裴哲義，孫驍強，王學斌，薛金淮，張小奇，向 異，趙 鑫，王鎖平，霍 超

（1．國家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；2．國家電網(wǎng)公司西北分部，陜西省西安市 710048；3．西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西省西安市 710048）

0 引言

在全球氣候變暖背景下，各國都在積極探索應對措施，我國國家主席習近平在2020年9月22日召開的聯(lián)合國大會一般性辯論上表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。為實現(xiàn)該目標，需要各行各界共同推進全社會碳減排工作。有關(guān)研究表明，電力行業(yè)的排放占整個排放的40%。因此，大力發(fā)展新能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)清潔低碳發(fā)展，是推動我國能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的要求，也是我國經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。預計到2030年，我國新能源裝機規(guī)模在12億kW以上。但由于新能源發(fā)電具有隨機性、間歇性和反調(diào)峰等特征，以及我國清潔能源主要集中在西部地區(qū)，而負荷中心主要分布在中東部，資源與負荷呈現(xiàn)逆行分布特征，新能源不僅要在本地消納，還需要大規(guī)?？鐓^(qū)輸送，多能互補也需要在不同的層面和不同的時間尺度來開展。比如電源側(cè)風、光、儲基地的優(yōu)化運行，更重要的是依托大電網(wǎng)，開展風、光、水、火多能互補優(yōu)化調(diào)度。

目前，關(guān)于多能互補及優(yōu)化調(diào)度方面已開展了一些研究。文獻[1-3]研究了水電、風電與火電聯(lián)合互補運行方式；文獻[4]在大電網(wǎng)平臺下，研究了利用各省級電網(wǎng)負荷互補特性、充分發(fā)揮常規(guī)水電、抽水蓄能、火電等電源調(diào)節(jié)性能，協(xié)調(diào)多電網(wǎng)間的電力分配方法，對緩解電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力具有一定的意義。文獻[5-6]采用多時間尺度滾動協(xié)調(diào)調(diào)度方法，兼顧不同時間尺度間的交互互饋，為不同時間尺度的電網(wǎng)運行計劃制定提供了參考。文獻[7]以金沙江上游典型電站為研究對象，研究了水電、光伏和風電出力特性在年內(nèi)和日內(nèi)的互補性，提出了水光風互補聯(lián)合運行方式，能在一定程度上降低風電、光伏等波動性能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的負面影響。文獻[8]提出了水電補償風電的理論研究，為混合能源系統(tǒng)提供理論支撐。文獻[9-11]從經(jīng)濟與環(huán)境角度出發(fā)，考慮氣候變化及對清潔能源的要求，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，引入“能源環(huán)境效益”概念，對包含風電場的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型進行修正。文獻[12]構(gòu)建了揭示電力系統(tǒng)運行風險的數(shù)學表達方式，綜合度量了風電波動的可能性和嚴重性，計及柔性負荷的調(diào)峰特點，建立了計及大規(guī)模風電和柔性負荷的電力系統(tǒng)供需側(cè)聯(lián)合隨機調(diào)度模型。以上研究探究了多能互補方式對緩解了電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力的貢獻，為新能源的大規(guī)模上網(wǎng)提供借鑒。

本文以西北電網(wǎng)為研究對象，分析西北電網(wǎng)新能源消納現(xiàn)狀和存在的主要問題，研究水電運行方式下水、火、新能源互補調(diào)度對新能源消納的影響，并介紹了西北電網(wǎng)開展水、火及新能源互補調(diào)度的實踐成就。

1 西北電網(wǎng)基本情況和特點

1．1 西北電網(wǎng)和電源結(jié)構(gòu)

1.1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

西北電網(wǎng)由陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆五?。▍^(qū)）電網(wǎng)組成，如圖1所示。供電范圍占中國陸地面積的近三分之一，形成了世界上面積最大的750kV同步電網(wǎng)，單一斷面輸送功率超過千萬千瓦，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“長鏈式”“啞鈴型”特點，東西電網(wǎng)之間形成1700km“日字型”通道，形成三大直流群、五大負荷中心、八大新能源基地。建成外送直流11條，設(shè)計容量超過7000萬kW。目前，電網(wǎng)最大負荷超過11000萬kW，清潔能源裝機占比超過50%，電網(wǎng)總體呈現(xiàn)清潔能源高占比和大送端的特點。

圖1 西北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of Northwest China Grid

1.1.2 電源結(jié)構(gòu)

