王耀華， 焦冰琦， 張富強， 馮君淑， 伍聲宇

(國網(wǎng)能源研究院， 北京市 102209)

計及高比例可再生能源運行特性的中長期電力發(fā)展分析

王耀華， 焦冰琦， 張富強， 馮君淑， 伍聲宇

(國網(wǎng)能源研究院， 北京市 102209)

面對日益嚴峻的氣候和環(huán)境問題，過去的高消耗、高排放的能源發(fā)展模式已難以為繼，建立以可再生能源為主體的能源，特別是電力供應(yīng)體系，實現(xiàn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展成為大勢。首先,介紹了面向高比例可再生能源的中長期電力發(fā)展研究思路。接著,提出了多區(qū)域、多場景中長期電力規(guī)劃模型，該模型以全社會電力供應(yīng)成本最小化為優(yōu)化目標，考慮了電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃、運行、發(fā)電資源及能源電力政策等多方面約束；通過電力系統(tǒng)運行模擬在規(guī)劃問題內(nèi)的適度耦合，可計及風光等可再生能源發(fā)電的隨機性與波動性。最后，基于所提規(guī)劃模型，展望了中國2050年高比例可再生能源電力系統(tǒng)的電源格局與電力流，并對系統(tǒng)整體運行情況進行了分析。

電力發(fā)展; 可再生能源; 高比例; 多區(qū)域; 多場景; 規(guī)劃與運行; 運行模擬

0 引言

為破解當前能源發(fā)展面臨的資源緊張、環(huán)境污染及氣候變化等諸多挑戰(zhàn)，努力降低對化石能源的依賴，逐步構(gòu)建以低碳、可再生的清潔能源為主體的新型能源系統(tǒng)，已成為世界各國的共同選擇[1]。由于清潔能源主要轉(zhuǎn)化為電力使用，某種意義上，電力行業(yè)不僅處在能源轉(zhuǎn)型的重要位置，也是推動轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并在一定程度上決定轉(zhuǎn)型的效果及成敗。在此背景下，研究未來電力系統(tǒng)的發(fā)展顯得十分必要[2-3]。

未來電力系統(tǒng)的清潔、低碳、綠色發(fā)展方向[4-6]，定將促使以風電、太陽能發(fā)電為代表的可再生能源加速發(fā)展。中國能源發(fā)展相關(guān)政策[7]提出，到2030年，非化石能源占一次能源消費比重達到20%，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭達到50%；到2050年非化石能源占比超過一半。部分研究機構(gòu)[8]提出了更為激進的發(fā)展目標，到2050年形成可再生能源為主的能源體系，可再生能源裝機容量占總電源裝機容量的82.5%，可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的比例達到85%以上。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)電力系統(tǒng)的最大不同點是：風電、太陽能發(fā)電廣泛而大規(guī)模地接入電力系統(tǒng)，發(fā)電的隨機性與波動性致使電力系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)[9]。具體到電力規(guī)劃模型，體現(xiàn)在：一方面，以傳統(tǒng)的凈持續(xù)負荷曲線為基礎(chǔ)的投資決策方法已不適用；另一方面，要分析可再生能源、靈活性資源等運行層面影響，必須要開展細時間尺度運行模擬，而運行模擬對未來電力系統(tǒng)信息要求過于復雜[10]。在規(guī)劃模型中適度耦合運行模擬，考慮高比例可再生能源影響的同時，保留規(guī)劃問題對宏觀發(fā)展問題的聚焦是關(guān)鍵。

