姚明俠，楊 超，陳國(guó)華，孫 蕾，劉夢(mèng)真

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西 南昌 330043）

0 引言

自2006年《可再生能源法》實(shí)施以來，我國(guó)新能源發(fā)展迅猛，光伏和風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模均已居世界第一位[1]。近幾年來我國(guó)面臨著日益嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問題，嚴(yán)重影響了我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。2016年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合公布了《關(guān)于做好風(fēng)電、光伏發(fā)電全額保障性收購管理工作有關(guān)要求的通知》，對(duì)棄風(fēng)、棄光地區(qū)的風(fēng)電、光伏發(fā)電保障性收購年利用小時(shí)數(shù)以及相關(guān)結(jié)算和監(jiān)管提出了硬性要求。

截止2017年底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)1.64億kW，2017年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電量3057億kW·h，平均利用小時(shí)數(shù)1948h。到2017年12月底，全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.3億kW，2017年全國(guó)光伏發(fā)電量1182億kW·h，。隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電的快速發(fā)展，受制于電網(wǎng)各種約束，新能源發(fā)電將可能會(huì)呈現(xiàn)出新的制約瓶頸，電網(wǎng)將不能完全消納新能源發(fā)電，亟需開展規(guī)劃水平年度新能源消納能力研究，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)，保證資源的最大化利用以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，本文建立新能源年度生產(chǎn)模擬模型，以某省級(jí)電網(wǎng)為例，基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)2020年新能源消納能力，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)。

1 時(shí)序生產(chǎn)模擬方法和數(shù)學(xué)模型

基于時(shí)序的生產(chǎn)模擬是指在給定的負(fù)荷條件下，模擬各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，并計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)費(fèi)用的一種時(shí)序仿真方法[2]。將系統(tǒng)負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組出力看作隨時(shí)間變化的時(shí)間序列。系統(tǒng)負(fù)荷與機(jī)組出力之間的平衡關(guān)系看作產(chǎn)品與需求間的供需平衡關(guān)系，在這種約束下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)指標(biāo)。新能源生產(chǎn)模擬模型基于時(shí)序生產(chǎn)模擬方法建立，時(shí)序生產(chǎn)模擬保留了負(fù)荷曲線形狀隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，以1h或者15min（時(shí)間間隔可以任意設(shè)定）為單位模擬系統(tǒng)運(yùn)行。

1.1 電網(wǎng)模型

考慮到實(shí)際電網(wǎng)覆蓋面積大、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立詳細(xì)的電網(wǎng)物理模型開展長(zhǎng)時(shí)間尺度時(shí)序生產(chǎn)模擬耗時(shí)巨大，難以用于生產(chǎn)實(shí)際，且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可能出現(xiàn)很多線路過載的情況。因此，本文將電網(wǎng)模型進(jìn)行聚合等值更能適應(yīng)仿真模擬的實(shí)用性要求。電網(wǎng)聚合模型是根據(jù)計(jì)算分析的目的和要求將復(fù)雜的實(shí)際電網(wǎng)簡(jiǎn)化為1個(gè)及以上的聚合電網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)聚合模型示意

電網(wǎng)聚合模型不考慮詳細(xì)的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各電源和負(fù)荷不再受其物理位置的影響，是計(jì)算目標(biāo)電網(wǎng)新能源消納能力的基礎(chǔ)。將省級(jí)電網(wǎng)劃分為幾個(gè)聚合電網(wǎng)計(jì)算的建模思想，不僅能夠顯著提高模型計(jì)算效率，而且能夠反映出電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

