魯宗相，林弋莎，喬 穎，吳林林，夏 雪

（1. 清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院,北京市 100045）

0 引言

氣候危機是當(dāng)今時代面臨的巨大挑戰(zhàn),能源部門溫室氣體排放量占3/4,減少溫室氣體排放是避免氣候變化最惡劣影響的關(guān)鍵。國際能源署（International Energy Agency,IEA）提出全球能源部門2050 年實現(xiàn)凈零排放的路線圖,要求在未來10 年太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的裝機容量分別以年均630 GW 和390 GW 的規(guī)模增長,年均新增量將達到2020 年增長水平的4 倍,到2050 年,太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量份額將占近70%［1］,形成以風(fēng)/光發(fā)電為主體的電力系統(tǒng)。有學(xué)者基于現(xiàn)有技術(shù)體系開展了模擬分析和政策研究,評估了以風(fēng)/光發(fā)電為主的100%可再生能源電力系統(tǒng)的可行性［2-8］。

截至2020 年底,全球可再生能源發(fā)電量占比已達29%［9］,其中,中國為27.3%［10］,美國為20.9%［11］,歐盟為38%［12］。風(fēng)/光電源方面,全球風(fēng)/光發(fā)電量占比約9%［9］,中國為9.5%［10］,美國為11.6%［11］,歐盟為19.6%［12］,整體來看還處于中等比例的水平。如何加速光伏/風(fēng)電的發(fā)展,還需要更多的技術(shù)創(chuàng)新和政策、市場支撐［13］。

源于風(fēng)/光資源的強隨機性、波動性特點,風(fēng)電和太陽能發(fā)電給電力系統(tǒng)的供需平衡帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［14］。對于大規(guī)模風(fēng)電、光伏并網(wǎng)的研究已經(jīng)非常廣泛,相關(guān)理論與方法不斷成熟并得到轉(zhuǎn)化應(yīng)用,形成了可再生能源接入電力系統(tǒng)的基本理論體系［15-17］。但是,這些研究工作的基本假設(shè)是常規(guī)電源（如燃煤發(fā)電機組、燃?xì)獍l(fā)電機組等）有足夠的調(diào)節(jié)能力來應(yīng)對可再生能源電源隨機波動性給電網(wǎng)帶來的負(fù)面沖擊。

隨著風(fēng)/光等波動性電源成為供電主體,電力系統(tǒng)本征特性改變,“基荷”發(fā)電廠基本消失,常規(guī)火電機組在日內(nèi)快速啟停,并通過水電廠、燃?xì)怆姀S、儲能以及彈性負(fù)荷等多類型靈活資源調(diào)節(jié)共同實現(xiàn)對可再生能源隨機波動的互補,靈活平衡能力成為規(guī)劃和運行關(guān)注的核心［18-19］。

不同風(fēng)/光電源比例發(fā)展階段,電力系統(tǒng)的靈活性供需平衡呈現(xiàn)不同的特點。為此,本文在新能源占比為0%和100%兩個邊界場景中間,除了低比例、中高比例階段外,進一步提出了“極高比例可再生能源電力系統(tǒng)”這一過渡階段,以下簡寫為“極高比例系統(tǒng)”,并將其定義為風(fēng)/光電源在系統(tǒng)總發(fā)電量中占比達到50%及以上的電力系統(tǒng)。需要說明的是,從靈活性供需平衡技術(shù)體系的完整性角度考慮,本文關(guān)注能量供需自平衡的系統(tǒng),即不存在大規(guī)模電力輸入或外送。丹麥的風(fēng)/光發(fā)電量占比達到了60%（主要是風(fēng)電）［20］,但其依賴歐洲完善的跨國電力交易實現(xiàn)平衡［21］,不是本文所述的極高比例系統(tǒng)。

本文將圍繞極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡問題,分析極高比例系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點和運行特點,并與其他發(fā)展階段的系統(tǒng)特性進行對比；然后,解析極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡的基本原理和關(guān)鍵挑戰(zhàn)；最后,提出極高比例系統(tǒng)靈活性供需平衡研究的關(guān)鍵難題及解決思路,為未來電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行研究提供借鑒。

1 極高比例系統(tǒng)的特點

為表征不同波動性可再生能源發(fā)展階段的靈活性供需的不同特點,圖1 給出了不同風(fēng)/光電源比例發(fā)展階段的系統(tǒng)發(fā)電/負(fù)荷持續(xù)曲線示意圖。其中:常規(guī)電源的發(fā)電功率可在裝機容量范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié),其最大發(fā)電功率不隨持續(xù)時間變化；風(fēng)/光電源出力強依賴于資源特性,其最大發(fā)電功率隨持續(xù)時間增加而下降明顯。圖1 中標(biāo)注的紅色的倍數(shù)表示不同發(fā)展階段下風(fēng)/光最大發(fā)電功率相對負(fù)荷的典型比值,百分?jǐn)?shù)表示風(fēng)/光保障發(fā)電功率相對負(fù)荷的典型比值,其取值含義及估算方法詳見附錄A。

圖1 不同發(fā)展階段系統(tǒng)的發(fā)電/負(fù)荷持續(xù)曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of generation/load duration curves of system at different development stages

由圖1 可見,對低比例系統(tǒng),以火力發(fā)電為代表的常規(guī)電源具有充足的功率和能量調(diào)節(jié)潛力,供需平衡的核心任務(wù)是如何經(jīng)濟地安排常規(guī)機組的開機和發(fā)電計劃以滿足負(fù)荷需求的實時供應(yīng)。對中高比例系統(tǒng),風(fēng)/光電源替代部分常規(guī)電源,電源波動加劇導(dǎo)致局部時段的源荷平衡矛盾,少數(shù)時段出現(xiàn)發(fā)電功率超出負(fù)荷,需進行儲能充電或適當(dāng)棄電,在發(fā)電不足的個別時段通過儲能放電補足,否則可能導(dǎo)致少量失負(fù)荷。而對極高比例系統(tǒng),常規(guī)電源大幅縮減,風(fēng)/光發(fā)電劇烈波動而導(dǎo)致失負(fù)荷和風(fēng)/光棄電的雙重風(fēng)險凸顯［22-24］,使得靈活性供需平衡問題變得至關(guān)重要且更加復(fù)雜。

