黃 健，樊國(guó)旗，季克勤，陳梓翰，鄭 慶，胡濟(jì)恒，蔣軼澄，潘偉東

(1.國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321001；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

新能源是引導(dǎo)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量[1-3],但是由于新能源間歇性、隨機(jī)性特點(diǎn)也對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大調(diào)峰壓力[4-5]。

由于目前新能源功率預(yù)測(cè)誤差較大，不能滿足實(shí)際工程需要，因此不能制定出可靠的發(fā)電計(jì)劃，而且系統(tǒng)需要增加備用來(lái)平抑新能源波動(dòng)性和解決功率預(yù)測(cè)精度低的問(wèn)題。發(fā)電、用電需要保持實(shí)時(shí)平衡，即需要保證總發(fā)電功率和負(fù)荷用電功率相等；而新能源不具備隨電網(wǎng)波動(dòng)的自適應(yīng)調(diào)頻能力，因此需要保留較大規(guī)模的常規(guī)電源來(lái)保持發(fā)用電功率實(shí)時(shí)平衡。原有電網(wǎng)潮流一般呈輻射狀，電壓沿潮流方向降低。隨著新能源的接入，原有線路出現(xiàn)功率減輕甚至潮流反向現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓抬升甚至出現(xiàn)電壓超標(biāo)問(wèn)題，因此需要安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置并需按照線路功率采取不同的控制策略。高彈性電網(wǎng)具有高承載、高互動(dòng)、高效能等特點(diǎn)，能夠解決能源協(xié)調(diào)調(diào)度、能源生產(chǎn)和消費(fèi)、能源供應(yīng)和使用的時(shí)空轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

文獻(xiàn)[6]構(gòu)建高彈性電網(wǎng)評(píng)價(jià)體系，緩解電網(wǎng)建設(shè)中保障安全、追求低碳和降低成本的三角矛盾。文獻(xiàn)[7]研究高彈性電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，為實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用提供指導(dǎo)價(jià)值。文獻(xiàn)[8]通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)提高高彈性電網(wǎng)建設(shè)能力。文獻(xiàn)[9]提出退役電池綜合利用方法，通過(guò)能量管理系統(tǒng)并解決了退役電池存在的容量和功率不相同問(wèn)題，增加退役電池梯次利用效益，推動(dòng)高彈性電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展。

然而，上述文獻(xiàn)多關(guān)注于高彈性電網(wǎng)框架或評(píng)價(jià)體系，沒(méi)有或者單一對(duì)實(shí)際高彈性電網(wǎng)案例進(jìn)行研究。因此，下面建立了源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)調(diào)度消納框架多方面促進(jìn)新能源消納，提出多個(gè)新能源消納模式，并通過(guò)實(shí)際算例驗(yàn)證所提高彈性電網(wǎng)新能源消納的有效性。

1 高彈性電網(wǎng)新能源消納框架

“源隨荷動(dòng)”的平衡原則可以適應(yīng)負(fù)荷預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確的傳統(tǒng)電網(wǎng)；隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)，需要建設(shè)高彈性電網(wǎng)通過(guò) “源荷互動(dòng)”的平衡原則適應(yīng)“源荷”雙端不確定性。不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)僅改變火電機(jī)組出力應(yīng)對(duì)不確定性的方式，高彈性電網(wǎng)采用源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)調(diào)度，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)源荷不確定性。

“源”為電源側(cè)，通過(guò)提高電源調(diào)節(jié)能力應(yīng)對(duì)新能源不確定性影響。采用火電機(jī)組靈活性改造降低最小技術(shù)出力、自備電廠調(diào)峰及水電站庫(kù)容優(yōu)化調(diào)度，增加新能源消納空間；改造火電機(jī)組靈活性，可以提高爬坡能力，應(yīng)對(duì)新能源功率快速波動(dòng)，減少新能源限電。

“網(wǎng)”為電網(wǎng)側(cè)，通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化運(yùn)行方式提高電網(wǎng)傳輸能力，促進(jìn)新能源消納。主要通過(guò)跨區(qū)通道建設(shè)提高電網(wǎng)互濟(jì)能力；補(bǔ)強(qiáng)薄弱線路提高電力輸送能力；優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式提高斷面?zhèn)鬏敼β省?/p>

“荷”為負(fù)荷側(cè)，通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)性。需求側(cè)響應(yīng)主要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間尺度峰谷電價(jià)改變用戶用電行為間接改變負(fù)荷大小，成本較低；通過(guò)短時(shí)間尺度直接控制可控負(fù)荷改變負(fù)荷大小，成本較高。

