能源和負(fù)荷基礎(chǔ)運(yùn)作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，搭建符合加新能源波動(dòng)特性的電力平衡時(shí)序生產(chǎn)模型，以此去總結(jié)新能源電力系統(tǒng)電力電量平衡的問(wèn)題，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出解決與優(yōu)化措施。

1 基于具體運(yùn)作數(shù)據(jù)的高比例新能源系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

1.1 高比例新能源系統(tǒng)日電力平衡

隨著我國(guó)科技不斷發(fā)展與進(jìn)步，在新能源行業(yè)中已經(jīng)積累較多的新能源設(shè)備在做工發(fā)電時(shí)的實(shí)際運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，本文中所分析的數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家電網(wǎng)在2017—2018年的新能源設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行信息數(shù)據(jù)。

一是關(guān)于新能源裝機(jī)問(wèn)題，在實(shí)際進(jìn)行新能源裝機(jī)時(shí)，新能源的裝機(jī)與新能源出力波動(dòng)是成正比例關(guān)系，所以裝機(jī)的時(shí)間尺度越長(zhǎng)，新能源出力波動(dòng)越強(qiáng)。在2018年國(guó)家電網(wǎng)中的新能源日波動(dòng)最大值為7996萬(wàn)kW，與2017年的相關(guān)數(shù)據(jù)相比2018年的日波動(dòng)最大值增長(zhǎng)了約2307kW，增長(zhǎng)幅度約為41%。而在我國(guó)的日內(nèi)新能源出力波動(dòng)占平均負(fù)荷超過(guò)40%的省份只有7個(gè)。其中，以東北電網(wǎng)與遼寧電網(wǎng)為例，圖1為東北電網(wǎng)與遼寧電網(wǎng)在不同時(shí)間內(nèi)的光伏出力波動(dòng)率和風(fēng)電出力波動(dòng)率，從中可以有效發(fā)現(xiàn)新能源出力波動(dòng)會(huì)根據(jù)時(shí)間尺度變化而變化。

圖1 不同時(shí)間內(nèi)的光伏出力波動(dòng)率和風(fēng)電出力波動(dòng)率

二是新能源出力具備明顯的區(qū)域平滑特點(diǎn)，出力波動(dòng)性會(huì)根據(jù)空間范圍的變化而變化，具體為成反比變化，即空間越大，波動(dòng)性越小。所以便可得知當(dāng)新能源出力設(shè)備處于較大空間范圍內(nèi)時(shí)，光伏之間、風(fēng)電之間已經(jīng)光伏和風(fēng)電之間會(huì)呈現(xiàn)出互補(bǔ)性。圖2為“三北”地區(qū)中某一經(jīng)典的光伏與日風(fēng)電功率曲線圖，通過(guò)圖2可以有效發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于較大的空間時(shí)，新能源波動(dòng)率會(huì)減少并出現(xiàn)平滑效果，所以若想有效降低調(diào)峰資源總量的需求，則可以通過(guò)擴(kuò)大平衡區(qū)方式滿足上述需求。

三是國(guó)家電網(wǎng)中的凈負(fù)荷曲線會(huì)表現(xiàn)出明顯的鴨型特征。從宏觀角度分析，可知新能源出力占負(fù)荷比例不斷提高，但若從微觀角度分析，即日內(nèi)電力平衡角度，則可將其劃分為不同時(shí)段進(jìn)行分析，如夜晚為用電負(fù)荷低谷、日間為用電負(fù)荷高峰，而風(fēng)電與存在明顯的反調(diào)峰特點(diǎn)，風(fēng)電在日間出力低、夜間出力高。而光伏發(fā)電因其在夜間不具備電力支撐特點(diǎn)，則光伏發(fā)電夜間無(wú)出力、日間出力高。根據(jù)上述內(nèi)容特點(diǎn)深度分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)的凈負(fù)荷曲線是表現(xiàn)出明顯的鴨型曲線特征，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，用電負(fù)荷會(huì)在不同時(shí)段呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)，早高峰階段用電負(fù)荷會(huì)快速下降、午間時(shí)段則會(huì)出現(xiàn)用電低谷、晚高峰時(shí)段用電負(fù)荷則會(huì)迅速上漲，而此種漲跌幅度會(huì)為電力系統(tǒng)中的電離平衡帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，不僅如此，還需要電力系統(tǒng)具備極強(qiáng)的爬坡能力與調(diào)節(jié)能力。