近年來，西北新能源發(fā)展迅猛，裝機占比持續(xù)提升，特高壓直流不斷建成，西北已成為水、火、風、光多類型電源的堅強送端電網(wǎng)。西北地區(qū)新能源資源富集，煤炭儲量豐富，且具有豐富的水電資源，黃河上中游已建成千萬千瓦規(guī)模的梯級水電。截至2021年底，西北電網(wǎng)總裝機容量達3.37億kW，其中火電裝機容量1.58億kW，約占全網(wǎng)各類電源總裝機容量的46.7%，水電裝機容量0.346億kW，占比為10.25%，新能源裝機容量1.42億kW，占比為42.23%。風電和光伏裝機均超過水電，成為第二和第三大電源，合計裝機已接近火電裝機，詳見表1。而且電源分布不均，新能源主要分布在青海、新疆和甘肅，火電主要分布在陜西，而水電主要分布青海和甘肅的黃河上游，形成了以龍羊峽為龍頭的千萬級巨型梯級水電群，總裝機約14000MW。詳見表1，圖2和圖3。

表1 2021各電源裝機及比例Table 1 Installed capacity and proportion of Multi-type power in 2021

圖2 2021年底西北電網(wǎng)各省區(qū)各電源裝機分布圖Figure 2 Multi-type power installed capacity of each province in Northwest Power Grid at the end of 2021

圖3 黃河上游梯級水電站分布圖Figure 3 Distribution of cascade hydropower stations in the upper Yellow River

1．2 西北電網(wǎng)運行特點

1.2.1 水電的運行特點和要求

西北電網(wǎng)主要調(diào)峰電源為水電和火電，具有良好調(diào)節(jié)能力的水電站主要集中于黃河上游，黃河上游梯級水電站群總裝機容量13990MW，見圖3。其中，六座百萬千瓦級以上的水電站（龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽和劉家峽）總裝機容量10250MW。龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽和積石峽分布于青海省，劉家峽水電站位于甘肅省。但是，黃河上游梯級電站是國內(nèi)綜合運用要求最高的梯級水電站。水電除擔任電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務外，還要保證下游供水、灌溉、防汛和防凌等綜合利用需求。同時，調(diào)度關(guān)系相對比較復雜。電力調(diào)度由西北電網(wǎng)負責，而水量調(diào)度由水利部黃河水利委員會負責，黃河水利委員會直接調(diào)到兩個最關(guān)鍵的龍頭龍羊峽和最后一個具有調(diào)節(jié)性能的劉家峽水庫。由于綜合應用任務比較重，長期以來，黃河上中游水庫調(diào)度實行“以水定電”模式，作為梯級龍頭的龍羊峽水庫日出庫流量嚴格執(zhí)行黃河水利委員會指令，而梯級末端的劉家峽水庫由于下游綜合利用約束基本無太大調(diào)整空間，由此限制了黃河上中游梯級水電群，尤其是青海境內(nèi)水電的調(diào)度靈活性。同時，劉家峽水電站的出庫過程被嚴格控制，不能因電網(wǎng)調(diào)峰需求而引起流量劇烈波動，大幅降低了劉家峽水電站調(diào)峰能力。

1.2.2 新能源運行特點

（1）新能源隨機性、波動性強。

據(jù)統(tǒng)計，西北新能源發(fā)電功率最大日峰谷差超過6500萬kW，是負荷峰谷差的2.6倍，如圖4所示。新能源相鄰日發(fā)電量最大波動為3.91億kW·h，相當于30臺60萬kW火電裝機容量啟停調(diào)峰電量，給常規(guī)電源調(diào)峰提出很高的要求。同時，新能源具有難預測的特點，如圖5所示，同樣的預測模型、不同日條件下，新能源預測準確率差異明顯，給運行方式安排帶來很大挑戰(zhàn)。

圖4 西北新能源日內(nèi)波動峰谷差Figure 4 Peak-valley fluctuation of new energy output in Northwest China Grid

圖5 不同日西北新能源功率預測曲線Figure 5 The forecasting curve of new energy output in Northwest China grid on different days

（2）季節(jié)間與水電存在互補性。

用風電理論小時數(shù)表示風電資源，如圖6所示，從資源窗口期看，西北多年風電理論小時月際分布規(guī)律接近。大資源窗口期出現(xiàn)在一季度末至二季度，小資源窗口期主要集中在冬季。3～5月的單月資源小時數(shù)顯著高于全年平均水平，而此時是正好是水電枯水期，呈現(xiàn)“風多水少”的特點。7～9月黃河進入主汛期，而風電發(fā)電資源已較春季顯著降低，呈現(xiàn)“水多風少”的特點，水電和風電資源的時間分布上具有天然的互補性。