1.1 結(jié)構(gòu)特點

1.1.1 源側(cè):低容量系數(shù)風(fēng)/光電源成為主體,其他電源向靈活性資源轉(zhuǎn)型

電源的容量系數(shù)定義為年平均發(fā)電功率與裝機容量的比值。實際工程運行經(jīng)驗表明,風(fēng)電的容量系數(shù)約為25%～40%,太陽能發(fā)電的容量系統(tǒng)約為10%～20%。風(fēng)/光電源容量系數(shù)低,實際電量供應(yīng)能力與裝機容量之間不匹配。

這一點可從當(dāng)前不同國家風(fēng)/光電源的裝機滲透率和電量滲透率發(fā)展實際情況得到印證。如圖2所示,各國風(fēng)/光電源的電量滲透率均小于裝機滲透率,且二者的偏差隨著裝機規(guī)模擴張有逐漸加大的趨勢（以圖2 中德國為例）。其中,風(fēng)/光電源裝機、電量滲透率分別為風(fēng)/光裝機容量、發(fā)電量與系統(tǒng)相應(yīng)指標(biāo)的比值,圖2 中數(shù)據(jù)為美國能源信息署網(wǎng)站2000—2018 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。關(guān)于風(fēng)/光電源的裝機滲透率和電量滲透率偏差的理論推導(dǎo)詳見附錄B。

圖2 不同國家風(fēng)/光電源裝機和電量滲透率發(fā)展情況Fig.2 Wind/photovoltaic capacity penetration and electricity penetration in different countries

風(fēng)/光電源難以像傳統(tǒng)火電集供電與輔助服務(wù)于一身,其他電源與之互補而向靈活調(diào)節(jié)資源轉(zhuǎn)型。水電、燃?xì)獍l(fā)電（包括燃?xì)洌┑入娫淳哂锌焖俟β收{(diào)節(jié)能力,而核電則可考慮結(jié)合制熱、制氫等方式挖掘其靈活調(diào)節(jié)潛力［25］。

1.1.2 網(wǎng)側(cè):源端電網(wǎng)多電壓層級網(wǎng)絡(luò)功能耦合,受端電網(wǎng)呈現(xiàn)“空心化”

新能源的發(fā)展極大改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展演化特性。中國不同地區(qū)資源、氣象、環(huán)境的差異以及集中/分散的風(fēng)/光電源開發(fā)模式,導(dǎo)致了不同的電源并網(wǎng)特性,也促使送受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多元化演變。

從源端電網(wǎng)來看,“新能源基地+火電支撐+遠(yuǎn)距離外送”的集中式開發(fā)模式極大地推動了中國交直流電網(wǎng)的發(fā)展?？稍偕茉措娫吹膮R聚效應(yīng)導(dǎo)致其隨機、波動特性影響放大；可再生能源多電壓層級匯集網(wǎng)絡(luò)與本地電網(wǎng)深度融合而影響供電或?qū)е聴夛L(fēng)/棄光；本地消納和外送輸出并舉,使高比例可再生能源電源的特性與源端電網(wǎng)的本地負(fù)荷供給及跨區(qū)聯(lián)絡(luò)輸電功能深度耦合［26］。

從受端電網(wǎng)來看,常規(guī)電源比例逐步減少,分布式發(fā)電接入增長,同時伴隨直流饋入,受端電網(wǎng)呈現(xiàn)“空心化”特點。直流近區(qū)重載潮流疏散及調(diào)節(jié)能力、電壓支撐能力、功角穩(wěn)定特性、動態(tài)穩(wěn)定振蕩阻尼比等電網(wǎng)特性降低［27］。受端電網(wǎng)的規(guī)劃和運行都需特別考慮系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性的新變化。

另外,分布式新能源的快速發(fā)展極大改變了受端配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行特性［28］。中遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)推動了柔性直流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的探索與發(fā)展［29］。

1.1.3 荷側(cè):彈性負(fù)荷需求響應(yīng)成為常態(tài)機制,通過P2X(power-to-X)電力與其他能源部門深度耦合

為了解決富余風(fēng)/光電量消納問題,負(fù)荷成為了參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［30］。對極高比例系統(tǒng)發(fā)展階段,有必要考慮包括電制氣（power-to-gas,P2G）、電制熱（power-to-heat,P2H）、電制冷（powerto-cooling,P2C）、電動汽車（electric vehicle,EV）等P2X 技術(shù)［31-33］,實現(xiàn)電力部門和其他能源部門的耦合平衡［34］。

許多P2X 設(shè)備的輸入功率可在能量需求約束下靈活調(diào)節(jié),如表1 整理了部分P2X 設(shè)備允許的輸入功率波動范圍以及能量調(diào)節(jié)約束［35］。

表1 不同P2X 設(shè)備允許的輸入功率波動范圍以及能量調(diào)節(jié)約束Table 1 Allowable input power fluctuation ranges and energy regulation constraints for different P2X devices

隨著P2X 技術(shù)的介入,極高比例系統(tǒng)將出現(xiàn)更多的彈性負(fù)荷,其輸入功率允許在一定時間內(nèi)大范圍波動。根據(jù)彈性可調(diào)時間尺度的長短,可以將這些負(fù)荷劃分為日內(nèi)功率靈活可調(diào)的低彈性負(fù)荷與更長時間尺度自由可調(diào)的高彈性負(fù)荷。它們與不可調(diào)的剛性負(fù)荷共同構(gòu)成極高比例系統(tǒng)中的總負(fù)荷,各類負(fù)荷的代表實例、特點及可預(yù)測性說明如表2所示。

