國華能源投資有限公司 史明亮

眾所周知，新能源裝機在國內(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)階段我國新能源和負荷基礎(chǔ)運作數(shù)據(jù)進行分析，搭建符合加新能源波動特性的電力平衡時序生產(chǎn)模型，以此去總結(jié)新能源電力系統(tǒng)電力電量平衡的問題，并對相關(guān)問題提出解決與優(yōu)化措施。

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

1.1 高比例新能源系統(tǒng)日電力平衡

隨著我國科技不斷發(fā)展與進步，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)電時的實際運行信息數(shù)據(jù)，本文中所分析的數(shù)據(jù)均來自國家電網(wǎng)在2017—2018年的新能源設(shè)備的實際運行信息數(shù)據(jù)。

一是關(guān)于新能源裝機問題，在實際進行新能源裝機時，新能源的裝機與新能源出力波動是成正比例關(guān)系，所以裝機的時間尺度越長，新能源出力波動越強。在2018年國家電網(wǎng)中的新能源日波動最大值為7996萬kW，與2017年的相關(guān)數(shù)據(jù)相比2018年的日波動最大值增長了約2307kW，增長幅度約為41%。而在我國的日內(nèi)新能源出力波動占平均負荷超過40%的省份只有7個。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)在不同時間內(nèi)的光伏出力波動率和風電出力波動率，從中可以有效發(fā)現(xiàn)新能源出力波動會根據(jù)時間尺度變化而變化。

圖1 不同時間內(nèi)的光伏出力波動率和風電出力波動率

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

三是國家電網(wǎng)中的凈負荷曲線會表現(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段進行分析，如夜晚為用電負荷低谷、日間為用電負荷高峰，而風電與存在明顯的反調(diào)峰特點，風電在日間出力低、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，則光伏發(fā)電夜間無出力、日間出力高。根據(jù)上述內(nèi)容特點深度分析，可以明顯發(fā)現(xiàn)國家電網(wǎng)的凈負荷曲線是表現(xiàn)出明顯的鴨型曲線特征，如圖3所示。根據(jù)實際數(shù)據(jù)顯示，用電負荷會在不同時段呈現(xiàn)出不同特點，早高峰階段用電負荷會快速下降、午間時段則會出現(xiàn)用電低谷、晚高峰時段用電負荷則會迅速上漲，而此種漲跌幅度會為電力系統(tǒng)中的電離平衡帶來巨大挑戰(zhàn)，不僅如此，還需要電力系統(tǒng)具備極強的爬坡能力與調(diào)節(jié)能力。

圖2 光伏與日風電功率曲線圖

圖3 鴨型曲線特征

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

1.2 以月為周期，對高比例新能源系統(tǒng)進行電量平衡分析

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

一是新能源月度電量分布無法有效滿足實際用電負荷需求。但從用電負荷需求角度而言，“三北”地域的用電負荷表現(xiàn)為冬季與夏季是負荷高峰，風電為秋季與冬季是負荷高峰，而光伏為秋季與夏季是負荷高峰，如圖4所示。雖然在實際的風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性，而從電力平衡角度而言，風力發(fā)電與光伏發(fā)電之間的互補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際用電需求與電量分布不匹配現(xiàn)象，如夏季用電負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

二是當用電負荷出在高峰時段時，新能源無法有效滿足電力平衡需求。通過對國家電網(wǎng)2018年中的迎峰度夏開展階段中所產(chǎn)生的實際運行數(shù)據(jù)信息進行充分有效的分析，可以發(fā)現(xiàn)當處于7～8月新能源的出力較弱，整體電量貢獻少。通過深度分析新能源電量最低當天，可發(fā)現(xiàn)該天中的新能源日發(fā)電量為6.1億kWh，但當天的實際用電需求卻達到了174億kWh，根據(jù)分析統(tǒng)計可知，新能源發(fā)電量僅為當天實際用電量貢獻了3.5%的電量，與全年平均電量相比較低。而在當年的7～8月時段中，新能源發(fā)電的總電量為633億kWh，在該時段中的發(fā)電總電量中只占6.1%，通過分析發(fā)現(xiàn)新能源無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)中火電運行現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化建設(shè)水平不斷提高，使我國用電需求不斷增高。但因電力需求增長緩慢以及新能源裝機比重不斷提高等因素，近幾年火電相關(guān)設(shè)備總體利用小時數(shù)持續(xù)時間逐漸降低，呈下滑趨勢，如圖5和圖6所示。根據(jù)相關(guān)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)國家電網(wǎng)在2018年間的火電設(shè)備實際裝機容量為9.16億kW，與2017年相比總體增長約為3%左右。但由于我國出臺了煤電停建、緩建相關(guān)政策，進而影響了火力發(fā)電裝機中容量增長速率，雖然活力發(fā)電裝機容量增長速度降低，但電力裝機整體容量仍呈上升趨勢。隨著我國大力推廣新能源的應(yīng)用，使新能源裝機占比逐年提升，在這種情況下導致火力發(fā)電小時數(shù)進一步縮減。

圖5 國網(wǎng)逐年新能源裝機占比

圖6 國王逐漸火電利用小時數(shù)

