申建建，王 月，程春田，張聰通，周彬彬

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011)

1 研究背景

中國(guó)“雙碳”目標(biāo)下，風(fēng)、光等間歇性可再生能源并網(wǎng)規(guī)模將急劇增大，預(yù)計(jì)2030年、2050年新能源裝機(jī)比重將分別達(dá)到38%、70%[1]，如此大規(guī)模間歇性電源接入電網(wǎng)勢(shì)必加大棄風(fēng)、棄光風(fēng)險(xiǎn)[2]，導(dǎo)致電力系統(tǒng)短期運(yùn)行的靈活性調(diào)節(jié)需求大幅增加[3-4]，這種情況下如何量化風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)的靈活性需求、如何開(kāi)展風(fēng)光與水電、抽蓄等可調(diào)節(jié)電源互補(bǔ)運(yùn)行，就成為建設(shè)以新能源為主電力系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)，事關(guān)我國(guó)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和清潔能源消納[5]。

對(duì)于風(fēng)光電源規(guī)模較小的系統(tǒng)，采用備用容量預(yù)留可以有效應(yīng)對(duì)功率、負(fù)荷等不確定性。然而，隨著系統(tǒng)中風(fēng)光裝機(jī)占比不斷加大，受其發(fā)電出力的不確定性與大幅波動(dòng)影響，預(yù)留備用容量的方法會(huì)顯著增加系統(tǒng)成本[6-7]，核心問(wèn)題在于準(zhǔn)確量化消納不確定性風(fēng)光發(fā)電的靈活性需求。目前已有研究提出了一些靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)，總體可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是評(píng)價(jià)資源靈活性供給能力的指標(biāo)[8-9]，包括爬坡能力、最短啟停時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、最小穩(wěn)定出力等，爬坡能力決定了負(fù)荷跟蹤能力，最短啟停時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間則影響著爬坡速率，而最小穩(wěn)定出力限制了下調(diào)幅度。這些指標(biāo)主要用于比較不同資源的靈活性調(diào)節(jié)能力，常作為調(diào)度模型的輸入?yún)?shù)[10-11]，以確定系統(tǒng)可提供的靈活性調(diào)節(jié)能力；第二類(lèi)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)靈活性需求的指標(biāo)[12-13]，包括凈負(fù)荷爬坡率、爬坡加速度，分別指凈負(fù)荷隨時(shí)間變化的導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，二者共同決定了凈負(fù)荷曲線的變化趨勢(shì)，主要用于分析日內(nèi)的負(fù)荷變化特征，以量化靈活性需求，這樣就可以評(píng)估系統(tǒng)需要多少靈活性資源來(lái)滿足負(fù)荷的不確定性[14-15]；第三類(lèi)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)靈活性供需關(guān)系的指標(biāo)，包括系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力無(wú)法滿足需求時(shí)的靈活性不足概率及期望[16-17]，主要用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的整體靈活性水平；由于靈活性資源的上調(diào)能力與下調(diào)能力確定方式不同，使得靈活性上調(diào)與下調(diào)能力可能存在較大差距，所以在進(jìn)行靈活性供需分析時(shí)，可以進(jìn)一步分為上調(diào)和下調(diào)靈活性不足概率及期望[18]，以分別表示系統(tǒng)靈活性上調(diào)、下調(diào)能力對(duì)需求的滿足情況。在考慮風(fēng)光靈活性需求的多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)方面，通常采用約束集成或目標(biāo)準(zhǔn)則兩種形式構(gòu)建優(yōu)化模型，前者是將不確定性問(wèn)題邊界化處理，后者傾向于從清潔能源消納、系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定、綜合效益等方面建立優(yōu)化準(zhǔn)則?？傮w來(lái)看，目前靈活性需求的量化大多側(cè)重確定性層面，但由于風(fēng)光出力的時(shí)空不確定性，靈活性需求實(shí)際也是動(dòng)態(tài)變化的[19-20]，因此在多電源互補(bǔ)調(diào)度中考慮靈活性的變化特性是非常重要的，關(guān)鍵在于如何時(shí)空配置靈活性調(diào)節(jié)能力以應(yīng)對(duì)全周期靈活性需求，這對(duì)于間歇性新能源占比較大的電力系統(tǒng)尤為重要[21-22]。