表2 極高比例系統(tǒng)中的負(fù)荷類型Table 2 Load types of power system with ultra-high proportion of renewable energy

1.1.4 儲側(cè):多類儲能實現(xiàn)多時間尺度靈活平衡

儲能專門提供靈活平衡能力,是極高比例系統(tǒng)的必需環(huán)節(jié)。為了控制系統(tǒng)成本,儲能發(fā)展規(guī)模不宜過大,對100%可再生能源電力系統(tǒng)情景的測算結(jié)果表明,儲能容量大致在總發(fā)電量30%［2-8］以內(nèi)的水平。但若完全依賴短期儲能調(diào)節(jié),所需的鋰電池制造材料將超出現(xiàn)有探明可開發(fā)總量［36］。長周期儲能的需求容量將隨風(fēng)/光發(fā)電量占比提高而顯著增大［37-38］,據(jù)估計,到2040 年長周期儲能的總?cè)萘繉⑦_到1.5～2.5 TW（85～140 TW·h）,是目前水平的近400 倍,屆時10%的發(fā)電量將經(jīng)過長周期儲能進行存儲［39］。不同文獻側(cè)重點和命名方式略有差異,這里的長周期儲能既包括4～100 h 的長期儲能（long-duration storage,LDS）,也包括大于等于100 h 的季節(jié)性儲能（seasonal storage,SS）,相應(yīng)的短期儲能指的是小于等于4 h 的儲能形式。多時間尺度的儲能將共同為極高比例系統(tǒng)的源荷匹配提供重要的緩沖作用。

從技術(shù)成熟度和成本下降趨勢來看,電化學(xué)儲能仍將是可預(yù)見的短期儲能主體。目前長周期儲能的應(yīng)用規(guī)模小,許多技術(shù)仍處于研究階段,未來主流形式尚難定論。長周期儲能技術(shù)主要包括機械式、化學(xué)式、電化學(xué)式以及熱力式等［39-40］:機械式儲能包括壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、基于重力的儲能以及抽水蓄能,包括在已建和規(guī)劃修建流域的有調(diào)節(jié)庫容的常規(guī)水電站處加建季節(jié)性抽水蓄能電站［41］；化學(xué)儲能主要指電制氣再發(fā)電（power-to-gas-topower）；電化學(xué)儲能包括金屬陽極電池、混合液流電池等；熱儲能可分為顯熱儲存、潛熱儲存和熱化學(xué)儲存。此外,通過電動汽車與電網(wǎng)互動也可以實現(xiàn)等效的長周期儲能作用［42］。

綜上,不同發(fā)展階段的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點對比如表3 所示。

表3 不同發(fā)展階段系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點對比Table 3 Structural characteristic comparison of system at different development stages

1.2 運行特點

1.2.1 風(fēng)/光電源波動特性大幅度提高了功率和能量靈活平衡需求

在極高比例系統(tǒng)中,風(fēng)/光電源特性主導(dǎo)了系統(tǒng)運行,靈活性是高比例系統(tǒng)關(guān)注的新問題［43-44］,對功率和能量靈活調(diào)節(jié)資源需求的急劇增長將是極高比例系統(tǒng)的關(guān)鍵矛盾。

基于2020 年國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營范圍內(nèi)各省份實際數(shù)據(jù)得到用于計算的負(fù)荷和風(fēng)/光發(fā)電逐小時功率曲線,以2060 年容量規(guī)劃數(shù)據(jù)［45］為基礎(chǔ),可以得到極高比例系統(tǒng)的凈負(fù)荷時序和持續(xù)曲線如圖3 所示。其中,凈負(fù)荷定義為系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)/光發(fā)電的差值,圖中以凈負(fù)荷除以年負(fù)荷峰值得到的標(biāo)幺值結(jié)果進行展示。凈負(fù)荷持續(xù)曲線根據(jù)時序曲線的數(shù)據(jù)整理得到。凈負(fù)荷持續(xù)曲線上每一點（D,P）的含義表示全年凈負(fù)荷不小于P（單位為p.u.）的時長不超過D（單位為h）。

從時序曲線可以看出,大規(guī)模風(fēng)/光電源的接入造成系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線大幅、快速地波動,且受風(fēng)/光發(fā)電季節(jié)特性影響,凈負(fù)荷為正與為負(fù)的時段呈現(xiàn)出聚集；從凈負(fù)荷持續(xù)曲線可以進一步看出,極高比例系統(tǒng)全年中將出現(xiàn)較長時段（圖3 中對應(yīng)2 600 h）凈負(fù)荷為負(fù),并且對應(yīng)的電量值較大,“富余電量往哪去”將成為需要特別關(guān)注的問題。

圖3 極高比例系統(tǒng)的凈負(fù)荷時序和持續(xù)曲線Fig.3 Net load time series and duration curves of power system with ultra-high proportion of renewable energy

為了量化風(fēng)/光電量滲透率達到不同水平時,系統(tǒng)功率和能量的靈活調(diào)節(jié)需求,定義正/負(fù)凈負(fù)荷功率調(diào)節(jié)需求和正/負(fù)凈負(fù)荷能量調(diào)節(jié)需求指標(biāo)。其中,功率調(diào)節(jié)需求刻畫了日內(nèi)凈負(fù)荷最大調(diào)節(jié)需求占全年平均負(fù)荷的比值,能量調(diào)節(jié)需求刻畫了日最大電量調(diào)節(jié)需求占全年日平均負(fù)荷電量的比值,詳細(xì)計算公式如附錄C 所示。