圖6 西北風電近年及多年平均資源曲線Figure 6 Monthly and long-time wind power resource curve

1.2.3 火電運行特點

目前，火電依然是西北電網(wǎng)最主要的電源，不僅是電網(wǎng)電力供應的主力軍，也是電網(wǎng)主要的調(diào)節(jié)資源，對全網(wǎng)的電力電量平衡以及頻率、電壓穩(wěn)定等方面都起著重要的作用。但火電裝機中約47%為供熱機組，約20%為自備機組，供熱機組供暖期調(diào)峰能力有限，自備機組多不參與系統(tǒng)調(diào)峰。特別是由于西北電網(wǎng)水電較多，電網(wǎng)調(diào)峰長期依靠水電，純凝火電機組的調(diào)峰能力不足。因此，西北電網(wǎng)雖然火電裝機較多，但實際調(diào)峰能力并不是非常突出，如在規(guī)?；_展火電靈活性改造之前，西北電網(wǎng)火電平均深調(diào)能力僅為40%，調(diào)峰性能難以適應高比例新能源電網(wǎng)的運行需求。

1.2.4 電網(wǎng)運行特點

西北電網(wǎng)火電主要在陜西和新疆，水電主要在甘肅和青海，新能源在各省（區(qū)）均有較大體量，主要集中在河西走廊以西。從電源分省分布來看，西北電網(wǎng)地域面積廣、資源分布跨度大的現(xiàn)實情況，決定了新能源消納和系統(tǒng)調(diào)峰將通過大范圍潮流轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)，電網(wǎng)運行主要呈現(xiàn)以下幾個特點：一是潮流分布以西電東送為主。新能源集中在河西走廊以西，新能源消納壓力大；負荷中心集中在東部，常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力相對較強，新能源消納需要大范圍潮流轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)明顯的“西電東送”特征。二是水電全網(wǎng)統(tǒng)一平衡。隨著各省新能源，特別是光伏裝機容量比例的不斷增加，黃河水電要承擔全網(wǎng)光伏的調(diào)峰任務，需要納入整個西北電網(wǎng)統(tǒng)一平衡。三是高占比新能源電網(wǎng)平衡問題日益突出。高峰時段電力供應對新能源的依賴隨之提高，午間時段調(diào)峰、高峰時段供應保障的平衡矛盾日趨突出，電網(wǎng)運行方式安排難度不斷加大，亟需通過全網(wǎng)統(tǒng)一平衡來應對新能源波動及預測偏差。四是新能源消納對外送的依賴較大。新能源裝機容量體量大，本地負荷小，無法完全消納，在新能源尖峰出力時段，網(wǎng)內(nèi)調(diào)節(jié)能力可能無法滿足要求，需要依靠跨區(qū)直流外送消納富余新能源電力電量。

以上分析可見，隨著新能源的逐步增加，電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，新能源消納矛盾也越來越突出。如何依托大電網(wǎng)，根據(jù)各電源的運行特性和要求，進行多電源的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，在保證電網(wǎng)安全的前提下實現(xiàn)新能源的充分消納是必須解決的問題。

2 多能源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

西北電網(wǎng)的水—火—風—光多能互補問題可概括為通過聯(lián)合調(diào)度青海電網(wǎng)中的水電和西北電網(wǎng)中火電等可調(diào)電源，并通過青海地理聯(lián)絡(luò)線與西北電網(wǎng)其他省網(wǎng)進行電力電量交換，平衡西北電網(wǎng)新能源出力變化和負荷變化造成的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，提高西北電網(wǎng)的新能源消納量，實現(xiàn)新能源消納量最大的目的。

2．1 目標函數(shù)

根據(jù)以上分析，本文選擇新能源消納量最大作為模型的目標函數(shù)。

2．2 約束條件

模型約束條件主要包含電力系統(tǒng)約束和水庫相關(guān)約束，電力系統(tǒng)約束見式（2）～式（6）；水庫相關(guān)約束見式（7）～式（11）。