圖2 光伏與日風(fēng)電功率曲線圖

圖3 鴨型曲線特征

四是在用電負(fù)荷高峰時(shí)段，新能源電力存在明顯后勁不足現(xiàn)象。通過(guò)有效分析新能源的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，可以明顯發(fā)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)在2018年的用電最大負(fù)荷已經(jīng)超過(guò)了8億kW，而在2018年間，因其風(fēng)電出力技術(shù)與光伏出力技術(shù)尚未完全成熟，使二者發(fā)電量?jī)H占總發(fā)電量的9%，分別是2263萬(wàn)kW與4993萬(wàn)kW。而在開(kāi)展迎峰度夏的階段中，新能源的最小出力總量?jī)H占總量的1.8%，約為1100萬(wàn)kW。新能源出力低谷以及用電負(fù)荷高峰階段，新能源技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)中的電力平衡支撐能力相對(duì)較弱[1]。

1.2 以月為周期，對(duì)高比例新能源系統(tǒng)進(jìn)行電量平衡分析

以月為周期，對(duì)高比例新能源系統(tǒng)進(jìn)行電量平衡分析，可以通過(guò)以下兩方面對(duì)高比例新能源系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)月度電量平衡分析。

一是新能源月度電量分布無(wú)法有效滿足實(shí)際用電負(fù)荷需求。但從用電負(fù)荷需求角度而言，“三北”地域的用電負(fù)荷表現(xiàn)為冬季與夏季是負(fù)荷高峰，風(fēng)電為秋季與冬季是負(fù)荷高峰，而光伏為秋季與夏季是負(fù)荷高峰，如圖4所示。雖然在實(shí)際的風(fēng)電月度電量分布以及光伏發(fā)電月度電量分布存在一定程度的互補(bǔ)性，而從電力平衡角度而言，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電之間的互補(bǔ)性可以有效減少新能源發(fā)電的季節(jié)性影響。但仍存在新能源月度的實(shí)際用電需求與電量分布不匹配現(xiàn)象，如夏季用電負(fù)荷量相較于其他季度而言較高，而新能源發(fā)電量與發(fā)電效率較差，很難有效避免季節(jié)性的電量不平衡現(xiàn)象。

圖4 逐月用電量

二是當(dāng)用電負(fù)荷出在高峰時(shí)段時(shí)，新能源無(wú)法有效滿足電力平衡需求。通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)2018年中的迎峰度夏開(kāi)展階段中所產(chǎn)生的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行充分有效的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)處于7～8月新能源的出力較弱，整體電量貢獻(xiàn)少。通過(guò)深度分析新能源電量最低當(dāng)天，可發(fā)現(xiàn)該天中的新能源日發(fā)電量為6.1億kWh，但當(dāng)天的實(shí)際用電需求卻達(dá)到了174億kWh，根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)可知，新能源發(fā)電量?jī)H為當(dāng)天實(shí)際用電量貢獻(xiàn)了3.5%的電量，與全年平均電量相比較低。而在當(dāng)年的7～8月時(shí)段中，新能源發(fā)電的總電量為633億kWh，在該時(shí)段中的發(fā)電總電量中只占6.1%，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)新能源無(wú)法有效滿足電力平衡相關(guān)需求[2]。

1.3 高比例新能源系統(tǒng)中火電運(yùn)行現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化建設(shè)水平不斷提高，使我國(guó)用電需求不斷增高。但因電力需求增長(zhǎng)緩慢以及新能源裝機(jī)比重不斷提高等因素，近幾年火電相關(guān)設(shè)備總體利用小時(shí)數(shù)持續(xù)時(shí)間逐漸降低，呈下滑趨勢(shì)，如圖5和圖6所示。根據(jù)相關(guān)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)在2018年間的火電設(shè)備實(shí)際裝機(jī)容量為9.16億kW，與2017年相比總體增長(zhǎng)約為3%左右。但由于我國(guó)出臺(tái)了煤電停建、緩建相關(guān)政策，進(jìn)而影響了火力發(fā)電裝機(jī)中容量增長(zhǎng)速率，雖然活力發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度降低，但電力裝機(jī)整體容量仍呈上升趨勢(shì)。隨著我國(guó)大力推廣新能源的應(yīng)用，使新能源裝機(jī)占比逐年提升，在這種情況下導(dǎo)致火力發(fā)電小時(shí)數(shù)進(jìn)一步縮減。