基于圖3 中數(shù)據(jù)進行估算,結(jié)果如圖4 所示。該估算忽略了時序運行約束,當(dāng)風(fēng)/光電量滲透率低于40%時指標(biāo)計算值均為0。隨著風(fēng)/光電量滲透率從高比例向極高比例發(fā)展,功率和能量調(diào)節(jié)需求都在增加,且負(fù)凈負(fù)荷時段的靈活調(diào)節(jié)需求逐漸增長至與正凈負(fù)荷時段相當(dāng)甚至更高的水平。凈負(fù)荷為負(fù)的情形變得更加頻繁是極高比例系統(tǒng)有別于前期發(fā)展階段的重要特點。

圖4 不同風(fēng)/光電量滲透率下的功率、能量調(diào)節(jié)需求Fig.4 Power and energy regulation requirements under different wind/photovoltaic electricity penetration rates

1.2.2 長期及季節(jié)性平衡矛盾凸顯

發(fā)電和負(fù)荷的不匹配產(chǎn)生了系統(tǒng)能量的搬移需求,而能量搬移的時長將影響系統(tǒng)不同存儲時長儲能的最優(yōu)組合［37］。為了衡量系統(tǒng)能量搬移的時長要求,定義能量搬移時間指標(biāo)。該指標(biāo)的計算假設(shè)有一個存儲能力不受限且無能量耗散的理想儲能,可以隨時存進富余風(fēng)/光發(fā)電功率,并在需要時隨時放出,用該理想儲能完成一次完整能量搬移過程（理想儲能存儲能量從0 初始狀態(tài)開始,最終返回0 存儲值狀態(tài)）所需的最長時間,來表征系統(tǒng)充分利用富余風(fēng)/光發(fā)電所要求的能量搬移時間。計算式可見附錄C。基于圖3 數(shù)據(jù),估算得到的結(jié)果列于表4 中。

表4 不同電量滲透率下的能量搬移時間要求Table 4 Energy shifting time requirements under different electricity penetration rates

隨著電量滲透率從40%提高到100%,能量搬移時間要求從8 h 上升到6 938 h,長期及季節(jié)性能量搬移需求變得突出。

類似地,IEA 和NewClimate Institute 等研究機構(gòu)均指出,月至年尺度的平衡問題將是風(fēng)/光電量滲透率達到較高水平時的主要矛盾［46-47］,大量仿真分析也發(fā)現(xiàn)提高儲能的存儲時長對進一步提升風(fēng)/光發(fā)電量占比十分重要［22,37,48］。

1.2.3 氣象要素成為系統(tǒng)運行的重要參變量

對極高比例系統(tǒng)的運行而言,氣象條件的不確定變化將極大地改變靈活性供需平衡的邊界,氣象要素將成為影響靈活平衡的重要參變量。

氣象因素成為極高比例系統(tǒng)供需雙側(cè)的共性敏感因素。從源側(cè),連續(xù)無風(fēng)無光的天氣狀況［49］以及低溫寒潮等極端天氣［50］都會對系統(tǒng)的負(fù)荷供應(yīng)能力造成沖擊,而多風(fēng)及晴朗天氣又挑戰(zhàn)系統(tǒng)消納富余電力的能力［51］。從荷側(cè),城市負(fù)荷占比提高,尤其溫控類負(fù)荷比例提升,導(dǎo)致負(fù)荷溫度敏感度大大增加。法國的居民供熱主要依賴于電鍋爐,這導(dǎo)致法國的電力負(fù)荷溫度敏感度達到了2 300 MW/℃［52］,達到平均負(fù)荷值的3.5%。

綜上,對比極高比例系統(tǒng)與低比例系統(tǒng)、中高比例系統(tǒng)的運行特點,如表5 所示。

表5 不同發(fā)展階段系統(tǒng)的運行特點對比Table 5 Operation characteristic comparison of system at different development stages

2 極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡

如何協(xié)調(diào)各類差異化資源高效經(jīng)濟地平衡系統(tǒng)靈活性供給和需求,是極高比例系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。本章將基于對極高比例系統(tǒng)靈活性需求和供給特點的分析,闡述靈活性供需平衡的基本原理,分析靈活性供需平衡的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2.1 靈活性需求和供給特點

極高比例系統(tǒng)的靈活性需求主要來源于風(fēng)/光發(fā)電的隨機波動以及剛性負(fù)荷的隨機變化,可以由凈負(fù)荷的隨機波動特點反映。

極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡可以按凈負(fù)荷的正負(fù)分為兩種情形。如前所述,“凈負(fù)荷為負(fù)”常態(tài)化出現(xiàn)是極高比例系統(tǒng)的突出特點,并且負(fù)凈負(fù)荷場景下的功率和能量調(diào)節(jié)需求可能與正凈負(fù)荷場景相當(dāng)甚至超過正凈負(fù)荷場景。由于風(fēng)/光發(fā)電和剛性負(fù)荷波動都具有多時間尺度的特點,凈負(fù)荷的變化也呈現(xiàn)多時間尺度規(guī)律。

極高比例系統(tǒng)靈活性資源的種類更加豐富,特別地,大量彈性負(fù)荷將參與響應(yīng)風(fēng)/光發(fā)電的功率和能量波動。電動汽車和溫控類負(fù)荷（P2H 和P2C）是過去研究需求側(cè)響應(yīng)主要考慮的對象［53］。而通過P2G（主要指電制氫）實現(xiàn)負(fù)荷對電源波動的追蹤,在近年受到關(guān)注。電制氫負(fù)荷被認(rèn)為是跟隨光伏發(fā)電大幅波動的重要資源［24］,甚至在文獻［31］的研究中,認(rèn)為無論從功率還是能量調(diào)節(jié)體量上,電制氫都是未來系統(tǒng)運行不可或缺的響應(yīng)資源。

但不同靈活性資源的作用場景（凈負(fù)荷為正與凈負(fù)荷為負(fù)）和時間尺度可能有較大差別,提供功率調(diào)節(jié)和能量調(diào)節(jié)的能力可能非常不一樣,并且有的靈活性資源的供給潛力可能隨時間和氣象量變化。表6 列出了幾類較為典型的靈活性資源的上述特點。