3 方案設(shè)置和結(jié)果分析

3．1 影響新能源消納水平因素分析

3.1.1 水電的運行方式

新能源的波動性、間歇性對電網(wǎng)的靈活性提出了新的要求，特別是電網(wǎng)的調(diào)峰能力。而水電具有啟動速度快，調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢，是電網(wǎng)內(nèi)比較好的調(diào)峰資源。由于水電的運行方式直接影響到水電的調(diào)峰能力，并進而影響到新能源的消納水平，因此，西北電網(wǎng)水電運行方式，特別是黃河上中游梯級水電站的運行方式，很大程度上決定了梯級水電站的調(diào)峰能力，直接影響新能源的消納水平。

3.1.2 火電的調(diào)峰能力

作為電網(wǎng)主要電源的火電，不僅是電網(wǎng)電力供應的主力軍，也是電網(wǎng)主要的調(diào)節(jié)資源，調(diào)節(jié)能力大小會直接影響到新能源的消納水平。但西北電網(wǎng)火電裝機中約47%為供熱機組，約20%為自備機組，供熱機組供暖期調(diào)峰能力有限，自備機組多不參與系統(tǒng)調(diào)峰，西北電網(wǎng)火電靈活性不足。

3.1.3 新能源出力的可靠性

傳統(tǒng)電網(wǎng)的備用，主要考慮負荷預測偏差（負荷備用）和主要設(shè)備故障（事故備用）對安全運行的影響。而高占比新能源電網(wǎng)除以上兩個因素外還要考慮新能源隨機性和波動性對電網(wǎng)安全的影響。隨著新能源裝機比例的不斷提升，新能源出力的可靠性對電網(wǎng)平衡和新能源自身消納能力日益重要。此外，新能源消納又要求盡可能降低火電開機，在新能源“波動大”和“預測難”的客觀情況下，又可能與電網(wǎng)供電全構(gòu)目標成矛盾。尋找新能源的可信出力，將新能源科學納入電網(wǎng)備用管理，是統(tǒng)籌電網(wǎng)運行的安全性和新能源消納的經(jīng)濟性的關(guān)鍵。

3．2 方案設(shè)置

根據(jù)上述分析，根據(jù)水—火—風—光電站可能組合情景，設(shè)置4種不同方案開展計算分析。

3.2.1 水電站日約束條件下水—火—風—光電站聯(lián)合優(yōu)化方案（基礎(chǔ)方案）

遵循“以水定電”運行方式的水電站在進行發(fā)電調(diào)度時需優(yōu)先滿足供水、生態(tài)、防洪、防凌等其他綜合利用任務。通常情況下，梯級水電站日發(fā)電用水量是根據(jù)綜合用水需求確定的，不同日間的發(fā)電水量不做調(diào)整，則其日發(fā)電量和調(diào)峰能力受綜合利用需求制約。該方案設(shè)定為黃河上游梯級電站僅開展日內(nèi)調(diào)節(jié)，火電按照常規(guī)調(diào)峰計算，新能源不納入保證出力平衡，這也是黃河上游梯級電站多年來的最基本的運行方式和要求。

3.2.2 水電跨日調(diào)節(jié)的水—火—風—光電站聯(lián)合優(yōu)化方案（方案1）

梯級水電站跨日調(diào)節(jié)指的是梯級水電在考慮一定時段內(nèi)（如旬、月）綜合利用需求的前提下，根據(jù)電力系統(tǒng)日間發(fā)電需求變化而動態(tài)調(diào)整水電站不同日間發(fā)電用水量的一種運行模式。則在該模式下，水電站可根據(jù)系統(tǒng)中新能源發(fā)電情況而優(yōu)化不同日間水電發(fā)電用水量，使梯級水電站以一種更有利于電網(wǎng)調(diào)峰的狀態(tài)運行，從而更好地發(fā)揮梯級水電站的調(diào)節(jié)性能，有利于發(fā)揮梯級水電站的發(fā)電靈活性。

方案1中水電設(shè)定為滿足黃河流域水量調(diào)度部門下達的旬下泄水量調(diào)度指令，根據(jù)不同日間新能源發(fā)電量大小變化，優(yōu)化梯級水電站日間發(fā)電水量?；痣姲凑粘Ｒ?guī)調(diào)峰計算，新能源不納入保證出力平衡。通過開展跨日調(diào)節(jié)，使得水電具備了更加寬松的調(diào)節(jié)范圍，還可以考慮不同日期的新能源差異進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