建立的新能源消納能力計(jì)算模型必須要充分考慮實(shí)際電力系統(tǒng)的各類常規(guī)機(jī)組包括火電、水電機(jī)組的運(yùn)行及出力特性，包括機(jī)組的啟停機(jī)特性、機(jī)組的爬坡特性，最小出力特性等，還需要考慮某些特殊類型機(jī)組，例如熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電耦合特性、抽水蓄能機(jī)組的抽放水特性等都需要特殊處理。因此，新能源消納能力數(shù)學(xué)優(yōu)化分析模型根據(jù)聯(lián)網(wǎng)線送授電出力特性、檢修計(jì)劃、新能源功率預(yù)測(cè)曲線、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線、母線負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、機(jī)組發(fā)電能力和電廠運(yùn)行約束等信息，綜合考慮系統(tǒng)平衡約束、電網(wǎng)安全約束、電量約束和機(jī)組運(yùn)行約束，采用考慮安全約束的優(yōu)化評(píng)估算法，獲得新能源消納能力的評(píng)估結(jié)果。

新能源時(shí)序生產(chǎn)模擬模型目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化周期內(nèi)新能源消納最大，考慮到新能源出力隨其集中安裝地點(diǎn)的不同而不同，可以將不同聚合電網(wǎng)的新能源單獨(dú)計(jì)算，因此優(yōu)化周期內(nèi)目標(biāo)函數(shù)為：

式中：N為系統(tǒng)所包含的聚合電網(wǎng)總數(shù)；n表示為某一聚合電網(wǎng)；T表示調(diào)度時(shí)間的總長(zhǎng)度；t為模擬時(shí)間步長(zhǎng)；Pw（t，n）為聚合電網(wǎng)n在時(shí)段t的風(fēng)電出力；PPV（t，n）為聚合電網(wǎng)n在時(shí)段t的光伏發(fā)電出力。

1.3 約束條件

1）區(qū)域負(fù)荷平衡約束

2）聯(lián)網(wǎng)線送授電出力約束

式中：而Li，max和－Li，max分別為第i條聯(lián)網(wǎng)線傳輸容量上下限；設(shè)定電流參考方向?yàn)椋毫魅雲(yún)^(qū)域?yàn)檎较颍鞒鰠^(qū)域?yàn)樨?fù)方向。所以Li可以取正負(fù)值，正負(fù)則代表功率傳輸?shù)姆较颉?/p>

3）機(jī)組出力約束

式中，ΔPj（t，n）為常規(guī)機(jī)組優(yōu)化功率大??；Sj（t，n）表示機(jī)組j在時(shí)段t的運(yùn)行狀態(tài)，為二進(jìn)制變量，1表示機(jī)組正在運(yùn)行，0則表示機(jī)組已停機(jī)。

4）機(jī)組優(yōu)化功率爬坡率約束

式中，ΔPj，up、ΔPj，down分別為第j臺(tái)機(jī)組的上爬坡率和下爬坡率。

5）供熱機(jī)組供熱期出力約束

根據(jù)對(duì)供熱機(jī)組的定義以及我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展的實(shí)際狀況，分別對(duì)背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機(jī)組和抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機(jī)組進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機(jī)組的發(fā)電出力與熱出力呈線性關(guān)系：

抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機(jī)組的工況曲線則更為復(fù)雜，其線性約束公式如下式所示：

式中，Cj，b、Cj，v分別為熱電比系數(shù)；Qj（t）為熱出力；PBYj（t）為背壓式機(jī)組供熱期出力；PCQj（t）為抽汽式機(jī)組供熱期出力。

背壓式機(jī)組和抽汽式機(jī)組的熱電耦合特性如圖2所示。

圖2 背壓式機(jī)組和抽汽式機(jī)組熱電出力關(guān)系曲線

6）新能源出力約束

式中：Pw*（t，n）指時(shí)刻t時(shí)裝機(jī)容量一定時(shí)的風(fēng)電時(shí)間序列出力；PPV*（t，n）指時(shí)刻t時(shí)裝機(jī)容量一定時(shí)的光伏時(shí)間序列出力。

綜合目標(biāo)函數(shù)（式（1））和約束條件（式（2）-（11）），得到基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源消納模型。