針對(duì)上述問(wèn)題，依托云南電網(wǎng)實(shí)際工程，提出高比例水風(fēng)光可再生能源電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)及短期互補(bǔ)調(diào)度方法。構(gòu)建考慮風(fēng)光出力不確定性的靈活性需求量化方法，采用分位點(diǎn)劃分風(fēng)光出力區(qū)間，生成不同概率的出力場(chǎng)景，并給出各場(chǎng)景靈活性需求；構(gòu)建考慮系統(tǒng)靈活性不足期望最小和靈活性裕量期望最大的水風(fēng)光互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度模型，從不同來(lái)水條件、不同新能源接入比例、不同風(fēng)光裝機(jī)比例、水電機(jī)組特性、不同調(diào)峰需求等方面進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2 系統(tǒng)靈活性需求量化方法與評(píng)估模型

電力系統(tǒng)靈活性是平衡可再生能源發(fā)電不確定性以及預(yù)測(cè)誤差的能力，也可描述為發(fā)電機(jī)組響應(yīng)凈負(fù)荷變化和不確定性的能力。本文重點(diǎn)關(guān)注日前發(fā)電調(diào)度的爬坡和調(diào)峰靈活性，其中需求來(lái)源于風(fēng)光出力的不確定性，供給則取決于水電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)平衡要求全時(shí)段靈活性供給大于需求，可描述為：

(1)

以下將從靈活性需求量化、靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)、靈活性評(píng)估模型三方面進(jìn)行描述，圖1為技術(shù)路線。

圖1 靈活性需求量化及應(yīng)用思路

2.1 風(fēng)光電站集群靈活性需求量化方法本文風(fēng)光電站集群靈活性需求量化的思路是：利用風(fēng)光電站集群出力概率分布確定適合的出力區(qū)間及發(fā)生概率，并生成與之適應(yīng)的出力場(chǎng)景集，與面臨日前發(fā)電計(jì)劃相結(jié)合，描述不同場(chǎng)景的靈活性需求。

(1)構(gòu)建出力概率分布函數(shù)。本文采用核密度估計(jì)來(lái)建立風(fēng)光發(fā)電出力概率分布函數(shù)。假設(shè)x1，x2，…，xn為隨機(jī)變量X的n個(gè)樣本，設(shè)其概率密度函數(shù)為fh(x)，則可表示為：

(2)

式中：h為平滑參數(shù)，也稱為帶寬；K(·)為核函數(shù)。

將fh(x)進(jìn)行積分運(yùn)算，進(jìn)一步得到出力的概率分布函數(shù)F(x)，具體如下：

(3)

(2)劃分出力區(qū)間。采用分位點(diǎn)方法將概率分布函數(shù)轉(zhuǎn)換為區(qū)間，若F(x)的α分位點(diǎn)為xα，計(jì)算公式為：

xα=F-1(α)

(4)

根據(jù)風(fēng)光電站集群各時(shí)段的出力概率分布函數(shù)，可得到α分位點(diǎn)的各時(shí)段出力：

(5)

(6)

圖2 出力場(chǎng)景生成原理圖

(7)

本文擬以步長(zhǎng)0.01設(shè)置分位點(diǎn)，即取α1=0，α2=0.01，α3=0.02，…，αM+1=1。由此可得到一系列出力場(chǎng)景及其對(duì)應(yīng)概率：

(8)

(4)描述靈活性需求。以場(chǎng)景m為例，若該場(chǎng)景某時(shí)段出力小于計(jì)劃出力，則該時(shí)段靈活性上調(diào)需求可表示為式(9)，靈活性下調(diào)需求則為0；反之，若該場(chǎng)景某時(shí)段出力大于計(jì)劃出力，則該時(shí)段靈活性下調(diào)需求可表示為式(10)，靈活性上調(diào)需求則為0，見(jiàn)圖3。

圖3 靈活性需求示意圖

(9)

(10)

2.2 靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)及算法引入靈活性上調(diào)和下調(diào)裕量期望、靈活性上調(diào)和下調(diào)不足概率及期望六個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的靈活性。

