姚德全 陳衛(wèi)中 鄭寧敏 陳世勇 鄭子墨

（1 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003 2 閩粵聯(lián)網(wǎng)電力運營有限公司 福建漳州 363301）

0 引言

加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、促進區(qū)域能源協(xié)調(diào)發(fā)展是貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局的必然要求，對于落實碳達峰碳中和部署、構(gòu)建現(xiàn)代能源體系具有重要意義［1］。為統(tǒng)籌我國資源與負荷分布不均衡、促進新能源消納，我國已建設多個跨省特高壓輸送通道，有力支撐新型電力系統(tǒng)建設。

隨著新能源規(guī)模的持續(xù)增長，不少學者對新能源跨省消納進行了思考和研究：文獻［2］分析了我國新能源的發(fā)展形勢和棄風棄光特點，從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)提出促進大規(guī)模新能源消納的技術(shù)措施；文獻［3-5］基于實時電力數(shù)據(jù)，以新能源跨區(qū)消納為目標，測算跨省送電的消納優(yōu)化模型；文獻［6］建立了考慮外送通道的電力系統(tǒng)調(diào)度隨機模型，分析了外送通道對風電資源跨區(qū)消納的影響；文獻［7］針對多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度問題，提出了1 種考慮跨區(qū)聯(lián)絡線交易計劃的分散調(diào)度方法。

目前，大部分研究主要基于送受端省份相對明確的潮流輸送優(yōu)化、調(diào)節(jié)能力提升以及新能源消納調(diào)度運營策略等領域，研究對象著重于單個省份。對于發(fā)用電自平衡能力相對較強的電力互聯(lián)省份，聯(lián)網(wǎng)線路往往僅發(fā)揮應急備用、聯(lián)絡等作用，在促進新能源消納互濟方面仍有挖潛空間。本文結(jié)合閩粵聯(lián)網(wǎng)線路，以福建和廣東為例，探索2 省新能源消納互濟的調(diào)度運營模式，促進提升聯(lián)網(wǎng)線路發(fā)揮社會價值，使新能源電力在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置。

1 新能源消納能力分析

1.1 新能源消納制約因素

風電、光伏出力可控性較差，具有隨機性、波動性，以及難于預測等特點。由于風、光的資源特性，新能源出力存在隨機性和波動性。風電日波動最大幅度可達裝機容量的80%，且呈現(xiàn)一定的反調(diào)峰特性。光伏發(fā)電受晝夜變化、天氣變化、移動云層的影響，同樣存在間歇性和波動性。

新能源高比例接入電力系統(tǒng)后，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負擔，常規(guī)電源不僅要跟隨負荷變化，還需要平衡新能源的出力波動［8］。新能源出力超過系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時，必須控制出力以保證系統(tǒng)動態(tài)平衡，否則就會產(chǎn)生棄風、棄光。在未來大規(guī)模開發(fā)新能源的情況下，將對電網(wǎng)運行產(chǎn)生較大的壓力。

結(jié)合文獻［3-5］研究成果，影響新能源消納的主要制約因素包括新能源出力特性、系統(tǒng)負荷特性、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、電網(wǎng)傳輸調(diào)度能力等方面。前三者主要是電力系統(tǒng)依靠自身電源負荷結(jié)構(gòu)與變化特性，實現(xiàn)波動性負荷與電源相匹配的過程，后者則是借助外來電網(wǎng)實現(xiàn)新能源在更大范圍內(nèi)消納。

1.2 新能源消納空間

在內(nèi)部無網(wǎng)絡約束的電力系統(tǒng)中，新能源消納需要滿足發(fā)、用電動態(tài)平衡和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下限約束。對于孤立的區(qū)域電網(wǎng)，負荷曲線與系統(tǒng)電力裝機的最小技術(shù)出力形成的空間，疊加抽蓄、儲能的最大調(diào)節(jié)能力，即為理論上新能源的最大消納空間［9］，如圖1 所示。

圖1 新能源消納空間示意圖

含外送聯(lián)絡線的電力系統(tǒng)，可將聯(lián)絡線功率與負荷曲線等效為孤立的電力系統(tǒng)負荷曲線。若新能源疊加常規(guī)電源（含抽蓄等調(diào)節(jié)性電源）最小技術(shù)出力超過負荷功率時，則超出部分則為棄新能源電量；若負荷曲線超出常規(guī)電源最大技術(shù)出力，則表明系統(tǒng)供電能力不足，存在缺電現(xiàn)象。系統(tǒng)t 時刻最大可消納的新能源電力空間Px（t）可表示如式（1）。

式中：L（t）為系統(tǒng)t 時刻的負荷功率；Gc，i，max、Gc，i，min分別為系 統(tǒng)中第i 臺常規(guī)機組的最大出力和最小技術(shù)出力；βi為第i 臺常規(guī)機組的調(diào)峰深度；β 為系統(tǒng)內(nèi)所有常規(guī)機組的平均調(diào)峰深度。

2 新能源消納互濟的跨省調(diào)度優(yōu)化方法

2.1 跨省新能源消納的電網(wǎng)調(diào)度模型

發(fā)用電自平衡能力相對較強的聯(lián)網(wǎng)省份，新能源消納著重以省內(nèi)自平衡為主；在省內(nèi)無法消納、產(chǎn)生棄新能源電量的情況下，再通過聯(lián)絡線路外送，實現(xiàn)跨省新能源消納互濟［10］。

以A、B 兩省的系統(tǒng)總運行成本經(jīng)濟最優(yōu)為目標，考慮各類型機組的運行成本及環(huán)境成本，并對棄新能源電量設定懲罰成本，以促使新能源消納，建立的調(diào)度運行目標函數(shù)見式（2）。

