張云飛，張 弓，徐三敏，趙添辰，侯世豪

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.北京信息科技大學(xué)，北京市 100192）

0 引言

我國新型電力系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)是，加快降低碳排放步伐、推動新能源技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰[1-2]。大規(guī)模新能源代替火電機(jī)組出力，使電力系統(tǒng)波動性、不穩(wěn)定性等因素更加顯著。抽水蓄能作為規(guī)模大、技術(shù)水平成熟的調(diào)節(jié)電源，可有效平抑新能源出力帶來的波動性[3-5]。抽水蓄能聯(lián)合新能源，能夠代替火電機(jī)組出力，參與電力電量平衡，提升新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性。

目前，對于風(fēng)光儲參與電力系統(tǒng)配置問題，文獻(xiàn)[6]構(gòu)建風(fēng)—光—火—蓄聯(lián)合供電系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)—光—火—蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的多能互補(bǔ)運(yùn)行，通過抽水蓄能協(xié)調(diào)配合，有效緩解火電機(jī)組調(diào)峰壓力，從而降低新能源棄電率和系統(tǒng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了抽水蓄能—風(fēng)—光—火聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，得到多種工作場景下日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。文獻(xiàn)[8]提出一種計及電網(wǎng)新能源消納承載能力的多區(qū)域風(fēng)—光—儲容量優(yōu)化配置方法，相比傳統(tǒng)集中式優(yōu)化方法，計算效率優(yōu)勢明顯，收斂速度提升57.1%。文獻(xiàn)[9]針對風(fēng)—光—抽水蓄能混合能源系統(tǒng)提出容量配置優(yōu)化方法，量化抽水蓄能對新能源打捆外送的助力效果。在抽水蓄能減碳效益方面，文獻(xiàn)[10]針對抽水蓄能電站的作用與價值體現(xiàn)進(jìn)行研究，通過現(xiàn)實(shí)收益來衡量抽水蓄能的功能作用與減碳價值，進(jìn)行抽水蓄能電站減碳效益的量化分析。根據(jù)已有文獻(xiàn)，此類研究多集中在多能源互補(bǔ)提升系統(tǒng)新能源消納能力情況，缺少從抽水蓄能與新能源和火電間不同配比對消納能力的影響。

本文針對高比例新能源電力系統(tǒng)場景，以各電源總投資成本作為約束，分別從有無抽水蓄能、抽水蓄能與新能源容量配比、抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比三種角度出發(fā)，構(gòu)建電力電量模型，根據(jù)生產(chǎn)時序模擬結(jié)果，分析不同工況下抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電參與電力電量平衡的能力。

1 抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電的電力電量平衡模型

本文構(gòu)建了抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電參與電力電量平衡模型，根據(jù)地區(qū)新能源出力、負(fù)荷、削峰填谷以及備用等需求，確定系統(tǒng)電力電量平衡模擬方法。針對不同裝機(jī)配置情況，通過進(jìn)行全年時序生產(chǎn)模擬，得到該裝機(jī)配置情況下地區(qū)棄風(fēng)棄光量、碳排放量，并對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.1 電力平衡

系統(tǒng)電網(wǎng)電力平衡方程見式（1）～式（4）。

式中：Eneed為系統(tǒng)所需容量；Eload為負(fù)荷量；Epv_ensure為光伏保證；Ewf_ensure為風(fēng)力保證；Espare_cold為事故冷備用，即電網(wǎng)需要時，可隨時啟動的備用容量；Espare_load為負(fù)荷備用；Espare_hot為事故熱備用；Epv_pre、Ewf_pre分別為光伏、風(fēng)力的預(yù)測功率；σpv、σwf分為光伏、風(fēng)力的預(yù)測可信度。

1.2 機(jī)組出力約束

1.2.1 風(fēng)光出力約束

本文模型選取高比例風(fēng)光出力場景，在考慮風(fēng)光裝機(jī)容量的同時，還根據(jù)風(fēng)光的出力曲線進(jìn)行建模，見式（5）～式（6）：