目前有不少關(guān)于規(guī)劃及運行模擬一體化模型。文獻[10]建立了多區(qū)域、多能源、多維度的電力規(guī)劃及生產(chǎn)模擬模型，通過迭代的方式將規(guī)劃與運行銜接在一起，以實現(xiàn)2050年可再生能源發(fā)展路徑研究。文獻[11]提出了源網(wǎng)荷綜合規(guī)劃模型，計及各環(huán)節(jié)主要要素對規(guī)劃方案的影響，優(yōu)化確定最佳的電源和電網(wǎng)擴展規(guī)劃方案。文獻[12]考慮區(qū)域需求與資源差異以及相鄰區(qū)域間電力交換需求，建立了多區(qū)域電源規(guī)劃模型。在此基礎(chǔ)上，文獻[13]進一步考慮區(qū)間輸電通道容量和長距離跨區(qū)輸電需求，建立了基于電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多區(qū)域電源及電力流規(guī)劃模型，文中案例也研究了不同政策情景對規(guī)劃方案的影響。文獻[14-15]基于多區(qū)域多期優(yōu)化模型，重點研究了電力行業(yè)在長期氣候政策框架下的作用和影響，以及清潔發(fā)電計劃在中國電力行業(yè)應(yīng)用中的滲透率障礙?，F(xiàn)有的大多數(shù)規(guī)劃及運行模擬一體化模型中，并未深入分析高比例可再生能源對電力規(guī)劃與運行的影響。雖有文獻提及高比例可再生發(fā)電占比[11]，但方法上考慮相對簡單。

面向未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展愿景，本文參考國家能源發(fā)展相關(guān)政策建議，考慮不同發(fā)展階段下各類可再生能源技術(shù)進步及成本下降趨勢，計及風光等可再生能源出力的隨機性與波動性，提出建立多區(qū)域、多場景中長期電力規(guī)劃模型；通過電力規(guī)劃與運行層面的適度耦合，開展適應(yīng)高比例可再生能源接入的電力發(fā)展展望研究。

1 研究思路

面向高比例可再生能源的中長期電力發(fā)展研究是以實現(xiàn)國民經(jīng)濟發(fā)展、保障生態(tài)氣候環(huán)境、承載能源革命使命等為目標，以能源電力發(fā)展的政策環(huán)境以及國家和地方發(fā)布的有關(guān)規(guī)劃、政策等為基礎(chǔ)，綜合考慮中國能源資源條件、供需格局、開發(fā)進度、建設(shè)周期等各個方面。具體研究思路是：根據(jù)各區(qū)域發(fā)電資源的開發(fā)潛力、開發(fā)條件和用能需求，以規(guī)劃期內(nèi)全社會電力供應(yīng)總成本最低為目標，以能源供應(yīng)能力、電力電量平衡、系統(tǒng)運行、環(huán)境空間等為約束條件，構(gòu)設(shè)優(yōu)化問題，并求解得到非化石能源發(fā)電的開發(fā)規(guī)模時序、各種類型電源和儲能的裝機規(guī)模和布局、跨省區(qū)電力輸送規(guī)模等?？傮w框架如圖1所示。

圖1 面向高比例可再生能源的中長期電力發(fā)展研究思路框圖Fig.1 Research framework of medium and long-term electric power development in face of high proportion of renewable energy

基于此研究思路，本文提出采用多區(qū)域、多場景中長期電力規(guī)劃模型。多區(qū)域，即結(jié)合現(xiàn)有電網(wǎng)劃分層次以及送受端關(guān)系，并考慮未來電網(wǎng)的互聯(lián)互通需求，將全國劃分為若干區(qū)域，統(tǒng)籌考慮區(qū)域內(nèi)與區(qū)域間的供需及聯(lián)絡(luò)需求。多場景，即針對各區(qū)域的資源稟賦與負荷需求特點，選用若干典型場景來表征風光出力與負荷需求變化特性，并逐場景簡單模擬高比例可再生能源電力系統(tǒng)的運行特性。典型場景可以采用聚類方法形成[16]。

2 多區(qū)域多場景中長期電力規(guī)劃模型

2.1 優(yōu)化目標

以展望期內(nèi)全社會電力供應(yīng)總成本最小為優(yōu)化目標，包括各區(qū)域不同水平年的投資、運維、燃料、排放成本及設(shè)備殘值，即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2 主要約束