2 高彈性電網(wǎng)新能源消納模式

2.1 退役電池梯次利用儲(chǔ)能

負(fù)荷低谷時(shí)為退役電池充電儲(chǔ)能，相當(dāng)于“填谷”負(fù)荷，增大電網(wǎng)低谷最小負(fù)荷，獲取“填谷”收益；負(fù)荷高峰時(shí)退役電池放電，相當(dāng)于“削峰”負(fù)荷，減小電網(wǎng)高峰最大負(fù)荷，獲得“削峰”收益。

退役電池梯次利用儲(chǔ)能主要分為分布式退役電池儲(chǔ)能和集中式退役電池儲(chǔ)能[10]。集中式退役電池儲(chǔ)能分為電源側(cè)退役電池儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)退役電池儲(chǔ)能和負(fù)荷側(cè)退役電池儲(chǔ)能，其中：電源側(cè)退役電池儲(chǔ)能為新能源與儲(chǔ)能結(jié)合，提高新能源預(yù)測(cè)功率，平滑新能源出力，減少新能源接入對(duì)系統(tǒng)峰谷特性影響；電網(wǎng)側(cè)退役電池儲(chǔ)能主要作用為削峰填谷，提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，減少電網(wǎng)投資，促進(jìn)新能源消納利用；負(fù)荷側(cè)退役電池儲(chǔ)能主要分布在樓宇和工業(yè)園區(qū)以及供電能力薄弱點(diǎn)，可以減輕用戶用電費(fèi)用，并提高供電能力。分布式退役電池儲(chǔ)能選取電價(jià)差較大的工業(yè)用戶，在電價(jià)低谷時(shí)退役電池存儲(chǔ)電量，電價(jià)高峰時(shí)退役電池放電減少電網(wǎng)用電，從而降低用戶電費(fèi)支出。

2.2 新型綜合能源站

新型綜合能源站在原來(lái)變電站的基礎(chǔ)上，升級(jí)建設(shè)成為構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的多功能樞紐型綜合能源站，包含變電站、電力數(shù)據(jù)中心站、儲(chǔ)能站、天然氣分布式能源站、充電站[11]。

變電站仍然為電壓轉(zhuǎn)換和電能分配的功能。電力數(shù)據(jù)中心站包含：Ⅰ類，為面向電網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括調(diào)度、通信、電網(wǎng)運(yùn)行及管理、營(yíng)業(yè)服務(wù)數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)能站、充電站等數(shù)據(jù)；Ⅱ類，為衍生數(shù)據(jù)，面向電網(wǎng)和用戶；Ⅲ類，為分布式存儲(chǔ)和運(yùn)算中心的數(shù)據(jù)，面向地區(qū)政府和行業(yè)。儲(chǔ)能站主要應(yīng)用有3個(gè)方面：1)作為電力數(shù)據(jù)中心備用電源，當(dāng)數(shù)據(jù)中心供電中斷時(shí)，替代不間斷電源UPS為數(shù)據(jù)中心設(shè)備提供電能；2)參與“削峰填谷”，利用峰谷電價(jià)降低數(shù)據(jù)中心支出電費(fèi)，同時(shí)為電網(wǎng)提供調(diào)峰功能，提高供電能力和供電可靠性；3)作為事故備用容量，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，作為應(yīng)急電源供電。天然氣分布式能源站以天然氣為燃料，通過(guò)冷熱電聯(lián)供等方式提高能源利用率，在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，具有清潔、環(huán)保、靈活布置、利用效率高等優(yōu)點(diǎn)。充電樁利用分時(shí)電價(jià)、儲(chǔ)能電價(jià)等價(jià)格引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶有序充電，并為電網(wǎng)提供調(diào)峰、儲(chǔ)能等輔助服務(wù)，既可以增強(qiáng)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性，又可以降低車主用車費(fèi)用。

2.3 多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度園區(qū)

多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度園區(qū)主要建立在工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)，結(jié)合分布式能源、火電機(jī)組及其他能源裝置，滿足用戶冷、熱、電、氣多種需求，解決原有系統(tǒng)資源利用率和自愈能力差、系統(tǒng)整體穩(wěn)定性低和缺少協(xié)調(diào)性的問(wèn)題[12]，同時(shí)可以抑制新能源的波動(dòng)性和間歇性，提高新能源利用率。