3.2.3 考慮火電深度調(diào)峰能力下的水—火—風—光聯(lián)合優(yōu)化方案（方案2）

在旬下泄流量約束、梯級水電站跨日調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮火電深度調(diào)峰運用時，通過水、火、新能源聯(lián)合調(diào)度，系統(tǒng)可達到的新能源最大消納量。方案2重點研究放松水量約束并采用火電深度調(diào)峰方式時，各類型電源的優(yōu)化運行過程。

3.2.4 考慮新能源出力納入備用的水—火—風—光聯(lián)合優(yōu)化方案（方案3）

在方案2的基礎(chǔ)上，再更進一步加入新能源承擔系統(tǒng)備用措施，即根據(jù)新能源的穩(wěn)定出力減少電力系統(tǒng)中常規(guī)電源開機臺數(shù)。通過方案3，可研究不同保證率新能源納入平衡對新能源消納量的影響。該方案同時滿足旬水量約束、火電深度調(diào)峰約束以及新能源備用容量約束。

3．3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.3.1 基礎(chǔ)方案結(jié)果分析

基礎(chǔ)方案完全滿足梯級水電站日出庫水量約束，梯級水電站只能進行日內(nèi)優(yōu)化。取2020年3月某一典型旬進行計算?；A(chǔ)方案中龍羊峽出庫流量嚴格按照每日561m3/s控制，最大開機為4機128萬kW；劉家峽出庫流量按照372m3/s控制，最大開機為7機165萬kW。西北電網(wǎng)最大發(fā)電負荷為1.07億kW·h，負荷率為90%，系統(tǒng)上備用按照2%考慮。未開展靈活性改造條件下，考慮小機組、供熱機組等調(diào)峰能力有限，西北全網(wǎng)火電綜合調(diào)峰率為30%。計算結(jié)果如表2所示。運行過程如圖7所示。

表2 2020年典型旬實際運行情況和基礎(chǔ)方案發(fā)電量統(tǒng)計表Table 2 The table of generation production of the real scenario and the control scenario during typical ten-day periods in 2020

圖7 典型旬各電源實際運行情況與基礎(chǔ)方案發(fā)電過程對比Figure 7 The output profile of the real scenario and the control scenario of multi-type power in typical ten-day periods

圖7為典型旬基礎(chǔ)方案各電源運行過程與實際情況出力過程。從圖7可以看到，滿足日水量約束不變的基礎(chǔ)優(yōu)化方案與在實際運行過程高度一致，且水—火—風—光電站運行過程呈現(xiàn)出明顯的互補態(tài)勢。在新能源出力高峰期，水電和火電出力變小。需要特別指出的是，水電和火電的運行方式與傳統(tǒng)的行為完全不同，傳統(tǒng)的電網(wǎng)中水電和新能源是隨負荷而動。而在當前的電網(wǎng)中，水電和火電的具體運行態(tài)勢是隨新能源而動。最突出的不同是在白天光伏大發(fā)時段，水電和火電也按最小方式運行。這也是新能源高占比電力系統(tǒng)傳統(tǒng)電源的角色轉(zhuǎn)換和運行的典型特征。

3.3.2 方案1結(jié)果分析

方案1放開梯級水電站日出庫水量約束，控制黃河上游梯級水電站的旬出庫水量。具體計算條件為龍羊峽下泄流量按照每旬561m3/s控制，每日出庫流量在170～1180m3/s范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，劉家峽出庫流量維持372m3/s，其余邊界條件同基礎(chǔ)方案。

計算結(jié)果如表3所示，基礎(chǔ)方案和方案1下不同類型電源的運行過程如圖6所示。

表3 2020年典型旬基礎(chǔ)方案與方案1發(fā)電量統(tǒng)計表Table 3 The table of generation production of the control scenario and scenario 1 during typical ten-day periods in 2020

由表3可知，與基礎(chǔ)方案相比，方案1水電發(fā)電量減少0.78%，主要原因是采用了水電跨日調(diào)節(jié)手段，水電更多地承擔變動負荷，對水電機組運行效率產(chǎn)生一定影響。與此同時，在該模式下，由于水電不同日間可進行水量調(diào)節(jié)，在新能源連續(xù)出力偏小時，水電可有效增加出力，因此減少了電力系統(tǒng)對火電的發(fā)電需求，有效節(jié)省了0.54%的火電發(fā)電量，有利于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排。方案1中新能源的發(fā)電量增加了1.94%。運行過程見圖8。

圖8 典型旬各電源基礎(chǔ)方案和方案1發(fā)電過程對比Figure 8 The output profile of the control scenario and the scenario 1 of multi-type power in typical ten-day periods