所考慮約束包括電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃約束、電力系統(tǒng)運行約束、發(fā)電資源約束、能源電力發(fā)展政策約束等。

1)電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃約束

主要根據(jù)展望期內(nèi)逐水平年新增及退役情況，動態(tài)修正電源裝機及跨區(qū)通道輸電容量，即

?z∈Z,t∈T,m∈Mz,i∈Mz,m

(7)

?z∈Z,t∈T,m∈Mz,i∈Mz,m

(8)

(9)

式中：ym,i為電源m中機組i的運行壽命，若t-ym,i未落入展望期，則追溯到展望期前的對應(yīng)年份;Lz為起點或終點在區(qū)域z的跨區(qū)通道集，下標z∈Z。

2)電力系統(tǒng)運行約束

主要計及各區(qū)域逐水平年各場景中的電力平衡約束、系統(tǒng)充裕度約束、電源出力約束、跨區(qū)輸電約束等。

各典型場景逐時需要確保電力供需平衡，即

?z∈Z,t∈T,s∈Sz,n∈N

(10)

根據(jù)電力平衡約束，可以測算各區(qū)域各類電源及通道的逐年累積發(fā)電與交換電量，即

(11)

(12)

式中：yt為對應(yīng)水平年的公歷天數(shù)；ρz,t,s為所考慮的風光負荷場景s出現(xiàn)的概率。

系統(tǒng)充裕度約束確保有足夠裝機容量滿足峰值負荷需求，即

(13)

電源出力約束主要確保各類機組運行出力在合理范圍內(nèi)，即

i∈Mz,m,s∈Sz,n∈N

(14)

s∈Sz,n∈N

(15)

儲能運行需同時考慮出力與存儲能力約束，即

s∈Sz,n∈N

(16)

s∈Sz,n∈N

(17)

式(16)給出了逐時段儲能發(fā)電和蓄電功率約束，其中式(17)給出了儲能存儲能力約束，對于抽水蓄能，需要按式(17)分別建立其上下水庫的存儲能力約束；對于帶儲能的光熱發(fā)電，需要將式(15)與式(17)聯(lián)合建模。

跨區(qū)輸電約束確保通道交換功率在合理范圍內(nèi)，即

(18)

3)發(fā)電資源約束

主要考慮各類發(fā)電能源資源稟賦及平衡約束[10]。

對于發(fā)電用煤/氣，有[10]

(19)

(20)

考慮各類發(fā)電資源稟賦及機組利用小時數(shù)約束，有

?z∈Z,t∈T,m∈Mz,i∈Mz,m

(21)

4)能源電力發(fā)展政策約束

主要考慮碳排放約束(式(22))、能源消費總量約束(式(23))、非化石能源占一次能源消費比重約束(式(24))、非化石能源發(fā)電占比約束(式(25))和棄能率約束(式(26))等。

(22)

(23)

(24)

(25)

?t∈T

(26)

此外，還有逐年新增機組和跨區(qū)通道的容量下限約束，主要用于計及已規(guī)劃但尚未開工、在建但尚未投產(chǎn)等類型的確定性機組和跨區(qū)通道。

2.3 模型求解

待優(yōu)化目標與約束建立后，即可形成多區(qū)域、多場景電力規(guī)劃模型；該模型是混合整數(shù)線性模型，約束及變量規(guī)模較大，適合調(diào)用Cplex等成熟的商業(yè)化數(shù)學規(guī)劃軟件進行求解。

3 中長期電力發(fā)展情景

3.1 主要假設(shè)及部分參數(shù)

本文主要面向中國2050年高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展愿景。綜合考慮了現(xiàn)有電網(wǎng)的電力送受關(guān)系，將全國電網(wǎng)劃分為西北、東北、華北送端(含蒙西與山西)、東中部受端、西南、南方6個區(qū)域電網(wǎng)?？紤]到海上風電、光熱、電儲能等新發(fā)電技術(shù)的日益成熟及遠期規(guī)?；虡I(yè)的應(yīng)用趨勢，本文重點針對常規(guī)煤電、氣電、核電、風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、抽水蓄能、電儲能等電源類型開展應(yīng)用研究。