圖5 國(guó)網(wǎng)逐年新能源裝機(jī)占比

圖6 國(guó)王逐漸火電利用小時(shí)數(shù)

2 基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的未來(lái)電力系統(tǒng)平衡問(wèn)題分析

借助搭建相關(guān)電力系統(tǒng)模型去量化研究高比例新能源電力系統(tǒng)的電力電量平衡問(wèn)題，該電力系統(tǒng)模型會(huì)把系統(tǒng)負(fù)荷以及新能源發(fā)電處理設(shè)置為根據(jù)時(shí)間差異變動(dòng)的序列，分析電網(wǎng)運(yùn)作模式時(shí)序變動(dòng)特點(diǎn)，在已經(jīng)確定的電力系統(tǒng)運(yùn)行邊界前提下，時(shí)序模擬不同電源運(yùn)行的情況以及發(fā)電和用電平衡，進(jìn)而獲取電網(wǎng)能夠消納的新能源電力電量。

2.1 優(yōu)化時(shí)序生產(chǎn)模擬模型的目標(biāo)

結(jié)合國(guó)內(nèi)對(duì)電力清潔轉(zhuǎn)型的標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)序生產(chǎn)模擬模型的優(yōu)化目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)最大化的新能源發(fā)電量，是指所有區(qū)域各個(gè)時(shí)段新能源功率總和要最大化，實(shí)際的目標(biāo)函數(shù)為：

其中，N代表該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的聚合電網(wǎng)總數(shù)；n代表某一聚合電網(wǎng)；T代表調(diào)度時(shí)間的整體長(zhǎng)度；t代表仿真時(shí)間的步長(zhǎng)；Pw（t，n）代表聚合電網(wǎng)n在時(shí)段t的風(fēng)電出力；PPV（t，n）代表聚合電網(wǎng)n在時(shí)段t的光伏發(fā)電出力[3]。

2.2 約束條件

2.2.1 電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量約束條件

其中，Pre和Nre 以此是正旋轉(zhuǎn)備用以及負(fù)旋轉(zhuǎn)備用；Pj,max（t，n）和Pj,min（t，n）以此是聚合電網(wǎng)n中第j類機(jī)組的出力上限以及出力下限[4]。

2.2.2 負(fù)荷平衡約束條件

結(jié)合跨區(qū)外送和風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)之后，系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束為：

3 算例研究

本文以國(guó)家電網(wǎng)為例，探討了在國(guó)家新一代高比重地區(qū)中，各地區(qū)新增發(fā)電容量與發(fā)電容量之間的關(guān)系。利用多個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的多個(gè)風(fēng)-光功率的時(shí)序采樣，對(duì)高比率新能源情景下的電力需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然后，對(duì)既要保證負(fù)荷可靠供應(yīng)，又要保證非化石能源的比例，又要考慮到在適當(dāng)?shù)臈夒娏壳闆r下，如何通過(guò)彈性調(diào)整方式來(lái)分配能力。另外，邊界狀況，包括區(qū)域內(nèi)各電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量和負(fù)載等。負(fù)載上，到了2025年，整個(gè)地區(qū)的電力總需求將達(dá)到638 TWh，平均每年增長(zhǎng)4.9%。最高功率為98.1GW，平均每年增長(zhǎng)5.8%.日最大的峰值落差達(dá)37%.根據(jù)2017年的負(fù)載曲線特征，建立了2025年的電力系統(tǒng)負(fù)荷需求數(shù)據(jù)。

負(fù)荷短缺和新能源棄用之間有一種“蹺蹺板”的關(guān)系，兩者交替出現(xiàn)，此消彼長(zhǎng)，兩者都與發(fā)電裝機(jī)有著密切的聯(lián)系。當(dāng)火電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，為了保證穩(wěn)定、可靠的供電，必須保證更大的啟動(dòng)能力，新能源的淘汰將會(huì)增多；為了確保高水平的新能源消納量，必須適當(dāng)?shù)亟档突痣姷膯?dòng)模式，從而造成電力短缺。當(dāng)負(fù)荷水平達(dá)到一定程度，新能源裝機(jī)量增大，啟動(dòng)模式增大，負(fù)荷保證能力得到加強(qiáng)；消納的空間會(huì)越來(lái)越小，消納的形勢(shì)也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)峻。