(1)靈活性上調(diào)裕量期望。t時(shí)段在上調(diào)靈活性充足的情況下靈活性上調(diào)能力與上調(diào)需求差值的期望，計(jì)算公式如下：

(11)

(2)靈活性下調(diào)裕量期望。t時(shí)段在下調(diào)靈活性充足的情況下靈活性下調(diào)能力與下調(diào)需求差值的期望，計(jì)算公式如下：

(12)

(3)靈活性上調(diào)不足概率。t時(shí)段靈活性上調(diào)能力不能滿足需求的概率，計(jì)算公式如下：

(13)

(4)靈活性下調(diào)不足概率。t時(shí)段靈活性下調(diào)能力不能滿足需求的概率，計(jì)算公式如下：

(14)

(5)靈活性上調(diào)不足期望。t時(shí)段因上調(diào)能力不足而導(dǎo)致的靈活性上調(diào)需求與上調(diào)能力差值的期望，計(jì)算公式如下：

(15)

(6)靈活性下調(diào)不足期望。t時(shí)段因下調(diào)能力不足而導(dǎo)致的靈活性下調(diào)需求與下調(diào)能力差值的期望，計(jì)算公式如下：

(16)

2.3 靈活性評(píng)估模型當(dāng)靈活性調(diào)節(jié)能力足夠時(shí)，靈活性裕量期望越大，意味著系統(tǒng)的靈活性響應(yīng)能力越強(qiáng)，因此以各集群的靈活性裕量期望之和最大為目標(biāo)優(yōu)化靈活性調(diào)節(jié)電源，確定靈活性調(diào)節(jié)能力在各集群間的合理分配，目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(17)，記為模型一。

(17)

當(dāng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，靈活性不足期望越小，意味著間歇性新能源并網(wǎng)帶來(lái)的平衡和安穩(wěn)運(yùn)行影響越小，此時(shí)采用各集群的靈活性不足期望之和最小目標(biāo)優(yōu)化靈活性調(diào)節(jié)電源，確定靈活性調(diào)節(jié)能力在各集群間的合理分配，目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(18)，記為模型二。

(18)

模型一適用于靈活性調(diào)節(jié)能力滿足所有場(chǎng)景需求，即對(duì)于任意場(chǎng)景m、集群i、時(shí)段t，均滿足約束條件(1)；模型二適用于靈活性調(diào)節(jié)能力不能滿足所有場(chǎng)景需求，即存在某一場(chǎng)景m、集群i、時(shí)段t，無(wú)法滿足約束條件(1)。模型一與模型二的約束條件分別為式(19)—(29)與式(20)—(29)。決策變量均為水電站各時(shí)段出力。本文中所用水電站均參與靈活性調(diào)節(jié)的優(yōu)化調(diào)度。

約束條件如下：

(1)靈活性供需關(guān)系

(19)

(2)靈活性調(diào)節(jié)能力

(20)

(21)

(3)水量平衡約束

(22)

式中：Vn，t+1、Vn，t分別為第n個(gè)水電站在t+1和t時(shí)刻的庫(kù)容，m3；QIn，t為第n個(gè)水電站在時(shí)段t的入庫(kù)流量，m3/s；QUn，t為第n個(gè)水電站在時(shí)段t的出庫(kù)流量，m3/s；Δt為t時(shí)段的小時(shí)數(shù)；QEn，t為第n個(gè)水電站在時(shí)段t的區(qū)間入庫(kù)流量，m3/s；τn-1為從第n-1個(gè)水庫(kù)到第n個(gè)水庫(kù)的水流滯時(shí)；QDn，t為第n個(gè)水電站在時(shí)段t的發(fā)電流量，m3/s；QSn，t為第n個(gè)水電站在時(shí)段t的棄水流量，m3/s。

(4)始末水位約束

(23)

(5)庫(kù)水位約束

(24)

(6)發(fā)電流量約束

(25)

(7)出庫(kù)流量約束

(26)

(8)水電站出力約束

(27)

(9)水電站出力爬坡約束

(28)

(10)調(diào)峰控制需求

(29)