表6 典型靈活性資源的特點Table 6 Characteristics of typical flexibility resources

表1 中:由于只考慮穩(wěn)態(tài)平衡問題,在時間尺度一列最小考慮到分鐘尺度；功率調(diào)節(jié)和能量調(diào)節(jié)列中,“★”的數(shù)量越多,表示靈活性調(diào)節(jié)能力越強；在時間相關(guān)和氣象相關(guān)列中,“√”表示相關(guān),“×”表示不相關(guān)。

此外,風(fēng)/光電源通過適度棄電能夠提供一定的靈活性供給［8,23］,但所能提供的靈活性總量有限。

2.2 靈活性供需平衡的基本原理和關(guān)鍵挑戰(zhàn)

靈活性供需平衡關(guān)注的是靈活性供給資源對靈活性需求的包絡(luò)能力。不同于以火電為主的系統(tǒng),火電同時承擔(dān)功率調(diào)節(jié)和能量調(diào)節(jié)的主要任務(wù),且能量調(diào)節(jié)能力和功率調(diào)節(jié)能力呈正比例變化,在極高比例系統(tǒng)中,靈活性供給構(gòu)成多樣,且存在大量靈活性資源的能量調(diào)節(jié)能力與功率調(diào)節(jié)能力不一致,靈活性供需平衡需要對功率和能量的靈活平衡進行綜合考慮。

中國2060 年電力系統(tǒng)符合極高比例系統(tǒng)的定義,為了直觀認(rèn)識極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡及其主要矛盾,這里對中國2060 年靈活性供需平衡潛力進行估算。估算采用的數(shù)據(jù)和假設(shè)可見附錄D,功率靈活性供需平衡結(jié)果和能量供需靈活性平衡結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示,其中各包含凈負(fù)荷為正和為負(fù)兩種情形。實際上,凈負(fù)荷為正和為負(fù)的情形中均包含上調(diào)和下調(diào)兩個方向,這里不加區(qū)分,以絕對值進行統(tǒng)一的計算。圖5 和圖6 中,柱形圖用以反映靈活性供給的潛力,箱型圖用以反映靈活性需求的分布情況。柱形圖超出箱型圖的長度反映了靈活性的充裕程度。受限于估算所用的凈負(fù)荷曲線為一年的逐小時曲線,橫軸時間尺度只選擇了時、日、周、月等。由于不同時間尺度的能量調(diào)節(jié)量相差較大,圖6 縱軸采用了對數(shù)坐標(biāo)。

從圖5 和圖6 可以看出,極高比例系統(tǒng)靈活性供需平衡的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于:

圖5 凈負(fù)荷為正和凈負(fù)荷為負(fù)情形下功率靈活性供需平衡估算結(jié)果Fig.5 Estimation results of power flexibility supplydemand balance in cases of positive and negative net loads

圖6 凈負(fù)荷為正和凈負(fù)荷為負(fù)情形下能量靈活性供需平衡估算結(jié)果Fig.6 Estimation results of energy flexibility supplydemand balance in cases of positive and negative net loads

1）凈負(fù)荷為負(fù)情形下的靈活性供需平衡:由于凈負(fù)荷為負(fù)的時段只能依靠彈性負(fù)荷和儲能進行靈活調(diào)節(jié),靈活性供給總量相比凈負(fù)荷為正的情形大大減少,靈活性供需平衡更加困難。

2）長時間尺度的靈活性供需平衡:一方面,更長的時間尺度對應(yīng)的靈活性需求更大；另一方面,短時間尺度的靈活性資源不能提供更長時間尺度的調(diào)節(jié)能力,長時間尺度的靈活性供需平衡矛盾突出。

3）功率和能量的靈活性平衡潛力不一致:由于靈活性資源的功率和能量供給能力不一致,系統(tǒng)功率和能量的靈活性平衡潛力呈現(xiàn)不一致。例如,小時和日尺度的功率靈活性平衡存在較大的平衡裕量,但能量靈活性平衡存在無法平衡的風(fēng)險,這是由于抽水蓄能、電池儲能、電動汽車等靈活性資源功率調(diào)節(jié)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其能量調(diào)節(jié)的能力。

這些關(guān)鍵問題的認(rèn)識帶來啟示:在未來極高比例系統(tǒng)的規(guī)劃階段,只進行電力電量平衡分析以及正凈負(fù)荷情形下短時間尺度的功率靈活性平衡計算是不夠的,還需保障負(fù)凈負(fù)荷情形、長時間尺度以及能量靈活性平衡的充裕性。

在運行階段,傳統(tǒng)的運行調(diào)度體系一般按時間尺度將發(fā)電計劃分為年、月、周、日等并考慮其交互作用,一般時間周期越短計算越精細(xì)。而對極高比例系統(tǒng),因具有長時間尺度調(diào)節(jié)能力的靈活性資源在多時間尺度實現(xiàn)功能復(fù)用且狀態(tài)相依,不同時間尺度的交互更加緊密。年/月等中長時間尺度發(fā)電計劃更被關(guān)注,不僅要安排檢修計劃和水庫調(diào)度計劃,還需要對P2H 和P2G 的能量狀態(tài)進行預(yù)安排,為短時間尺度的靈活性供需平衡提供邊界條件。

另外,隨著未來風(fēng)/光發(fā)電調(diào)節(jié)控制技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)/光發(fā)電機組將在系統(tǒng)頻率響應(yīng)和無功支撐中發(fā)揮越來越重要的作用,甚至具有“構(gòu)網(wǎng)（grid forming）”［54］能力。已有研究［55］指出,忽略系統(tǒng)頻率安全約束和無功平衡約束可能導(dǎo)致供需平衡方案的高成本甚至不可行。在運行模擬模型中計入系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求成為極高比例系統(tǒng)運行計劃制定的必須環(huán)節(jié)［55-57］。