從圖8可以看到，相比于基礎(chǔ)方案運行過程，方案1新能源發(fā)電峰值更大，計算時段內(nèi)優(yōu)化發(fā)電量大于實際發(fā)電量，說明采用方案1中水電跨日調(diào)節(jié)手段可更好地發(fā)揮梯級水電站的調(diào)峰能力，進一步給新能源消納提供便利條件。由基礎(chǔ)方案運行過程和方案1優(yōu)化結(jié)果對比還可發(fā)現(xiàn)，方案1中新能源出力高峰期的水電出力更小，是因為水電跨日調(diào)節(jié)方式下，新能源出力連續(xù)偏大時段，水電可以儲存更多水能，并在新能源出力連續(xù)偏小時增發(fā)水電。即方案1中水電跨日調(diào)節(jié)更加靈活，調(diào)峰能力顯著增強。

3.3.3 方案2結(jié)果分析

方案2在方案1的基礎(chǔ)上考慮了火電的深度調(diào)峰措施。在充分挖掘旬尺度水電調(diào)峰能力后，為進一步滿足高比新能源運行和消納需求，需考慮火電機組進行靈活性改造等措施，以增加系統(tǒng)調(diào)峰能力。在嚴格控制旬下泄流量的基礎(chǔ)上，考慮火電調(diào)峰率從30%增加到50%，通過水—火—風—光電源聯(lián)合調(diào)度，研究新能源增加的消納量以及各個電源的配合過程。

計算結(jié)果見表4。由表4可知，與方案1相比，方案2中水電發(fā)電量基本保持不變，火電發(fā)電量減少了1.45%，而新能源的發(fā)電量增加了4.22%。

表4 2020年典型旬方案1與方案2發(fā)電量統(tǒng)計表Table 4 The table of generation production of the scenario 1 and scenario 2 during typical ten-day periods in 2020

方案1與方案2中各類電源發(fā)電過程如圖9所示。從圖9中可以看出，相比方案1，方案2火電調(diào)峰深度增加明顯，新能源發(fā)電消納量明顯增加；水電出力過程基本與方案1一致，這說明火電調(diào)峰深度的增加并不影響水電運行。

圖9 典型旬各電源方案1和方案2發(fā)電過程對比Figure 9 The output profile of the scenario 1 and the scenario 2 of multi-type power in typical ten-day periods

3.3.4 方案3結(jié)果分析

在水電跨日調(diào)節(jié)和火電靈活性改造手段用盡后，若要繼續(xù)提高新能源消納水平，還可考慮將新能源納入平衡，替代火電開機。本文中，方案3在方案2的基礎(chǔ)上考慮了將新能源穩(wěn)定出力納入系統(tǒng)平衡，相應替代火電開機數(shù)量。具體考慮將新能源按100%保證出力，即990MW納入平衡，同步降低火電機組開機容量，增加新能源消納空間。

模型優(yōu)化結(jié)果如表5所示。與方案2相比，方案3水電過程基本無變化，新能源出力在高峰期增加，對應的火電出力有一定幅度的減小。從表5得知，火電出力減少了1.25%、新能源的發(fā)電量增加2.56%。

表5 2020年典型旬方案2與方案3發(fā)電量統(tǒng)計表Table 5 The table of generation production of the scenario 2 and scenario 3 during typical ten-day periods in 2020

圖10為方案2與方案3中各類電源發(fā)電過程。從圖10中可以看出，相比方案2，在新能源出力最大時，方案3中火電機組出力有所降低，但降幅并不明顯。說明當時新能源電站有效出力較小，只能在新能源棄電時段增減少量新能源消納量。

圖10 典型旬各電源方案2出力和方案3發(fā)電過程對比Figure 10 The output profile of the scenario 2 and the scenario 3 of multi-type power in typical ten-day periods

相比基礎(chǔ)方案，方案1、方案2和方案3的新能源分別增加了1.94%、4.22%和2.44%。結(jié)果分析結(jié)果表明，在新能源占比逐步提高的電力系統(tǒng)，為更好地消納新能源，傳統(tǒng)電源的運行方式會隨著新能源占比的提高而改變。研究結(jié)果還表明，依托大電網(wǎng)開展常規(guī)電源與新能源的優(yōu)化調(diào)度，有利于提升新能源的消納水平。