式中：Rmax、Rmin分別為剩余負(fù)荷的最大值和最小值，MW；ΔR為剩余負(fù)荷峰谷差控制需求，MW；Rt為時(shí)段t的剩余負(fù)荷，MW；PLt為t時(shí)段系統(tǒng)總負(fù)荷，MW。該約束主要是響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰需求。

采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)靈活性需求量化，并將該結(jié)果作為靈活性評(píng)估模型的輸入，構(gòu)建了水風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)的短期調(diào)度模型，使用LINGO軟件中的MILP方法進(jìn)行兩階段求解，當(dāng)模型一沒(méi)有可行解時(shí)，進(jìn)行模型二求解。

3 實(shí)例分析

3.1 工程背景以云南某地區(qū)5個(gè)風(fēng)光電站集群及6座梯級(jí)水電站構(gòu)成的可再生能源系統(tǒng)為例進(jìn)行方法驗(yàn)證，計(jì)算時(shí)間尺度為15 min，數(shù)據(jù)采集范圍為2017年1月1日至2019年12月31日。選取2019年枯、汛期典型日進(jìn)行仿真計(jì)算，利用典型日所屬月份的實(shí)際出力構(gòu)建風(fēng)光電站集群概率分布函數(shù)，模型輸入中的水庫(kù)始末水位、區(qū)間徑流、出力上下限、爬坡能力等均為電站實(shí)際參數(shù)。表1給出了各電站的基本情況。為驗(yàn)證本文方法，將風(fēng)光裝機(jī)容量占比提升為30%進(jìn)行模擬分析。

表1 電站屬性

3.2 風(fēng)光電站集群靈活性需求量化為避免風(fēng)光電站裝機(jī)變化的影響，采用出力率(出力與裝機(jī)的比值)代替出力數(shù)據(jù)構(gòu)建各集群的概率分布函數(shù)，并采用上文方法量化風(fēng)光電站集群的靈活性需求。以某集群為例，采用分位點(diǎn)劃分出力區(qū)間，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，上下兩側(cè)區(qū)間較寬、中間較窄，符合各時(shí)段出力的分布特征。接著取各區(qū)間的中心線代表出力區(qū)間，得到一系列出力場(chǎng)景，結(jié)果見(jiàn)圖5。出力曲線兩側(cè)稀疏、中間密實(shí)，表明出力曲線位于中間的概率明顯大于兩側(cè)，能夠合理描述電站集群的出力不確定性。最后計(jì)算靈活性需求，將靈活性下調(diào)需求取相反數(shù)與上調(diào)需求繪于圖6，可以看出，靈活性上調(diào)需求與下調(diào)需求呈互補(bǔ)狀態(tài)，上調(diào)需求較大時(shí)，則下調(diào)需求較小，反之亦反。

圖4 集群出力區(qū)間劃分結(jié)果

圖5 集群出力場(chǎng)景

圖6 出力靈活性調(diào)節(jié)需求

3.3 不同來(lái)水條件對(duì)靈活性的影響云南電網(wǎng)的靈活性調(diào)節(jié)電源主要為水電，考慮到水電的調(diào)節(jié)能力與來(lái)水有很大關(guān)系，因此選取枯、汛期兩個(gè)典型日分別分析。結(jié)果顯示，枯期典型日的靈活性不足期望約26 MW，汛期典型日的靈活性不足期望為0。圖7給出了枯期典型日靈活性調(diào)節(jié)能力圖?？梢钥闯?，靈活性上調(diào)供給能力為水平直線且與水電機(jī)組的爬坡能力相當(dāng)，表明在枯期靈活性上調(diào)供給能力主要取決于水電機(jī)組的爬坡能力；靈活性下調(diào)供給能力在0∶00—7∶30、14∶00—17∶00時(shí)段區(qū)間內(nèi)較小，原因是該時(shí)段內(nèi)水電出力較小，最大下調(diào)空間即為電站出力，因此靈活性下調(diào)供給能力主要受水電出力大小影響；在7∶30—14∶00、17∶00—24∶00時(shí)段區(qū)間內(nèi)靈活性下調(diào)供給為水平直線，表明該時(shí)段區(qū)間內(nèi)靈活性下調(diào)供給能力主要由水電機(jī)組的爬坡能力控制。