以上的分析只強調(diào)了時間維度的問題,事實上,極高比例系統(tǒng)靈活性資源的空間統(tǒng)籌也是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這里對“空間”的理解,既包含地理空間,也應(yīng)包括能源種類。

跨空間管理范圍的資源統(tǒng)籌根源于不同地域靈活性供需資源的非均勻分布。例如,電動汽車、電制熱、工業(yè)彈性負(fù)荷等靈活調(diào)節(jié)資源呈現(xiàn)很強的地域分布差異?？缒茉搭I(lǐng)域的統(tǒng)籌體現(xiàn)在供需平衡對P2X 彈性負(fù)荷的強依賴性,這一點可以從圖5 和圖6中靈活性需求（箱型圖）與電制熱或電制氫對應(yīng)柱形相交的情形體現(xiàn)。這要求極高比例系統(tǒng)需要配套的管理手段充分調(diào)動跨地理空間和跨能源品類的靈活性互濟能力。全國統(tǒng)一電力市場體系［58］和多能源協(xié)同參與的電力市場模式［59］是重要的應(yīng)對舉措。

3 極高比例系統(tǒng)的關(guān)鍵難點與解決思路

3.1 關(guān)鍵難題1：靈活性供需平衡評價方法

3.1.1 難題1 問題剖析

合理評價系統(tǒng)供需平衡狀態(tài)是系統(tǒng)發(fā)電安排的基礎(chǔ)。對于波動性風(fēng)/光電源接入比例較低的情形,電力電量平衡是以火電為主實現(xiàn)供需平衡［60］,電力平衡通過系統(tǒng)總發(fā)電相對最大負(fù)荷功率的備用率反映,而電量平衡通過火電年利用小時數(shù)與火電平衡小時數(shù)的大小關(guān)系反映。在電力平衡中一般不計入太陽能發(fā)電,只考慮風(fēng)力發(fā)電,并且風(fēng)力發(fā)電需要按容量可信度［61］進行折算。對電量平衡,風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的利用小時數(shù)往往按照實際運行經(jīng)驗給定,但需重置火電平衡小時［62］。工程中不需要復(fù)雜運行模擬即可得到評價結(jié)果。

風(fēng)/光電源滲透率不斷提高,其隨機波動特性成為系統(tǒng)供需平衡隨機擾動的重要來源,但電力電量平衡無法反映源側(cè)隨機波動產(chǎn)生的調(diào)節(jié)需求。針對該問題,已有很多研究提出在電力電量平衡評價中納入靈活性供需平衡的內(nèi)容,目前的主要方法之一是基于非時序生產(chǎn)模擬,直接獲得靈活性供給和需求的概率分布,并結(jié)合概率卷積運算,計算靈活性裕量的概率分布,以其統(tǒng)計特征量作為靈活性評價指標(biāo)［63］；另一種方法是基于短時間尺度（一般為日尺度）的時序模擬結(jié)果,計算帶有時間信息的靈活性評價指標(biāo)［64-65］,多場景模擬是常用的策略,但此處多場景考慮的是風(fēng)/光發(fā)電曲線的變化規(guī)律。

對極高比例系統(tǒng),負(fù)荷成為靈活性資源的重要來源。彈性負(fù)荷以及儲能的靈活調(diào)節(jié)能力都與所處的能量狀態(tài)相關(guān),而能量狀態(tài)是之前所有時刻調(diào)節(jié)動作長時間累積的體現(xiàn)。靈活性供給和需求的功率和能量特性都存在較強的不確定性,從而靈活性供需平衡也存在不確定性。此外,靈活性供給和需求都存在空間相關(guān)性,如同一地區(qū)供暖受相近的溫度影響、風(fēng)/光發(fā)電存在空間平滑效應(yīng)等。

目前的靈活性供需平衡的建模方法尚不完善,概率方法忽略了長時序的耦合影響,時序方法對不確定性的建模不足,而目前兩種方法都不考慮空間尺度的問題,進而對評價結(jié)果產(chǎn)生影響。

3.1.2 難題1 解決思路

針對以上難點,提出結(jié)合空間相關(guān)性的建模和元件狀態(tài)時序連接關(guān)系的概率化評估方法,包含空間相關(guān)性建模、時序連接關(guān)系建模、蒙特卡洛模擬和靈活性供需平衡等,如圖7 所示。

圖7 靈活性供需平衡評價研究思路圖Fig.7 Research roadmap of flexibility supply-demand balance evaluation

傳統(tǒng)的場景構(gòu)建輸入多是單一空間位置（或者一個區(qū)域）的風(fēng)/光歷史發(fā)電曲線,輸出多是“典型日”曲線,以配合基于典型日的生產(chǎn)模擬［66］。但是,對于極高比例系統(tǒng),考慮空間相關(guān)性和時序連接關(guān)系進行場景的構(gòu)建［67］變得十分重要,這是因為極高比例系統(tǒng)的源、荷雙側(cè)以及源荷之間可能受同一天氣過程的影響而呈現(xiàn)空間相關(guān)；長時間尺度的靈活性供需平衡矛盾突出,而長周期儲能和P2X 的能量約束無法由典型日模擬結(jié)果獲知。這里提出的空間相關(guān)性建模、時序連接關(guān)系建模即要為多空間位置處的模擬場景綜合構(gòu)建以及場景的模擬時長提供依據(jù)。

蒙特卡洛模擬是為了通過大量仿真,得到充足的生產(chǎn)模擬結(jié)果樣本。一方面,用于構(gòu)建受供、需雙側(cè)不確定影響的靈活性供、需及裕量的概率分布,以計算如文獻［63］提出的靈活性概率評價指標(biāo)；另一方面,可以直接用于分析如文獻［64］提出的時間類靈活性指標(biāo)。綜合兩方面評價結(jié)果,評價系統(tǒng)靈活性。考慮到靈活性只是平衡方案的一方面,還可以納入平衡成本、整體能效等因素對平衡方案進行綜合評價。