式中：Pwf_min為風(fēng)電最小出力；Pwf_max為風(fēng)電最大出力；Ppv_min為光伏最小出力；Ppv_max為光伏最大出力。

1.2.2 抽水蓄能出力約束

由于本模型中抽水蓄能為代替火電機(jī)組出力，抽水蓄能出力約束，見式（7）：

式中：δps為抽水蓄能代替火電機(jī)組裝機(jī)容量比例；Ppsmax為抽水蓄能電站裝機(jī)容量；Ptpmax為火電機(jī)組裝機(jī)容量。

1.2.3 火電出力約束

在電力系統(tǒng)中，火電機(jī)組的出力與發(fā)電量相對更加穩(wěn)定，主要承擔(dān)系統(tǒng)基荷，參與調(diào)峰能力較差且不經(jīng)濟(jì)。本文通過抽水蓄能代替火電部分機(jī)組參與新能源電力外送，其中火電的出力約束見式（8）和式（9）：

式中：Ptp_ava為火電可用裝機(jī)容量；Ptp_total為火電總裝機(jī)容量；Ptp_fix為火電機(jī)組檢修容量。

1.2.4 水電出力約束

本文水電站主要輔助調(diào)節(jié)風(fēng)光聯(lián)合出力，減小日內(nèi)波動性，其中水電站的出力約束見式（10）：

式中：Pph_min為水電最小出力；Pph_max為水電最大出力。

水電站的出力約束還依據(jù)該水電站的水文特征出力曲線，即反應(yīng)不同氣候月份降水量、河流、流量、水庫水位及調(diào)節(jié)特征等信息的水電機(jī)組發(fā)電曲線，通常分為預(yù)想出力曲線、平均出力曲線和強(qiáng)迫出力曲線。

1.3 棄風(fēng)棄光率計算

系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)光棄電量為Eloss，定義系統(tǒng)風(fēng)光綜合棄電率θloss，以體現(xiàn)抽水蓄能的消納能力，見式（11）：

式中：Eloss為系統(tǒng)棄風(fēng)棄光總量；Es為系統(tǒng)風(fēng)光總發(fā)電量。

1.4 碳排放計算

依據(jù)火電燃煤機(jī)組的發(fā)電量與煤耗率進(jìn)行碳排放量的折算，見式（12）：

式中：DCO2為火電機(jī)組碳排放量；Etp為火電機(jī)組發(fā)電量；η為機(jī)組供電煤耗率；νCO2為碳排放折算因子，選取2.66。

2 場景構(gòu)建

本文以西北地區(qū)某高比例新能源接入的區(qū)域電網(wǎng)為例，通過控制系統(tǒng)總投資成本，分別從抽水蓄能與新能源之間的容量比、抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電之間的容量比兩個角度，對抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電參與系統(tǒng)消納與降低碳排放情況進(jìn)行計算分。各類型電源單位投資成本單價見表1。

表 1 各類型電源單位投資成本 單位：元 /kWTable 1 Unit investment cost of each type of power supply unit：Yuan/kW

共設(shè)計6個場景，其中總投資成本固定（包括火電、水電、儲能、風(fēng)電、光伏、抽水蓄能總投資成本之和），通過三種情況進(jìn)行場景構(gòu)建。

（1）情況一。系統(tǒng)無抽水蓄能裝機(jī)，火電聯(lián)合新能源出力，作為場景0。

（2）情況二。系統(tǒng)存在抽水蓄能裝機(jī)，設(shè)置一定的火電機(jī)組容量，不斷提升抽水蓄能與新能源裝機(jī)容量比，分別為0.072、0.115、0.163，作為場景 1、2、3。

（3）情況三。系統(tǒng)存在抽水蓄能裝機(jī)，設(shè)置抽水蓄能與新能源裝機(jī)容量比為0.115，不斷提升新能源聯(lián)合抽水蓄能與火電機(jī)組裝機(jī)容量比，分別為2.45、2.686、2.938，作為場景1、4、5。