圖7 枯期典型日靈活性調(diào)節(jié)能力圖

表2給出了枯期典型日各集群靈活性不足概率，可以看出，各集群的上調(diào)靈活性不足概率均在7%以下，下調(diào)靈活性不足概率均在3%以下。圖8為各集群的靈活性供需關(guān)系圖(其中靈活性調(diào)節(jié)需求根據(jù)枯期典型日的計(jì)劃出力與實(shí)測(cè)出力進(jìn)行計(jì)算)，分析可知，各集群不同時(shí)段的靈活性調(diào)節(jié)能力均能滿足需求，體現(xiàn)了靈活性能力時(shí)序分配的合理性。

表2 枯期典型日靈活性不足概率 (單位： %)

圖8 枯期典型日靈活性供需關(guān)系

圖9給出了汛期典型日靈活性調(diào)節(jié)能力圖。可以看出，靈活性上調(diào)、下調(diào)供給均接近直線，表明汛期靈活性供給能力主要受限于電站出力爬坡能力。圖10為汛期典型日各集群的靈活性供需關(guān)系圖，可以看出，所有集群各時(shí)段的靈活性調(diào)節(jié)能力均滿足了需求，說(shuō)明了集群間靈活性調(diào)節(jié)能力分配的合理性。

圖9 汛期典型日靈活性調(diào)節(jié)能力圖

圖10 汛期典型日靈活性供需關(guān)系

對(duì)比汛期與枯期結(jié)果，發(fā)現(xiàn)汛期的系統(tǒng)靈活性較枯期更易滿足，原因是汛期通常為枯風(fēng)期，風(fēng)電站整體出力小，波動(dòng)范圍也相對(duì)較??；且汛期多陰雨天氣，光伏電站的整體出力與波動(dòng)范圍也很小。因此，雖然汛期水電的靈活性調(diào)節(jié)能力與枯期相當(dāng)，但風(fēng)光出力波動(dòng)所帶來(lái)的靈活性需求相對(duì)較小，所以靈活性供給能力易滿足靈活性需求。

考慮到枯期新能源出力及其波動(dòng)變大，靈活性調(diào)節(jié)需求較大，因此下文重點(diǎn)針對(duì)枯期典型日進(jìn)行分析。

3.4 新能源接入比例對(duì)靈活性的影響考慮到未來(lái)間歇性能源接入電網(wǎng)的比例會(huì)逐步增大，所以很有必要分析不同新能源裝機(jī)占比的靈活性調(diào)節(jié)關(guān)系。分別選取新能源裝機(jī)占比從10%～70%七種情況進(jìn)行對(duì)比分析。引入棄電率(棄電量/總發(fā)電量)指標(biāo)，來(lái)表示新能源的利用情況，計(jì)算公式如下：

(30)

式中：EBt為t時(shí)段由于靈活性調(diào)節(jié)能力不足而產(chǎn)生的實(shí)際棄風(fēng)、棄光電量，kWh；Et為t時(shí)段風(fēng)光電站總發(fā)電量，kWh。

表3為不同新能源裝機(jī)占比的靈活性指標(biāo)?？梢钥闯?，當(dāng)新能源裝機(jī)占比小于20%時(shí)，靈活性需求能夠得到滿足；當(dāng)新能源裝機(jī)占比達(dá)到30%時(shí)，靈活性調(diào)節(jié)不足期望為26.1 MW，靈活性調(diào)節(jié)不足概率為4.22%，調(diào)節(jié)靈活性缺口相對(duì)較小。當(dāng)新能源裝機(jī)占比達(dá)到30%以上，由于水電的靈活性調(diào)節(jié)能力有限，靈活性調(diào)節(jié)不足期望及概率隨著新能源裝機(jī)比重增加而不斷增大，棄電率也隨之增大，當(dāng)新能源發(fā)電量較大時(shí)，棄電量不容忽視。圖11為不同新能源裝機(jī)占比的靈活性不足期望和概率變化趨勢(shì)，可以看出，新能源裝機(jī)占比超20%后，系統(tǒng)靈活性不足概率隨新能源裝機(jī)占比大致呈線性增長(zhǎng)，靈活性不足期望隨新能源裝機(jī)占比大致呈二次增長(zhǎng)。