相對而言,蒙特卡洛模擬和靈活性評價方法已得到了較多的關(guān)注,如何考慮空間相關(guān)性和時序連接關(guān)系構(gòu)建場景集,是亟待研究的問題。

3.2 關(guān)鍵難題2：靈活性供需平衡模擬計算方法

3.2.1 難題2 問題剖析

無論在規(guī)劃還是運行階段,平衡模擬計算都是必不可少的環(huán)節(jié),且年及以上時間尺度的模擬分析對極高比例系統(tǒng)非常重要。

考慮到計算能力的限制,目前時序生產(chǎn)模擬模型往往基于時間片段（time-slices）或典型場景（representative chronological periods）進 行 優(yōu) 化［68］,以兼顧時空分辨率、技術(shù)細(xì)節(jié)、空間尺度的建模需求［69］。但是,這兩種方法都無法完整刻畫時序的影響,難以滿足長時序生產(chǎn)模擬的建模需求［70］。

對此,目前主要有3 類解決方法。一類思路是考慮典型場景之間的時序連接關(guān)系,使得基于典型場景的優(yōu)化模擬結(jié)果可以在一定程度上反映儲能存儲能量的時序累積［71-73］。另一類思路是擴展模擬時長,目前很多單純的生產(chǎn)模擬軟件已能夠提供8 760 h 的 優(yōu) 化 計 算 功 能,如 PLEXOS［74］、SWITCH［75］、MAPS［75］、GENX［76］等。為 了 達 到 長時序模擬的要求,這一類模型往往需要對空間尺度和技術(shù)約束進行簡化,如對同類型機組進行聚合、不考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒉豢紤]機組啟停約束等［77］。針對因為采用等1 h 步長導(dǎo)致計算時間復(fù)雜性過高的問題,文獻［78］還提出了變步長模擬方法。此外,有少量研究提出了一種基于系統(tǒng)狀態(tài)的建模方法［79］,使得模型能夠?qū)δ艽鎯顟B(tài)的時序依賴特點進行建模,同時由于系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)少于時序斷面數(shù),可達到提高計算效率的目的［80］。

另外,長時間序列運行模擬中如何考慮不確定因素的影響是另一個關(guān)鍵點。生產(chǎn)模擬中處理不確定性的方法主要包括隨機優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、分布式魯棒優(yōu)化等［81］,已有研究基于典型日進行了分析。文獻［82］提出了一種兩階段隨機優(yōu)化模型,該模型可同時用于儲能的最優(yōu)定容和系統(tǒng)運行優(yōu)化；文獻［83］提出了基于機會約束規(guī)劃的多時段電力系統(tǒng)運行模型；文獻［84］考慮系統(tǒng)中的多種靈活性資源,提出了一種基于魯棒優(yōu)化的運行模擬方法；文獻［85］基于分布式魯棒優(yōu)化,提出了考慮網(wǎng)絡(luò)潮流的儲能定容及運行優(yōu)化模型。

極高比例系統(tǒng)中時序相關(guān)性和高度不確定性特性突出,當(dāng)前時刻系統(tǒng)中所有儲能和彈性負(fù)荷的狀態(tài)將潛在影響后續(xù)時刻靈活性供需平衡的能力,但影響的程度又具有很強的不確定性。

3.2.2 難題2 解決思路

本文提出考慮靈活性不足風(fēng)險的長時序滾動模擬方法,以通過模擬時長的分段滾動實現(xiàn)計算復(fù)雜度的降低,而保留空間尺度信息,如圖8 所示。

圖8 靈活性供需平衡模擬計算研究思路圖Fig.8 Research roadmap of simulated calculation for flexibility supply-demand balance

極高比例系統(tǒng)運行中,供、需雙側(cè)都面臨不確定的影響,預(yù)測信息是生產(chǎn)模擬模型的重要輸入。與低比例、中高比例系統(tǒng)不同,極高比例系統(tǒng)的預(yù)測信息中除了氣象/資源預(yù)測信息、負(fù)荷預(yù)測信息,還特別需要儲能狀態(tài)以及彈性負(fù)荷響應(yīng)潛力的預(yù)測信息,且這些預(yù)測值應(yīng)該是概率性結(jié)果,以納入預(yù)測誤差的考慮。對應(yīng)滾動模擬的技術(shù)框架,需對這些預(yù)測信息進行迭代更新。

生產(chǎn)模擬優(yōu)化需要考慮不確定優(yōu)化的方法,這里提出的解決思路是隨機優(yōu)化方法,確定模擬場景是其中一個重要問題。由于不同類型資源、氣象條件以及負(fù)荷狀態(tài)之間可能存在相關(guān)性,因此提出對不同預(yù)測量間的相關(guān)性進行建模,確定多隨機變量的聯(lián)合分布,作為場景抽取的基礎(chǔ)。另外,為了反映未來平衡對當(dāng)前決策的要求,考慮模擬時長超出實際決策的時段,并對超出決策時段的優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果按時間衰減系數(shù)折算,以使得模型具有一定的前瞻能力。

其中仍有很多技術(shù)有待研究,包括:1）彈性負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力和儲能狀態(tài)的預(yù)測方法；2）不確定參數(shù)間相關(guān)性的建模方法；3）決策的時間后效性的建模方法。

3.3 關(guān)鍵難題3：兼顧不同天氣過程的模擬場景構(gòu)建方法

3.3.1 難題3 問題剖析

在隨機優(yōu)化中,往往取期望值類的優(yōu)化函數(shù),個別極值的影響難以納入分析。然而,由于源荷的氣象強相關(guān)特性,極端天氣對極高比例系統(tǒng)的沖擊更加頻繁和劇烈,在運行模擬中,有必要專門針對大影響小概率（high impact and low probability,HILP）的天氣過程構(gòu)建模擬場景。