該模型在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解混合整數(shù)線性規(guī)劃（MIP）問題，求解混合整數(shù)規(guī)劃的核心算法是分枝定界法[3]，其基本思想是對(duì)有約束條件的最優(yōu)化問題的所有可行解空間進(jìn)行搜索。

新能源生產(chǎn)模擬計(jì)算流程主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、配置電網(wǎng)、案例計(jì)算和結(jié)果查看四個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 新能源生產(chǎn)模擬計(jì)算流程

2 算例

以某省級(jí)電網(wǎng)為例，建立新能源出力時(shí)間序列模型、負(fù)荷時(shí)間序列模型、各類型常規(guī)電源模型、電網(wǎng)運(yùn)行模型等，基于歷史實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，以2020年新能源接納能力最大為優(yōu)化目標(biāo)，分析2020年風(fēng)電和光伏發(fā)電消納能力以及常規(guī)電源運(yùn)行情況。

2.1 邊界條件

算例數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2020年某省級(jí)電網(wǎng)消納能力分析邊界條件

圖4 2020年負(fù)荷月電量及月最大負(fù)荷

表2 火電機(jī)組調(diào)峰特性

表3 水電機(jī)組調(diào)峰特性

圖5 風(fēng)電和光伏發(fā)電全年歸一化出力曲線

同樣，水電機(jī)組除了需要滿足表3的調(diào)峰特性外，受來水影響，在豐水期以發(fā)優(yōu)質(zhì)清潔的水電為主，為新能源提供調(diào)節(jié)的能力降低。受制于2020年水電的周電量約束，其中，該省級(jí)電網(wǎng)存在四個(gè)水電廠在豐水期4-6月份全部滿發(fā)，不提供調(diào)峰能力。

2020年火、水電裝機(jī)及負(fù)荷邊界條件如表4所示，規(guī)劃風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為6200MW和7300MW，其中統(tǒng)調(diào)光伏裝機(jī)3200MW，非統(tǒng)調(diào)光伏裝機(jī)4100MW。

表4 消納能力分析基礎(chǔ)計(jì)算邊界條件

2.2 2020年規(guī)劃新能源消納情況分析

本節(jié)基于電網(wǎng)生產(chǎn)模擬模型，分析2020年規(guī)劃風(fēng)電和光伏發(fā)電接入后的消納情況以及常規(guī)機(jī)組發(fā)電情況，需要注意的是，2020年統(tǒng)調(diào)光伏裝機(jī)大幅增長(zhǎng)，將對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，本文設(shè)置統(tǒng)調(diào)光伏和統(tǒng)調(diào)風(fēng)電在電網(wǎng)調(diào)峰能力不足時(shí)刻基于各自理論功率等比例限電。

1）總體消納情況。

表5為考慮調(diào)峰約束下模擬計(jì)算出的2020年新能源消納情況和常規(guī)電源運(yùn)行情況。其中，風(fēng)力發(fā)電量134.68億kW·h，限電量2.16億kW·h，限電率1.60%，風(fēng)力發(fā)電量占全社會(huì)總用電量的10%；統(tǒng)調(diào)光伏發(fā)電量42.57億kW·h，限電量0.32億kW·h，限電率0.75%；非統(tǒng)調(diào)光伏發(fā)電量55億kW·h，光伏總發(fā)電量97.57億kW·h（含非統(tǒng)調(diào)和統(tǒng)調(diào)光伏），占全社會(huì)總用電量的7.2%；火電、水電和抽水蓄能年利用小時(shí)數(shù)分別為4130.62h、3177.24h和1227.54h。

表52020 年某省級(jí)電網(wǎng)新能源消納情況和常規(guī)電源運(yùn)行情況分析

2020年，在常規(guī)電源進(jìn)行調(diào)峰和電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的作用下，新能源發(fā)電狀況總體良好，存在小幅限電現(xiàn)象，風(fēng)光限電率不超過2%，主要發(fā)生在春節(jié)低負(fù)荷期間。