圖11 靈活性不足期望與靈活性不足概率隨新能源裝機(jī)占比變化規(guī)律

表3 不同新能源裝機(jī)占比下的計(jì)算結(jié)果

綜上所述，當(dāng)前靈活性水平下，該電力系統(tǒng)能夠接納的風(fēng)光極限容量約為系統(tǒng)總裝機(jī)容量的30%。高于此比例會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足，威脅電力系統(tǒng)的安穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，這一結(jié)果可以為電網(wǎng)未來(lái)規(guī)劃風(fēng)光等新能源電站裝機(jī)容量提供參考。

3.5 風(fēng)光裝機(jī)比例對(duì)靈活性的影響不同比例的風(fēng)光發(fā)電出力特性區(qū)別較大，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也不盡相同。本部分重點(diǎn)研究風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)比例對(duì)靈活性的影響，為便于分析，將不同裝機(jī)比例的風(fēng)光電站匯聚為一個(gè)集群進(jìn)行研究，風(fēng)光總裝機(jī)占比設(shè)置為系統(tǒng)的30%。為方便闡述，定義風(fēng)光比例系數(shù)λ，計(jì)算公式如下：

(31)

式中Pw、Ps分別為風(fēng)電站和光電站的裝機(jī)容量。

表4為不同風(fēng)光比例系數(shù)的靈活性調(diào)節(jié)不足期望及概率，可以看出，風(fēng)光比例系數(shù)在0.5～0.6之間時(shí)，系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)不足期望最小。圖12給出了靈活性不足期望與靈活性不足概率隨風(fēng)光比例系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出，靈活性不足期望與不足概率隨風(fēng)光比例系數(shù)變化規(guī)律基本一致，即隨風(fēng)光比例系數(shù)的變大先減小后增大。從兩方面解釋?zhuān)?dāng)光電裝機(jī)占比較大時(shí)，其發(fā)電出力會(huì)顯著影響負(fù)荷曲線的形狀，從而增大負(fù)荷峰谷差，如圖13所示。為滿足調(diào)峰控制需求，水電站會(huì)在負(fù)荷低谷以較小出力運(yùn)行，因此靈活性下調(diào)能力缺額較大；當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)占比較大時(shí)，由于風(fēng)電的不確定性更大，靈活性需求更大，同樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力不足。因此只有當(dāng)風(fēng)光電比例在合理范圍時(shí)，才能有效降低對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖12 靈活性不足期望與靈活性不足概率隨風(fēng)光比例系數(shù)變化規(guī)律

圖13 枯期典型日日負(fù)荷平衡圖(λ=0)

表4 不同風(fēng)光比例系數(shù)的靈活性調(diào)節(jié)不足期望和概率

3.6 水電機(jī)組特性對(duì)靈活性的影響水電機(jī)組特性決定了系統(tǒng)能夠提供的靈活性調(diào)節(jié)能力，本節(jié)探究水電機(jī)組的爬坡能力對(duì)靈活性的影響，爬坡能力的數(shù)據(jù)(Nramp)取自水電站實(shí)際參數(shù)。表5給出了不同爬坡能力下的計(jì)算結(jié)果，可以看出，隨著爬坡能力不斷增大，靈活性調(diào)節(jié)不足期望和概率逐漸減小，因此可通過(guò)改善水電機(jī)組出力調(diào)節(jié)速率和幅度來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性。

表5 不同爬坡能力的靈活性指標(biāo)

3.7 不同調(diào)峰控制需求對(duì)靈活性的影響水電站在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)時(shí)，呈現(xiàn)負(fù)荷低谷出力小、負(fù)荷高峰出力大的發(fā)電規(guī)律，這種情況可能會(huì)造成負(fù)荷低谷靈活性下調(diào)能力不足，而負(fù)荷高峰靈活性上調(diào)能力不足。本節(jié)探究調(diào)峰控制需求對(duì)靈活性的影響。