參考國家能源電力發(fā)展政策[7]及相關(guān)機構(gòu)研究報告[17]，2030年和2050年能源消費總量基準分別選取為5.5×109t和6.0×109t標準煤以內(nèi)；2030年和2050年全社會用電量分別選取為0.9×1013，1.17×1013kW·h，最大電力負荷分別選取為1.45×109，1.87×109kW。本文未對負荷特性進行深入分析，主要參考現(xiàn)階段負荷曲線形成的典型負荷需求場景。

對于水電、核電等清潔能源，重點考慮其站址資源及進一步開發(fā)預期[18]。2050年水電開發(fā)上限選取為5.4×108kW?？紤]到核電發(fā)展的不確定性，2050年核電開發(fā)上限選取為1.6×108kW。生物質(zhì)發(fā)電主要受原材料獲取影響，2050年其發(fā)展規(guī)模上限選取為2×108kW。2050年風電、太陽能發(fā)電發(fā)展空間相對寬松，除海上風電外，其他電源類型不做特別設(shè)定，發(fā)展上限按當?shù)刭Y源水平確定[19]；考慮到近海風能資源條件，2050年海上風電開發(fā)上限選取為2×108kW。典型場景中的風光預想出力系數(shù)按各地區(qū)資源特性選取。中遠期各發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟參數(shù)參考文獻[10]和文獻[20]。

將所考慮的主要假設(shè)、相關(guān)參數(shù)及能源發(fā)展政策[21-22]輸入多區(qū)域、多場景中長期電力規(guī)劃模型，即可得到遠景規(guī)劃水平年的電源發(fā)展與跨區(qū)電力流優(yōu)化方案。

3.2 電源發(fā)展分析

總體來看，中國電力裝機總規(guī)模呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，但不同類型的電源發(fā)展分化較為明顯，部分水平年全國電源裝機容量構(gòu)成情況如圖2所示。

圖2 2050年全國電源裝機結(jié)構(gòu)Fig.2 Generation capacity structure of China in 2050

2030年全國電源總裝機規(guī)模約為3×109kW，2050年全國電源總裝機規(guī)模約為4.8×109kW。非化石能源裝機容量占比由2015年的36%增至2050年的近80%；其中風、光等間歇性電源裝機容量迅速增長，裝機容量占比由2015年的11%增至2050年的53%，成為非化石能源裝機容量增長的主體；而煤電裝機容量在展望期中達峰后開始呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，裝機容量占比預計由2030年的40%左右降至2050年的16%左右。

2050年各類電源發(fā)展布局情況如圖3所示。其中，水電主要布局在水電資源富集的西南和南方地區(qū)，合計裝機容量占比超過70%。一方面，間歇性電源在西北、華北送端等資源富集區(qū)域重點開發(fā)；另一方面，也充分考慮了就地開發(fā)與消納需求，風光裝機容量在本區(qū)域裝機容量占比相對均衡，除西南外，各區(qū)域占比都在40%以上。煤電主要布局在西北和華北送端，由于其間歇性電源裝機容量比例較高，一定的火電可以更好地保障高比例新能源電力系統(tǒng)的運行；而其他區(qū)域受資源及環(huán)境問題制約，裝機規(guī)模較低。各區(qū)域儲能發(fā)展相對均衡；抽水蓄能發(fā)展主要受站址資源分布限制，在西北、華北送端等站址資源有限的區(qū)域，發(fā)展電儲能等其他類型儲能可以促進新能源利用及高比例可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖3 2050年各類電源發(fā)展布局Fig.3 Development allocation of different generation sources in 2050