表6為2020年測(cè)算的各月新能源消納情況?？梢钥闯?，風(fēng)電/光伏受限時(shí)間主要集中在1-4月份，其中2月份限電量最高，分別為1.55億kW·h和0.27億kW·h，占全年總限電量的72%和84%，這是因?yàn)橐患径仍撌〖?jí)電網(wǎng)來水量豐富，水電廠以帶基荷為主，調(diào)峰為輔，電網(wǎng)調(diào)峰能力下降，另外全社會(huì)用電量較低，消納新能源的能力不足，引起風(fēng)電和光伏發(fā)電出力受限。圖6為對(duì)應(yīng)的新能源逐月受阻電量分布圖。

表6 2020年各月新能源消納情況計(jì)算結(jié)果億kW·h

圖6 2020年新能源逐月受阻電量分布

2）具體生產(chǎn)模擬結(jié)果

圖7-10為具體的生產(chǎn)模擬結(jié)果圖，包括火電機(jī)組出力和開機(jī)容量曲線、水電機(jī)組出力曲線、風(fēng)電出力和棄風(fēng)出力曲線、光伏出力和棄光出力曲線。其中，水電機(jī)組在4-6月份出力變化幅度偏小，這是因?yàn)樵O(shè)置4個(gè)水電廠機(jī)組在該時(shí)間段內(nèi)滿發(fā)，不提供調(diào)峰容量，其他時(shí)間段內(nèi)水電出力可以在零到滿發(fā)之間調(diào)節(jié)；為應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電接入，抽蓄機(jī)組可在新能源低谷調(diào)峰困難時(shí)段抽水，有助于減少火電機(jī)組啟停次數(shù)，提高新能源發(fā)電消納能力。

圖7 火電機(jī)組出力和開機(jī)容量變化曲線

圖8 水電機(jī)組出力變化曲線

圖9 風(fēng)電實(shí)際出力和棄風(fēng)出力變化曲線

圖10 光伏實(shí)際出力和棄光出力變化曲線

3 結(jié)語

本文建立了新能源年度生產(chǎn)模擬模型，以某省級(jí)電網(wǎng)為例，基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)2020年新能源消納能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，測(cè)算了規(guī)劃新能源裝機(jī)的消納情況以及規(guī)劃水平年的新能源消納能力，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)。

提高新能源消納能力，可以從電力系統(tǒng)互聯(lián)互通水平、電源調(diào)節(jié)性能和負(fù)荷特性三方面因素考慮，具體內(nèi)容分析如下：

1）電力系統(tǒng)互聯(lián)互通水平。新能源資源與負(fù)荷呈逆向分布，新能源資源豐富地區(qū)通常負(fù)荷水平有限，大規(guī)模新能源裝機(jī)并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)送出能力提出較高要求，新能源跨區(qū)域外送通道建設(shè)是影響新能源消納的關(guān)鍵因素；

2）電源調(diào)節(jié)性能。受資源稟賦影響，電源裝機(jī)以燃煤火電機(jī)組為主，當(dāng)前技術(shù)條件下火電機(jī)組調(diào)峰能力有限，無法快速跟蹤新能源出力波動(dòng)。因此，開展火電機(jī)組深調(diào)峰技術(shù)改造是影響新能源消納的關(guān)鍵因素；

3）負(fù)荷特性。電力系統(tǒng)運(yùn)行特性要求發(fā)用電實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡，新能源各時(shí)刻出力必須小于等于負(fù)荷功率，因此，從提高負(fù)荷出力水平的角度出發(fā)，實(shí)施電能替代和需求側(cè)響應(yīng)是影響新能源消納能力的關(guān)鍵因素。

根據(jù)本文消納分析結(jié)果，在可接受范圍內(nèi)適度地棄風(fēng)棄光，有利于風(fēng)電、光伏等新能源的持續(xù)發(fā)展和電力電量占比。