4 應用實踐

多年來西北電網(wǎng)根據(jù)新能源發(fā)展的情況，適時調(diào)整水電的運行方式。推進火電靈活性改造，加大火電的調(diào)峰深度。探索分析新能源的運行規(guī)律，將新能源納入平衡備用，不斷提升新能源的消納水平，取得顯著成效。

4．1 優(yōu)化水電方式

西北電網(wǎng)在水電優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)本研究成果，商請黃河水利委員會同意，組織開展了龍羊峽水庫不同出庫模式（旬、月、季）下的水電及新能源優(yōu)化調(diào)度試點和應用。實踐表明，龍羊峽水庫在滿足日最小下泄流量的基礎(chǔ)上按照月出庫流量進行控制，日出庫流量跨日調(diào)節(jié)；梯級其他水電站水位按照上、下限來控制，梯級末端的劉家峽水庫兜底平衡，可以最大程度地發(fā)揮梯級水庫聯(lián)合調(diào)度優(yōu)勢，促進新能源消納的效果也最為顯著。2021年10月試點以來，黃河梯級水電出力壓縮至最小100萬kW，增加午間新能源消納能力約1000萬kW·h。龍羊峽水電站和整個梯級電站的典型運行方式圖詳見圖11和圖12。

圖11 龍羊峽電站典型日運行Figure 11 Typical daily output profile of Longyangxia hydropower station

圖12 黃河上游梯級電站典型日運行圖Figure 12 Typical daily output profile of cascade power stations in the upper Yellow River

從圖11和圖12 可以看出，無論是單一水電站還是整個黃河梯級電站群運行方式與傳統(tǒng)的方式完全相反，呈現(xiàn)晚上出力高，中午比較低特點，這是因為中午電網(wǎng)光伏大發(fā)，整個水電配合調(diào)低出力。

從整個電網(wǎng)來看，全網(wǎng)水電運行與光伏運行也呈現(xiàn)明顯的互補特性，這是由于在中午光伏大發(fā)期間，其他水電與黃河梯級水電一樣，必須壓低出力，配合光伏調(diào)峰運行，詳見圖13。

圖13 西北電網(wǎng)水電與光伏配合典型日運行圖Figure 13 Typical daily output profile of hydropower and photovoltaic in cooperation mode in Northwest China Grid

4．2 深挖火電調(diào)峰能力

增加火電調(diào)峰能力，提高火電靈活性，主要是指增加火電機組的出力變化范圍，響應負荷變化或調(diào)度指令的能力，是指增加火電機組在低負荷時的穩(wěn)定、清潔、高效運行能力?；痣姀S根據(jù)自身發(fā)電設(shè)備技術(shù)特點和用戶用能需求，從制煤系統(tǒng)，鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等多個方面進行改造技術(shù)路線分析，做出技術(shù)經(jīng)濟比選，得到最佳的技術(shù)方案。目前實際應用的主要技術(shù)方案有：汽輪機旁路抽汽供熱技術(shù)、低壓缸零出力供熱技術(shù)、汽輪機高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)、電鍋爐供熱技術(shù)等。

根據(jù)本文研究方案，西北電網(wǎng)不斷推進火電調(diào)峰能力改造，目前已完成火電靈活性改造容量8858萬kW，提高火電調(diào)峰能力近900萬kW。提高新能源消納超100億kW·h，對新能源利用率貢獻約5個百分點。預計隨著火電靈活性改造的推進，由此釋放的新能源調(diào)峰能將超過2600萬kW。圖14為近兩年西北公網(wǎng)主力火電機組平均深調(diào)能力變化圖。

圖14 近兩年西北公網(wǎng)主力火電機組平均深調(diào)能力Figure 14 The average peak shaving ability of thermal power units in Northwest China grid during 2020 and 2021

在實際運行中，火電同水電一樣，與傳統(tǒng)的方式完全相反，火電的運行方式也發(fā)生了根本的變化，呈現(xiàn)晚上出力高，中午比較低特點，這也是因為中午電網(wǎng)光伏大發(fā)，火電調(diào)低出力配合光伏調(diào)峰運行，詳見圖15。

圖15 西北電網(wǎng)水、火、新能源典型日運行圖Figure 15 Typical daily output profile of hydropower，thermal and new energy in Northwest China Grid