表6給出了不同調(diào)峰控制需求的靈活性指標(biāo)，可以看出，隨著調(diào)峰控制需求逐漸變大，靈活性不足期望和概率逐漸減小。原因是設(shè)置的余荷峰谷差控制上限增大后，水電站在負(fù)荷低谷時(shí)段的出力變大，使得靈活性下調(diào)能力變大，靈活性下調(diào)不足期望及概率減小。然而，靈活性不足期望并不是能夠無(wú)限減小，主要有以下兩點(diǎn)原因：一是受水電站爬坡能力限制，靈活性下調(diào)能力增大存在邊界；二是枯期水電站整體出力較小，調(diào)峰控制需求對(duì)靈活性上調(diào)能力影響不大，無(wú)法減小靈活性上調(diào)不足期望。因此在靈活性不足期望減小到一定程度后，難以繼續(xù)減小。

表6 不同調(diào)峰控制需求下的靈活性指標(biāo)

圖14給出了不同調(diào)峰控制需求下靈活性下調(diào)能力變化過(guò)程，00∶00—08∶00負(fù)荷低谷期間水電站出力較小，因此可下調(diào)空間也相對(duì)較小，08∶00—24∶00負(fù)荷較大，水電站出力大，這段時(shí)間的靈活性下調(diào)能力主要受爬坡限制，所以該時(shí)段間的下調(diào)能力差異較小。對(duì)比幾種下調(diào)能力曲線，可以發(fā)現(xiàn)靈活性下調(diào)能力隨著調(diào)峰控制需求變大而變大，達(dá)到爬坡能力限制時(shí)將保持不變。

圖14 不同調(diào)峰控制需求下的靈活性下調(diào)能力變化

3.8 不同方法對(duì)比分析為驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性，采用確定性模型進(jìn)行計(jì)算，即根據(jù)出力概率分布函數(shù)確定某一特定置信水平的出力區(qū)間，結(jié)合面臨計(jì)劃出力得到靈活性上調(diào)、下調(diào)需求，以靈活性不足最小為目標(biāo)進(jìn)行求解，并與本文方法結(jié)果進(jìn)行比較分析。

表7給出了不同新能源裝機(jī)占比下兩種方法的棄電率，可以看出，各種新能源裝機(jī)占比情景下本文方法的棄電率均比較小，有利于減少棄風(fēng)、棄光，且新能源裝機(jī)占比越大，棄電減幅越大，更有利于清潔能源消納。

表7 不同方法結(jié)果對(duì)比分析

4 結(jié)論

本文從水風(fēng)光互補(bǔ)短期靈活性需求出發(fā)，提出靈活性需求量化方法及互補(bǔ)優(yōu)化準(zhǔn)則，并通過(guò)云南某地5個(gè)新能源電站集群、6座梯級(jí)水電站構(gòu)成的互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到以下結(jié)論：(1)風(fēng)光電站并網(wǎng)的靈活性需求具有時(shí)空不確定性，通過(guò)出力區(qū)間分割和不同概率場(chǎng)景描述其不確定性，能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性需求變化；(2)汛期風(fēng)光電站整體出力水平較低，波動(dòng)性和不確定性較小，較枯期的靈活性需求更易滿足；(3)對(duì)于文中實(shí)例工程，當(dāng)風(fēng)光裝機(jī)容量占比超過(guò)系統(tǒng)總裝機(jī)30%時(shí)，靈活性不足期望及概率會(huì)急劇增加，系統(tǒng)靈活性嚴(yán)重不足，可以利用該指標(biāo)確定當(dāng)前靈活性水平下系統(tǒng)可并網(wǎng)新能源極限發(fā)電容量；(4)風(fēng)光裝機(jī)比例對(duì)系統(tǒng)靈活性影響較大，保持合理的風(fēng)光電源比例，可有效降低靈活性不足期望，降低系統(tǒng)的靈活性需求；(5)在一定范圍內(nèi)系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)水平主要取決于水電機(jī)組爬坡能力，但達(dá)到一定閾值后，靈活性水平不再隨機(jī)組爬坡能力變化；(6)調(diào)峰需求對(duì)靈活性調(diào)節(jié)能力有較大影響，枯、汛期分別容易導(dǎo)致靈活性下調(diào)、上調(diào)能力不足，因此在各水電站之間合理分配調(diào)峰需求十分重要，有利于減小對(duì)靈活性供給的影響。