圖1 傳統(tǒng)電網(wǎng)與高彈性電網(wǎng)區(qū)別

多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度園區(qū)主要由供電子模塊、供熱子模塊、供冷子模塊、供氣子模塊構(gòu)成，典型多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度園區(qū)如圖2所示。當(dāng)新能源發(fā)電功率較大時(shí)，多余電能用于制氫、制冷和制熱；當(dāng)新能源功率較小時(shí)，增大供熱子模塊發(fā)電功率并利用供氣子模塊發(fā)電。

圖2 典型多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度園區(qū)

3 案例仿真

3.1 案例模型

某旅游景點(diǎn)專線用戶，其供電所變壓器參數(shù)3000 kVA×2，原有間隔如圖3所示。目前，最大負(fù)荷為5800 kW，近年來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)最大負(fù)荷將達(dá)到7600 kW，其預(yù)測(cè)典型負(fù)荷序列如圖4所示。按照原有電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，需要擴(kuò)建供電所，其所需成本巨大，且需審批和建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)。這里通過(guò)高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案，在供電所原有間隔基礎(chǔ)上，通過(guò)在10 kV待用間隔1接入“移動(dòng)變壓器”， 并在10 kV待用間隔1低壓380 V接入退役電池及新能源光伏，光伏組容量為12 kVA，擬接入100組(其典型功率序列如圖4所示)增加電能供給，減少負(fù)荷增長(zhǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的巨大壓力。

圖3 供電所供電間隔

圖4 預(yù)測(cè)典型負(fù)荷序列和典型光伏序列

3.2 約束條件

原規(guī)劃方案供電功率平衡約束為

P原變，t+P擴(kuò)變，t=P1,t

(1)

式中：P原變，t為原供電所變壓器功率；P擴(kuò)變，t為擴(kuò)建供電所變壓器功率；P1，t為負(fù)荷功率。

高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案供電功率平衡約束為

P原變，t+σP移變，t+PN，t=P1，t+εP退役，C(F)，t

(2)

式中：P移動(dòng)，t為移動(dòng)變壓器功率；RN，t為新能源功率；P退役，C(F)，t為退役電池充(放)電功率，充電功率記為正，放電功率記為負(fù)；σ為配置移動(dòng)變壓器系數(shù)；ε為配置退役電池系數(shù)。退役電池充(放)電功率約束為

(3)

退役電池電量E退役，t約束為

(4)

退役電池電量狀態(tài)為

ES，t+1=ES，t+ηC·PS，S，C，t-ηF·PS，S，F(xiàn)，t

(5)

式中：ηC和ηF分別為退役電池充放電能系數(shù)，均取0.95。

等效負(fù)荷P1，等效，t為負(fù)荷減去新能源的值，如果該系統(tǒng)中接入退役電池，則負(fù)荷為通過(guò)退役電池充(放)電優(yōu)化后的負(fù)荷。

P1，等效，t=P1，t+P退役，C(F)，t-PN，t

(6)

等效負(fù)荷峰谷差為

P1，等效，v=P1，等效，max-P1，等效，min

(7)

式中：P1，等效，v為等效負(fù)荷峰谷差；P1，等效，max為最大等效負(fù)荷；P1，等效，min為最小等效負(fù)荷。

3.3 仿真計(jì)算

按照原規(guī)劃方案，需擴(kuò)建變壓器參數(shù)為2000 kVA，此時(shí)供電解決方案如圖5所示。

圖5 原規(guī)劃方案供電解決方案

按照高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案，選移動(dòng)變壓器參數(shù)分別為500 kVA和1000 kVA，結(jié)合退役電池供電，選取移動(dòng)變壓器參數(shù)分別為500 kVA和1000 kVA時(shí)的退役電池，如圖6所示。

圖6 高彈性電網(wǎng)供電解決方案

由圖6可知，選取移動(dòng)變壓器參數(shù)量分別為500 kVA和1000 kVA時(shí)的退役電池放電最大功率為1100 kW和600 kW，放電電量分別為1727 kWh和228 kWh,則對(duì)應(yīng)退役電池容量至少為1818 kVA和240 kVA，此時(shí)對(duì)應(yīng)退役電池可以選取1150 kW/2300 kWh，和650 kW/1300 kWh。

采用原規(guī)劃方案擴(kuò)建2000 kVA變壓器和采用高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案選取500 kVA和1000 kVA時(shí)接入光伏后等效負(fù)荷如圖7所示。

圖7 不同接入方案下等效負(fù)荷對(duì)比

由圖7可知，采用3種不同接入方案下最大等效負(fù)荷分別為7249 kW、6330 kW和6449 kW，最小等效負(fù)荷分別為1202 kW、1557 kW和1448 kW；等效負(fù)荷峰谷差為6047 kW、4773 kW和5051 kW。采用高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案，可減小等效負(fù)荷峰谷差，接入500 kVA和1000 kVA移動(dòng)變壓器方案可以分別減小1274 kW和996 kW，其中接入500 kVA移動(dòng)變壓器方案減小等效負(fù)荷峰谷差更多，多減小278 kW。