4．3 提高新能源預測水平，將更多新能源納入平衡

4.3.1 提升新能源的預測水平

圖16 為2018～2021年西北風電日前預測散點圖，從實際功率與預測功率的相對關(guān)系可見，2020年和2021年的預測和實際的相關(guān)性較2018年和2019年有顯著提升，樣本距離坐標軸45°線位置更加聚集，離群點更少。按照國標要求，風電短期預測均方根誤差不超過17%，光伏不超過15%，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，風、光預測的年均均方根誤差均在6%以內(nèi)，均滿足國標要求。整體而言，近兩年西北新能源預測準確率基本達到一個較穩(wěn)定的水平，給新能源納入平衡奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖16 西北風電逐年預測分布圖Figure 16 The forecast wind power output and actual output in Northwest China Grid during 2018—2021

4.3.2 提升新能源平衡能力

新能源的間歇性波動性特征給新能源納入平衡提出了很大挑戰(zhàn)。一定保證率下新能源的預測準確率可以認為是新能源在一定概率下的可信出力，可作為新能源安全、可靠納入平衡替代的依據(jù)。以2017年數(shù)據(jù)為例，西北新能源95%保證率對應的預測準確率為30%，即全年95%的時間內(nèi)，新能源實際值在預測值的30%以上。例如，當新能源預測值為1000萬kW·h，其實際值95%的概率為300萬kW，實際運行中可以將300萬kW納入平衡，替代火電開機，為新能源消納騰出一定的空間。以2019年為例，按照98%～100%的保證率對應地保證預測準確率，將新能源納入平衡替代，使得常規(guī)電源備用常態(tài)化保持在-200萬kW左右，增加新能源消納電量約118億kW·h，占新能源消納總量的8.73%。目前隨著新能源預測準確率的不斷提升，新能源預測納入平衡的比例已超過40%，常規(guī)電源平均負備用達到-800萬kW，有效提升了新能源消納能力。

綜上，西北電網(wǎng)研究和應用結(jié)果表明，采取水電跨日調(diào)節(jié)措施、火電深度調(diào)峰措施和將新能源納入平衡備用，可有效提高西北電網(wǎng)新能源消納空間。但由于西北電網(wǎng)新能源裝機容量基數(shù)大，為了更進一步提升新能源利用效能，還需繼續(xù)研究加強跨省跨區(qū)電網(wǎng)互濟、市場機制創(chuàng)新、負荷側(cè)響應、儲能調(diào)節(jié)等提高新能源消納的方法，合力提升西北電網(wǎng)新能源消納。

5 結(jié)語

通過對西北電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、新能源消納影響因素的分析，構(gòu)建西北電網(wǎng)水—火—風—光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，通過模型優(yōu)化計算，分析不同方案對新能源消納的影響，進而提出了提高新能源消納量的三種主要措施。并通過近幾年西北電網(wǎng)消納新能源的實踐分析，驗證了理論研究的正確性。為高比例新能源電網(wǎng)多電源優(yōu)化調(diào)度提供了理論支撐。主要結(jié)論如下：

（1）依托大電網(wǎng)開展水火風光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是提升新能源消納水平的有效手段。近年來，西北電網(wǎng)新能源裝機規(guī)?？焖僭黾?，風電和光伏裝機均超過水電，成為第二和第三電源。在發(fā)電占比超過40%，發(fā)電滲透率接近50%的情況下，西北電網(wǎng)通過采取優(yōu)化水電的運行方式，加大火電的調(diào)控力度，以及不斷提升新能預測水平，提高新能源發(fā)電可信度，有效提升新能源的消納水，全網(wǎng)除青海外新能源利用率均超過95%。

（2）繼續(xù)推進火電靈活性改造工作，挖掘火電調(diào)峰能力，增加電網(wǎng)靈活性。開展常規(guī)水電靈活性改造，在有條件的水電站開展增建常規(guī)抽水蓄能研究，增加水電的調(diào)峰能力。

（3）加強新型儲能研究和規(guī)劃，在電網(wǎng)側(cè)建設(shè)規(guī)?；滦蛢δ茈娬?，進一步增加電網(wǎng)的靈活性，支撐電網(wǎng)開展水、火、風、光多能互補調(diào)度。

（4）進一步加強新能源預測技術(shù)研究，提高新能源預測水平，結(jié)合新能源場站配置儲能，提高整個新能源保證出力，提升替代常機組續(xù)能力，減少火電開機，提高新能源的消納能力。

（5）依托現(xiàn)有跨省跨區(qū)通道，進一步加強跨省跨區(qū)電網(wǎng)互濟技術(shù)和市場機制創(chuàng)新研究，依托全網(wǎng)資源，在更大的范圍內(nèi)消納新能源。