2 基于時序生產(chǎn)模擬的未來電力系統(tǒng)平衡問題分析

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)的電力電量平衡問題，該電力系統(tǒng)模型會把系統(tǒng)負荷以及新能源發(fā)電處理設(shè)置為根據(jù)時間差異變動的序列，分析電網(wǎng)運作模式時序變動特點，在已經(jīng)確定的電力系統(tǒng)運行邊界前提下，時序模擬不同電源運行的情況以及發(fā)電和用電平衡，進而獲取電網(wǎng)能夠消納的新能源電力電量。

2.1 優(yōu)化時序生產(chǎn)模擬模型的目標

結(jié)合國內(nèi)對電力清潔轉(zhuǎn)型的標準，時序生產(chǎn)模擬模型的優(yōu)化目標主要是實現(xiàn)最大化的新能源發(fā)電量，是指所有區(qū)域各個時段新能源功率總和要最大化，實際的目標函數(shù)為：

其中，N代表該系統(tǒng)設(shè)計的聚合電網(wǎng)總數(shù)；n代表某一聚合電網(wǎng)；T代表調(diào)度時間的整體長度；t代表仿真時間的步長；Pw（t，n）代表聚合電網(wǎng)n在時段t的風電出力；PPV（t，n）代表聚合電網(wǎng)n在時段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類機組的出力上限以及出力下限[4]。

2.2.2 負荷平衡約束條件

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

3 算例研究

本文以國家電網(wǎng)為例，探討了在國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。利用多個隨機產(chǎn)生的多個風-光功率的時序采樣，對高比率新能源情景下的電力需求進行了預(yù)測。然后，對既要保證負荷可靠供應(yīng)，又要保證非化石能源的比例，又要考慮到在適當?shù)臈夒娏壳闆r下，如何通過彈性調(diào)整方式來分配能力。另外，邊界狀況，包括區(qū)域內(nèi)各電力系統(tǒng)的裝機容量和負載等。負載上，到了2025年，整個地區(qū)的電力總需求將達到638 TWh，平均每年增長4.9%。最高功率為98.1GW，平均每年增長5.8%.日最大的峰值落差達37%.根據(jù)2017年的負載曲線特征，建立了2025年的電力系統(tǒng)負荷需求數(shù)據(jù)。

負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，兩者都與發(fā)電裝機有著密切的聯(lián)系。當火電裝機規(guī)模達到一定規(guī)模時，為了保證穩(wěn)定、可靠的供電，必須保證更大的啟動能力，新能源的淘汰將會增多；為了確保高水平的新能源消納量，必須適當?shù)亟档突痣姷膯幽Ｊ?，從而造成電力短缺。當負荷水平達到一定程度，新能源裝機量增大，啟動模式增大，負荷保證能力得到加強；消納的空間會越來越小，消納的形勢也會越來越嚴峻。

所以，在電網(wǎng)建設(shè)中，要充分考慮到新能源的出力波動對電網(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)以上計算，從保障電力供應(yīng)、合理棄電、不斷減少新發(fā)電量等方面，分別對三種情況進行了分析：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)。在實際模擬中，為了保證不存在棄電、無限負載，要求火電機組經(jīng)常開、停、調(diào)峰，導致電力系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性較差。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)計算，火力發(fā)電的裝機容量應(yīng)為1021GW，在此基礎(chǔ)上，放寬了棄用限制，可以適當減少燃煤發(fā)電的啟動模式；從而使我國燃煤發(fā)電裝機規(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，在計量過程中，通過對負荷的需求端進行管理，保證電網(wǎng)的正常供電。

同時，將新能源的棄電量控制在5%以內(nèi)（棄用率不超過5%）將會使燃煤發(fā)電的裝機規(guī)模進一步下降。鑒于我國非化石能源比重的日益增長，如果在可控負荷、虛擬儲能、電化學儲能等方面，再加上12 GW的可控負荷、虛擬儲能、電化學儲能等，計算出相應(yīng)的發(fā)電容量將與目前的發(fā)電規(guī)模相差無幾。在電網(wǎng)的實際操作中，增加可控負荷、電化學儲能等靈活的調(diào)節(jié)容量，既可以確保電力負荷的有序供應(yīng)，也可以實現(xiàn)新能源的合理棄用，同時還可以有效地控制新的發(fā)電容量。充分調(diào)動網(wǎng)絡(luò)、源、荷三方面的資源，以實現(xiàn)新能源的健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展；聯(lián)動、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，控制負荷和電化學儲存等靈活的調(diào)控方式，同時還要建立傳統(tǒng)的電力供應(yīng)。

4 結(jié)語

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性會對電網(wǎng)的電力電量平衡問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)時序生產(chǎn)模型，同時對后續(xù)新能源高比例情況下所含有的電力平衡問題展開具體的研究，以此推動電網(wǎng)電力的發(fā)展。經(jīng)過結(jié)果顯示，在后續(xù)新能源裝機繼續(xù)提高的基礎(chǔ)下，會產(chǎn)生棄風棄光以及新電力短缺問題。另外，電力短缺通常出現(xiàn)于夏季以及冬季，統(tǒng)一在負荷晚高峰時間。借助加設(shè)火電裝容量能夠有效改善此類問題，但火電的應(yīng)用小時數(shù)量會減少。在實際合理的棄電率標準下，不僅能降低火電裝機容量，還需要借助可控負荷或者加設(shè)儲能等對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，如電源結(jié)構(gòu)、布局等，進而強化新能源的發(fā)電，充分滿足用電的訴求。不僅如此，還需要強化可控負荷等需求角度下響應(yīng)手段和儲能手段，利用源荷匹配去確保電力的穩(wěn)定供應(yīng)。