所以，在電網(wǎng)建設(shè)中，要充分考慮到新能源的出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)供電的有序供給，合理配置常規(guī)供電或靈活調(diào)整供電，以保證迎峰度夏和迎峰度冬的供電需求。根據(jù)以上計(jì)算，從保障電力供應(yīng)、合理?xiàng)夒?、不斷減少新發(fā)電量等方面，分別對(duì)三種情況進(jìn)行了分析：一是以供電為硬約束，在保證不出現(xiàn)缺電和新能源不棄電的情況下，以104.5GW的發(fā)電能力為基礎(chǔ)。在實(shí)際模擬中，為了保證不存在棄電、無(wú)限負(fù)載，要求火電機(jī)組經(jīng)常開(kāi)、停、調(diào)峰，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。二是保證以供電為硬約束，在保證不出現(xiàn)供電短缺的情況下，使新能源能夠維持合理的棄電量。根據(jù)計(jì)算，火力發(fā)電的裝機(jī)容量應(yīng)為1021GW，在此基礎(chǔ)上，放寬了棄用限制，可以適當(dāng)減少燃煤發(fā)電的啟動(dòng)模式；從而使我國(guó)燃煤發(fā)電裝機(jī)規(guī)模下降，并增加了非化石燃料的比重。三是消除保證用電的硬性限制，在計(jì)量過(guò)程中，通過(guò)對(duì)負(fù)荷的需求端進(jìn)行管理，保證電網(wǎng)的正常供電。

同時(shí)，將新能源的棄電量控制在5%以內(nèi)（棄用率不超過(guò)5%）將會(huì)使燃煤發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步下降。鑒于我國(guó)非化石能源比重的日益增長(zhǎng)，如果在可控負(fù)荷、虛擬儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等方面，再加上12 GW的可控負(fù)荷、虛擬儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等，計(jì)算出相應(yīng)的發(fā)電容量將與目前的發(fā)電規(guī)模相差無(wú)幾。在電網(wǎng)的實(shí)際操作中，增加可控負(fù)荷、電化學(xué)儲(chǔ)能等靈活的調(diào)節(jié)容量，既可以確保電力負(fù)荷的有序供應(yīng)，也可以實(shí)現(xiàn)新能源的合理?xiàng)売?，同時(shí)還可以有效地控制新的發(fā)電容量。充分調(diào)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、源、荷三方面的資源，以實(shí)現(xiàn)新能源的健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展；聯(lián)動(dòng)、有序的發(fā)展模式。在規(guī)劃方面，要統(tǒng)籌保障電力供應(yīng)，提高新能源消納水平，控制負(fù)荷和電化學(xué)儲(chǔ)存等靈活的調(diào)控方式，同時(shí)還要建立傳統(tǒng)的電力供應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新能源大量高比例應(yīng)用與電網(wǎng)，其的不確定性與波動(dòng)性會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電力電量平衡問(wèn)題造成較大的不良影響。本文根據(jù)新能源的特性，搭建了電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模型，同時(shí)對(duì)后續(xù)新能源高比例情況下所含有的電力平衡問(wèn)題展開(kāi)具體的研究，以此推動(dòng)電網(wǎng)電力的發(fā)展。經(jīng)過(guò)結(jié)果顯示，在后續(xù)新能源裝機(jī)繼續(xù)提高的基礎(chǔ)下，會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)棄光以及新電力短缺問(wèn)題。另外，電力短缺通常出現(xiàn)于夏季以及冬季，統(tǒng)一在負(fù)荷晚高峰時(shí)間。借助加設(shè)火電裝容量能夠有效改善此類問(wèn)題，但火電的應(yīng)用小時(shí)數(shù)量會(huì)減少。在實(shí)際合理的棄電率標(biāo)準(zhǔn)下，不僅能降低火電裝機(jī)容量，還需要借助可控負(fù)荷或者加設(shè)儲(chǔ)能等對(duì)策去確保電力電量的穩(wěn)定供應(yīng)。所以，若想要確保高比例新能源系統(tǒng)的電力供應(yīng)穩(wěn)定性，其需要持續(xù)優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，如電源結(jié)構(gòu)、布局等，進(jìn)而強(qiáng)化新能源的發(fā)電，充分滿足用電的訴求。不僅如此，還需要強(qiáng)化可控負(fù)荷等需求角度下響應(yīng)手段和儲(chǔ)能手段，利用源荷匹配去確保電力的穩(wěn)定供應(yīng)。