在本情景中，2030年非化石能源發(fā)電量占比為44%，風光等間歇性電源發(fā)電量占比在18%左右。2050年各類電源發(fā)電量占比見附錄A圖A1，非化石能源發(fā)電量占比達到75%，其中間歇性電源發(fā)電量占比達到40%，成為發(fā)電量主體；化石能源發(fā)電量占比降至25%，煤電則降至20%以下，實現(xiàn)主要發(fā)電主體到發(fā)揮容量價值的轉(zhuǎn)變。

3.3 整體運行情況分析

1)新能源發(fā)電

經(jīng)運行統(tǒng)計分析，2050年，全國風電和太陽能發(fā)電的平均發(fā)電利用小時數(shù)分別約為2 250 h和1 400 h，全國平均棄能率約為7.6%，詳見附錄A圖A2。由于各地區(qū)的資源條件、電源結(jié)構(gòu)、負荷需求及新能源開發(fā)利用方式的差異，風電和太陽能發(fā)電的利用小時數(shù)存在一定差別。風電方面，西北、華北送端、東中部地區(qū)的風電利用小時數(shù)約為2 300 h，西南和南方地區(qū)的風電利用小時數(shù)約為2 150 h，而東北約為2 000 h；太陽能發(fā)電方面，資源條件好的西北、華北送端等地區(qū)的發(fā)電利用小時數(shù)可達到1 600 h以上，東北、西南地區(qū)的發(fā)電利用小時數(shù)約為1 500 h，而東中部和南方地區(qū)受資源條件限制，發(fā)電利用小時數(shù)約為1 100 h。

2)煤電

圖4給出了部分水平年煤電利用小時數(shù)變化情況。在本情景中，2030年和2050年全國煤電利用小時數(shù)分別約為3 800 h和2 800 h。煤電利用受電源結(jié)構(gòu)影響明顯：東北、西北間歇性電源和西南水電裝機容量比重較高，負荷需求有限，煤電在這些區(qū)域主要配合新能源運行，發(fā)電利用小時數(shù)分別低于全國平均水平；2030年后東中部和南方地區(qū)煤電裝機容量不斷降低，由于負荷需求較高，煤電利用小時數(shù)高于全國平均水平；華北送端煤電利用小時數(shù)與全國平均水平相近。

圖4 煤電利用小時數(shù)變化Fig.4 Change of annual utilization hours for coal plants

3)跨區(qū)電力流

跨區(qū)通道促進可再生能源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置。在本情景中，2030年和2050年跨區(qū)電力流規(guī)模分別達到4.6×108，6.8×108kW以上，通過跨區(qū)通道交換的電能分別達到1.8×1012，3×1012kW·h，占當年全社會用電量的比重分別達到20%和25%左右。

4)儲能

儲能工況切換快速,運行靈活可控，既可以發(fā)揮容量價值，保障高比例可再生能源電力系統(tǒng)的實時電力平衡，也可以參與能量搬移，提高可再生能源利用水平。圖5給出了儲能裝機規(guī)模變化對可再生能源利用的影響。以本情景優(yōu)化方案中的全國儲能裝機容量及棄能率為參考基準，通過單獨調(diào)整儲能裝機容量可以發(fā)現(xiàn)：提高儲能裝機規(guī)模可適當降低棄能率，提高風光等可再生能源利用水平；但提高到一定規(guī)模后，棄能改善優(yōu)勢明顯削弱，此時儲能將更多發(fā)揮其容量價值。

圖5 儲能裝機規(guī)模變化對可再生能源利用的影響Fig.5 Influence of energy storage capacity on utilization of renewable energy