通過生產(chǎn)時序模擬軟件，計算6種場景下的棄風(fēng)棄光量和碳排放量，6種場景見表2。

表 2 場景匯總 單位：MWTable 2 Summary of scenarios unit：MW

各場景下不同機(jī)組裝機(jī)情況見表3。

表3 各場景機(jī)組裝機(jī)情況Table 3 Unit in stallation in each scenario

其中，場景0作為完全由火電參與風(fēng)光新能源消納的情況，該場景下并無抽水蓄能電站參與，為場景1～5提供參考。場景1、2、3作為抽水蓄能、新能源、火電共同參與到系統(tǒng)電力平衡，根據(jù)不同抽水蓄能占新能源比重，分析其新能源消納與碳排放情況。場景1、4、5作為抽水蓄能、新能源代替火電參與到系統(tǒng)電力平衡，根據(jù)抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電比重，分析系統(tǒng)新能源消納與碳排放情況。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)場景

場景0作為基礎(chǔ)場景，以2030年某高比例新能源地地區(qū)規(guī)劃裝機(jī)情況作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該場景下各機(jī)組總裝機(jī)容量為123800MW，根據(jù)各機(jī)組投資成本，確定系統(tǒng)總投資成本為4660億元，其中火電、風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量分別為41400、22000、52000MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為53.2%、23.1%、22.8%，新能源與火電裝機(jī)容量配比為1.787。場景0裝機(jī)情況見表4。

表4 場景0裝機(jī)情況Table 4 Scene 0 installation

3.2 情況一

3.2.1 場景1

在場景0的基礎(chǔ)上，保持機(jī)組總投資成本不變，減少火電機(jī)組投入，增加抽水蓄能裝機(jī)容量。該場景下系統(tǒng)總裝機(jī)容量為120100MW，其中，火電裝機(jī)容量減少至32400MW，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量不變，抽水蓄能裝機(jī)容量增加至5300MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為49.6%、23.7%、25.8%，抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電裝機(jī)容量配比為2.45，抽水蓄能與新能源容量配比為0.072。場景1裝機(jī)情況見表5。

表5 場景1裝機(jī)情況Table 5 Scene 1 installation

3.2.2 場景2

在場景1的基礎(chǔ)上，保持機(jī)組總投資成本不變，減少風(fēng)光新能源機(jī)組投入，增加抽水蓄能裝機(jī)容量，提升抽水蓄能與新能源容量配比。該場景下系統(tǒng)總裝機(jī)容量為119340MW，其中，火電裝機(jī)容量不變，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量分別減少至20000、50440MW，抽水蓄能裝機(jī)容量增加至8100MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為48.8%、22.2%、28.0%，抽水蓄能與新能源容量配比提升至0.115。場景2裝機(jī)情況見表6。

表6 場景2裝機(jī)情況Table 6 Scene 2 installation

場景2在場景1的基礎(chǔ)上，火電機(jī)組容量不變，在保證系統(tǒng)總投資成本不變的前提下，提高抽蓄與新能源裝機(jī)容量比例，通過與場景1對比，可發(fā)現(xiàn)風(fēng)光棄電率、碳排放量均出現(xiàn)下降。

3.2.3 場景3

在場景2的基礎(chǔ)上，保持機(jī)組總投資成本不變，進(jìn)一步提升抽水蓄能與新能源容量配比。該場景下系統(tǒng)總裝機(jī)容量為118580MW，其中，火電裝機(jī)容量不變，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量分別減少至18000、48880MW，抽蓄裝機(jī)容量增加至10900MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為48.4%、20.6%、30.2%，抽水蓄能與新能源容量配比提升至0.163。場景3裝機(jī)情況見表7。

在系統(tǒng)總投資成本與火電機(jī)組容量不變情況下，提升抽水蓄能與新能源間的容量配比，系統(tǒng)棄風(fēng)棄光量不斷下降，消納能力提升，碳排放量持續(xù)減少，見表8。