高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案不僅主要體現(xiàn)在其調(diào)峰能力上，在建設(shè)方面將“移動(dòng)變壓器”作為 “能源插座”可以解決之前規(guī)劃不能滿足當(dāng)前電力增長(zhǎng)過(guò)快的需求也體現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)。該“能源插座”通過(guò)電網(wǎng)接入安全評(píng)估和調(diào)試即可投入運(yùn)行，避免新建變壓器審批和土建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。以節(jié)約審批和土建時(shí)間2個(gè)月為例，該地區(qū)負(fù)荷損失成本按照負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)4元/kWh計(jì)算，則該段時(shí)間內(nèi)損失可達(dá)68.2萬(wàn)元；按照浙江省1 kWh產(chǎn)生GDP為13.37元計(jì)算，則可減少損失228.02萬(wàn)元。如果每千瓦時(shí)產(chǎn)生的GDP更高，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更大。

3.4 移動(dòng)變壓器接入?yún)?shù)靈敏性分析

選取接入不同參數(shù)移動(dòng)變壓器，退役電池對(duì)應(yīng)的放電電量和放電最大功率如圖8所示。

由圖8可知，隨著接入不同參數(shù)移動(dòng)變壓器，退役電池放電電量和最大放電功率不斷降低，放電電量降低更快。

圖8 接入不同參數(shù)移動(dòng)變壓器的退役電池對(duì)應(yīng)的放電電量和最大放電功率對(duì)比

由于原供電能力為6000 kW，需要解決負(fù)荷增長(zhǎng)后功率大于6000 kW的部分，因此統(tǒng)計(jì)負(fù)荷功率大于6000 kW的分布，并得到如圖9所示的負(fù)荷大于6000 kW持續(xù)負(fù)荷功率和負(fù)荷功率概率分布。

圖9 負(fù)荷大于6000 kW持續(xù)負(fù)荷功率和負(fù)荷功率概率分布

由圖9可知，負(fù)荷功率主要分布在6000～6800 kW區(qū)間，因此隨著移動(dòng)變壓器在該區(qū)間接入功率增加，需要配合移動(dòng)變壓器供電的退役電池放電電量降低更快；此外由持續(xù)負(fù)荷功率和負(fù)荷功率概率分布可知，在負(fù)荷分布集中區(qū)間采用移動(dòng)變壓器供電，在負(fù)荷分布較少區(qū)間采用退役電池供電，可以更好地解決電量問(wèn)題，進(jìn)而驗(yàn)證了所提高彈性電網(wǎng)方法采用移動(dòng)變壓器和退役電池共同供電的有效性。

退役電池容量和額定放電功率處于2∶1的數(shù)量關(guān)系，則對(duì)應(yīng)的退役電池容量、移動(dòng)變壓器參數(shù)和退役電池所需的最大放電功率如圖10所示。

圖10 退役電池容量、移動(dòng)變壓器參數(shù)和退役電池所需最大放電功率對(duì)比

由圖10可知，退役電池容量和額定功率數(shù)值符合2∶1關(guān)系且接近所需最大放電功率的移動(dòng)變壓器選取容量為300～500 kVA。選取移動(dòng)變壓器參數(shù)分別為300 kVA、400 kVA、500 kVA時(shí)退役電池選取1800 kW/3600 kVA、1350 kW/2700 kVA和1150 kW/2300 kVA，其中退役電池選取1350 kW/2700 kVA時(shí)，所需最大放電功率為1300 kW，最接近最大放電功率。

4 結(jié) 論

新能源的發(fā)展有助于“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，但是新能源并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰和電壓兩方面帶來(lái)影響。上面針對(duì)新能源對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，提出高彈性電網(wǎng)下“源-網(wǎng)-荷”新能源消納框架，并結(jié)合地區(qū)實(shí)際特點(diǎn)，提出退役電池梯次利用、靠近用能大戶和新型綜合能源站等方案，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)，促進(jìn)“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)實(shí)際算例，利用高彈性電網(wǎng)規(guī)劃方案，避免了傳統(tǒng)規(guī)劃方案建造費(fèi)用高、審批和建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。通過(guò)在待用間隔接入“移動(dòng)變壓器”和退役電池，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模塊化建設(shè)和“即插即用”功能，并可以減少等效負(fù)荷峰谷差。