4 結(jié)語

面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展愿景，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的電力發(fā)展研究方法，尋求應(yīng)對風光等可再生能源大規(guī)模發(fā)展挑戰(zhàn)的解決之道。本文考慮不同發(fā)展階段各類可再生能源技術(shù)進步及成本下降趨勢，計及風光等可再生能源出力的隨機性與波動性，提出了多區(qū)域、多場景中長期電力規(guī)劃模型，實現(xiàn)了電力規(guī)劃與運行層面的適度耦合。在此基礎(chǔ)上，展望了中國2050年高比例可再生能源電力系統(tǒng)的電源格局與電力流，以及其系統(tǒng)運行情況。

研究表明，未來中國電力裝機總規(guī)模將繼續(xù)快速發(fā)展，但不同類型電源發(fā)展態(tài)勢出現(xiàn)分化。2030年后，中國煤電裝機規(guī)模開始步入下降通道，由發(fā)電主體向發(fā)揮容量價值角色轉(zhuǎn)變。風光等可再生能源裝機規(guī)模進一步增加，到2050年，風光裝機容量占比超過50%，發(fā)電量占比達到40%。全國可再生能源利用情況良好，各區(qū)域風電和太陽能發(fā)電基本實現(xiàn)按資源水平開發(fā)利用；而煤電主要發(fā)揮容量價值并配合可再生能源利用，全國及各區(qū)域煤電利用小時數(shù)普遍處在較低水平。儲能則兼具提供容量價值和促進可再生能源利用的角色。電力流方面，2030年和2050年跨區(qū)電力流規(guī)模分別達到4.6×108，6.8×108kW以上，促進可再生能源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置。

需要指出的是，本文所提出的模型是基于全社會電力供應(yīng)成本最小化的發(fā)展目標，未考慮不同投建及需求主體的利益訴求，所設(shè)計的中長期電力發(fā)展情景較為單一。此外，本文未涉及負荷特性的研究，也未對發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟性、能源電力發(fā)展政策不確定性、儲能應(yīng)用場景等影響要素開展建模分析，后續(xù)還有待進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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MediumandLong-termElectricPowerDevelopmentConsideringOperatingCharacteristicsofHighProportionofRenewableEnergy

WANGYaohua,JIAOBingqi,ZHANGFuqiang,FENGJunshu,WUShengyu

(State Grid Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

In the face of increasingly severe climate change and environmental deterioration problems, the energy development mode of high consumption and high emission for the past will not be sustainable. A cleaning and low-carbon development mode, which will be achieved by utilizing large-scale renewable energy as the main energy supply system, especially as the main power supply system, can be an alternative choice to cope with the challenge of future energy transformation. Firstly, a research methodology for the medium and long-term electric power development to consider high proportion of renewable energy is introduced. Then, a multi-region multi-scenario medium and long-term electric power planning model with the objective of minimizing the cost of power supply of the whole society is presented, in which the constraints of power system expansion planning, operation, power generation resources, policy, and others are taken into account. The model integrates a power system operation model and the panning model in a moderate way, so the randomness and volatility of wind/photovoltaic and other renewable energy can be reflected in the process of power system planning. Finally, the power supply patterns and power flows of China’s power systems with high proportion of renewable energy and the operation results in 2050 are analyzed based on the proposed planning model.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900100) and State Grid Corporation of China.

electric power development; renewable energy; high proportion; multi-region; multi-scenario; planning and operation; operation simulation

2017-06-12;

2017-09-26。

上網(wǎng)日期: 2017-10-11。

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0900100)；國家電網(wǎng)公司科技項目“電網(wǎng)2050功能形態(tài)與發(fā)展路徑研究”。

王耀華(1973—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：能源與電力規(guī)劃、能源技術(shù)經(jīng)濟。E-mail：wangyaohua@sgeri.sgcc.com.cn

焦冰琦(1989—)，男，通信作者，博士，工程師，主要研究方向：能源與電力規(guī)劃與運行。E-mail： jiaobingqi@sgeri.sgcc.com.cn

張富強(1982—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向：能源與電力規(guī)劃、生產(chǎn)模擬與電力市場。E-mail：zhangfuqiang@sgeri.sgcc.com.cn

(編輯孔麗蓓)