目前的極端天氣場景構(gòu)建方法中,有的選取某次實際極端天氣過程的歷史數(shù)據(jù)作為典型值直接應(yīng)用［86-88］,有的是利用聚類方法重構(gòu)［89-92］,還有的模型是用歷史多年的極值序列描述［93］。

但是,目前的方法往往關(guān)注某一類特定天氣狀況,且沒有更多樣本數(shù)據(jù)刻畫極端場景的出現(xiàn)頻率和嚴(yán)重程度。極端場景的時長選擇以日居多,少數(shù)選擇到多日［86］,但統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)/光發(fā)電能源缺額的持續(xù)時間往往可以達到2 周,極端情況下甚至可以達到9 周之長［94］,過短的典型場景不能正確捕捉可再生能源發(fā)電的中長期波動,以及準(zhǔn)確模擬電力存儲的運行特點［71］。這可能導(dǎo)致所選取的極端事件過于極端或不具有典型性。

3.3.2 難題3 解決思路

本文提出基于極值分析理論的天氣場景構(gòu)建方法,其整體解決思路如圖9 所示,包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、極值分析以及極端場景構(gòu)建3 個部分。

圖9 兼顧不同天氣過程的模擬場景構(gòu)建研究思路圖Fig.9 Research roadmap of simulation scenario construction considering different meteorological processes

對實際工程而言,“極端”的判定在于天氣事件對電力系統(tǒng)造成后果的嚴(yán)重程度,系統(tǒng)中源-網(wǎng)-荷-儲各環(huán)節(jié)的性能表現(xiàn)是關(guān)鍵。由于風(fēng)/光發(fā)電以及電池儲能在近一、二十年才得到較大規(guī)模的開發(fā),歷史極端天氣事件的記錄還非常有限,甚至某些地區(qū)完全未曾觀測記錄過,直接利用歷史事件序列建模的結(jié)果不可信,甚至無法實現(xiàn)。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目標(biāo)即是基于長達數(shù)十年甚至百年的歷史氣象數(shù)據(jù),結(jié)合源-網(wǎng)-荷-儲各類設(shè)備的氣象-運行性能映射函數(shù),重構(gòu)歷史天氣事件序列,以得到足夠長的分析序列樣本。在此基礎(chǔ)上抽取極值,形成后續(xù)極值分析建模的輸入。

極值分析的目標(biāo)是擬合極值樣本的概率分布,以量化極端天氣給系統(tǒng)供需平衡帶來的風(fēng)險,需要解決的主要問題在于確定極值分布的形式以及選取參數(shù)區(qū)間估計的合適方法?；诜植紖?shù)區(qū)間估計結(jié)果,可確定不同類型極端天氣場景的重現(xiàn)水平區(qū)間。

極端場景構(gòu)建的目標(biāo)是形成場景集,以用于生產(chǎn)模擬或優(yōu)化規(guī)劃分析。場景集中極端場景的嚴(yán)重程度將影響規(guī)劃或運行方案的魯棒性和經(jīng)濟性。本文提供的一個解決思路是根據(jù)重現(xiàn)期和重現(xiàn)水平劃分不同風(fēng)險等級,形成分風(fēng)險等級的極端場景集。

所提方案只是可行方案之一,實際上未來需要就以下問題深入探索:1）基于小樣本的極端風(fēng)險評估方法；2）兼顧魯棒性和經(jīng)濟性的方案優(yōu)選。

4 結(jié)語

氣候變化背景下,在未來數(shù)十年內(nèi)電力系統(tǒng)將向以風(fēng)/光電源為電量主體的極高比例可再生能源系統(tǒng)演化。風(fēng)/光發(fā)電的強隨機波動特性將驅(qū)動極高比例系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和運行方式發(fā)生改變。極高比例系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲全環(huán)節(jié)呈現(xiàn)新的特點。低容量系數(shù)電源成為主體,其他電源向靈活性資源轉(zhuǎn)型；源端電網(wǎng)多電壓層級網(wǎng)絡(luò)功能耦合,受端電網(wǎng)呈現(xiàn)“空心化”；彈性負(fù)荷需求響應(yīng)成為常態(tài)機制,通過P2X電力與其他能源部門深度耦合；不同類型儲能在多時間尺度全面發(fā)揮作用。運行方面,功率和能量靈活調(diào)節(jié)需求均大大增加；長期及季節(jié)性平衡矛盾凸顯；氣象要素成為系統(tǒng)運行的重要參變量。

靈活性供需平衡的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)各類差異化資源高效經(jīng)濟地匹配系統(tǒng)靈活性供給和需求。極高比例系統(tǒng)的靈活性需求主要來源于剛性負(fù)荷和風(fēng)/光發(fā)電波動,按靈活性需求,極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡分為正凈負(fù)荷和負(fù)凈負(fù)荷兩個運行場景。靈活性供給手段多樣化,不同靈活性資源作用的場景、時間尺度、功率調(diào)節(jié)能力、能量調(diào)節(jié)能力等都具有較大差異。對極高比例系統(tǒng)的靈活性供需平衡,尤其需要關(guān)注負(fù)凈負(fù)荷場景、長時間尺度的供需平衡問題,兼顧功率和能量靈活性平衡要求,還必須實現(xiàn)跨能源領(lǐng)域、跨空間管理范圍的資源統(tǒng)籌。

靈活性供需平衡評價、靈活性供需平衡模擬計算、兼顧不同天氣過程的模擬場景構(gòu)建是值得關(guān)注的3 個研究點。本文對應(yīng)提出結(jié)合空間相關(guān)性建模和元件狀態(tài)時序連接關(guān)系的概率化評估方法、考慮靈活性不足風(fēng)險的長時序滾動模擬方法以及基于極值理論的天氣場景構(gòu)建方法等解決思路。

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