表8 情況二棄風(fēng)棄光量與碳排放量Table 8 Case 2 Wind and light abandonment and carbon emissions

情況二中，系統(tǒng)消納能力和碳排放量隨抽水蓄能與新能源容量配比變化趨勢見圖1。

圖1 情況二系統(tǒng)消納與碳排放趨勢Figure 1 Scenario 2 system consumption and carbon emission trends

因此，通過合理配置抽蓄與新能源容量配比對火電機(jī)組進(jìn)行替代，可以有效提升系統(tǒng)消納能力，實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)。

3.3 情況二

3.3.1 場景4

在場景1的基礎(chǔ)上，保持機(jī)組總投資成本不變，確定抽水蓄能與新能源容量配比不變，減少火電機(jī)組投入，增加抽水蓄能與新能源整體裝機(jī)容量，提升抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比。該場景下系統(tǒng)總裝機(jī)容量為118970MW，其中，火電裝機(jī)容量減少至30000MW，風(fēng)電、光伏、抽蓄裝機(jī)容量分別增加至20520、51740、8310MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為48.1%、22.7%、28.4%，抽水蓄能與新能源容量配比為0.115，抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比提升至2.686。場景4裝機(jī)情況見表9。

表9 場景4裝機(jī)情況Table 9 Scene 4 installation

3.3.2 場景5

在場景4的基礎(chǔ)上，保持機(jī)組總投資成本、抽水蓄能與新能源容量配比不變，進(jìn)一步提升抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比。該場景下系統(tǒng)總裝機(jī)容量為118660MW，其中，火電裝機(jī)容量減少至28000MW，風(fēng)電、光伏、抽水蓄能裝機(jī)容量分別增加至20950、52830、8480MW，火電、風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比分別為47.4%、23.1%、28.7%，抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比提升至2.938。場景5裝機(jī)情況見表10。

表10 場景5裝機(jī)情況Table 10 Scene 5 installation

在系統(tǒng)總投資成本、抽蓄與新能源容量配比不變的情況下，通過提升抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電間的容量配比，系統(tǒng)棄風(fēng)棄光量與碳排放量呈現(xiàn)先下降后上升，見表11。

表11 情況三棄風(fēng)棄光量與碳排放量Table 11 Case 3 wind and light abandonment and carbon emissions

根據(jù)系統(tǒng)棄風(fēng)棄光與碳排放趨勢，可以看出，容量配比存在最高值，當(dāng)抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電機(jī)組容量過高時，會使系統(tǒng)棄風(fēng)棄光量升高，消納能力下降，系統(tǒng)碳排放量升高，見圖2。

圖2 情況三系統(tǒng)消納與碳排放趨勢Figure 2 Scenario 3 system consumption and carbon emission trends

為提升系統(tǒng)消納能力，需合理安排抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比，避免抽水蓄能聯(lián)合新能源替代火電配比不合理而產(chǎn)生的棄風(fēng)棄光量上升、碳排放量增多。

4 結(jié)束語

本文針對抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電參與系統(tǒng)電力平衡能力進(jìn)行研究，分別從抽水蓄能與新能源容量配比和抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比兩種角度，通過全年時序模擬仿真，計算抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電參與電力電量平衡的情況，對比分析不同配比下新能源棄風(fēng)棄光量與碳排放量。計算結(jié)果表明，隨著抽水蓄能與新能源容量配比的升高，系統(tǒng)整體棄風(fēng)棄光現(xiàn)象下降，消納能力提升，同時系統(tǒng)碳排放量不斷下降；隨著抽水蓄能聯(lián)合新能源與火電容量配比的升高，系統(tǒng)整體棄風(fēng)棄光量與碳排放量下降，并存在某一最低值，當(dāng)抽水蓄能聯(lián)合新能源代替火電機(jī)組容量過高時，會使系統(tǒng)棄風(fēng)棄光量升高，消納能力下降，系統(tǒng)碳排放量升高。該研究為高比例新能源電網(wǎng)進(jìn)行抽水蓄能規(guī)劃配置提供了參考。