式中：F 為系統(tǒng)總運行的成本，F(xiàn)1、F2分別為兩省的系統(tǒng)運行成本。i 為機組編號，m1，n1分別為A 省常規(guī)電源、新能源機組（或者場站）的總數(shù)；a1，i，b1，i，分別為A省常規(guī)電源、新能源第i臺機組的單位電量運行成本；Gc1，i（t）、P1，i（t）分別為A省常規(guī)電源、新能源第i臺機組對應t 時刻的發(fā)電出力；W（t）為t 時刻外送功率，外送電時定義為正值，E 為外送電度電成本，考慮兩省互為聯(lián)絡時，兩省外送/購電成本相同。S1（t）為A 省t 時刻棄新能源功率，c1對應為懲罰性棄電成本。同理，下標為2 的對應為B 省的機組參數(shù)。

各電源類型中，火電機組除了運行成本外，還需要考慮其碳排放的環(huán)境治理成本；核電、水電運行成本不考慮碳排放成本；新能源運行成本主要為人工及運維成本，為促使新能源消納，計算過程中可簡化取0 值。由此，目標函數(shù)可簡化為式（3）。

式中：棄新能源電力功率與新能源消納空間有關，新能源發(fā)電出力超出消納空間的部分為棄新能源電力。結(jié)合式（1）可知，新能源棄電功率為式（4）。

調(diào)度運行的約束條件主要包括系統(tǒng)運行約束、常規(guī)機組的發(fā)電約束2 個方面：系統(tǒng)運行約束主要包括電力平衡、負荷備用、輸電聯(lián)絡線等方面約束；常規(guī)機組約束主要包括機組功率約束、爬坡速度、啟停時間等方面約束［11］。結(jié)合約束條件可計算出滿足系統(tǒng)新能源消納的跨省聯(lián)合調(diào)度的運行方式。

2.2 跨省調(diào)度運營優(yōu)化方法

以新能源省內(nèi)就地消納為主、滿足系統(tǒng)運行成本最優(yōu)并可通過聯(lián)網(wǎng)線路實現(xiàn)消納互濟的運營思路，進行優(yōu)化聯(lián)網(wǎng)線路的跨省調(diào)度方案，主要步驟如下：

（1）建立省級電力系統(tǒng)運行模型。包括2 省的電源規(guī)模與結(jié)構(gòu)、電力需求及負荷特性、各類電源運行的技術(shù)經(jīng)濟指標，跨省區(qū)輸電規(guī)模及方向（為簡化計算，可將2 省聯(lián)絡線外的其他外來電與負荷進行等效處理）。

（2）省內(nèi)機組運行計劃初步安排。預測次日最高負荷，根據(jù)次日常規(guī)機組檢修、開停機情況、以及電力市場交易情況、各電源出力計劃，按照電網(wǎng)調(diào)度運行模型優(yōu)化目標，安排2 省電網(wǎng)機組的組合和經(jīng)濟調(diào)度開機容量。

（3）計算2 省日內(nèi)新能源消納空間。根據(jù)當前新能源出力、超短期功率預測、負荷水平及常規(guī)機組運行工況，計算未來時刻省內(nèi)及鄰省的備用和調(diào)峰容量，預判2 省電網(wǎng)的新能源消納空間。

（4）制定日前聯(lián)絡線運行計劃。結(jié)合新能源出力預測曲線比較，分析是否存在新能源出力超過新能源消納空間的情況。針對新能源出力超出新能源消納空間的情況，安排通過聯(lián)網(wǎng)線路進行外送。結(jié)合聯(lián)網(wǎng)線路的輸送功率限制、新能源出力盈余情況，得出聯(lián)網(wǎng)線路的日前電力輸送計劃。

（5）優(yōu)化省內(nèi)機組安排。根據(jù)聯(lián)網(wǎng)線路的日前聯(lián)絡線功率計劃、棄電功率，計算出2 省考慮聯(lián)絡線功率交換及棄電功率后的等效負荷曲線。結(jié)合省內(nèi)機組計劃初步安排情況，進一步優(yōu)化2 省電網(wǎng)的機組組合和經(jīng)濟調(diào)度。

（6）實時調(diào)整聯(lián)網(wǎng)線路的運行功率。結(jié)合2 省風電日內(nèi)消納的空間計算，優(yōu)化省內(nèi)機組出力方式，實時調(diào)整聯(lián)網(wǎng)線路的運行功率，保障新能源電力在2 省范圍內(nèi)消納。

3 閩粵新能源消納互濟分析

以閩粵聯(lián)網(wǎng)為例，開展對閩粵新能源消納互濟模式研究。廣東和福建同處于沿海地區(qū)，電源裝機結(jié)構(gòu)、負荷特性等相似但又有所不同，隨著新能源大幅開發(fā)，存在新能源消納不足的現(xiàn)象。2022 年在建的閩粵聯(lián)網(wǎng)線路功能定位為“互補余缺、互為備用、緊急事故支援”，在物理上實現(xiàn)了閩粵互聯(lián)，為2 省新能源消納互濟創(chuàng)造了條件。

3.1 閩粵新能源消納能力分析

結(jié)合閩粵2025 年的規(guī)劃電源結(jié)構(gòu)，按照滿足閩粵負荷預測需求的情況，安排日機組開停機計劃，并結(jié)合新能源出力情況進行調(diào)節(jié)電源出力，以滿足負荷與電源出力匹配，實現(xiàn)清潔電源消納。在規(guī)劃的電源方案、負荷時點出力曲線中，按照新能源預測出力進行初步優(yōu)化全省機組安排，滿足負荷需求的情況下，2 省的負荷曲線及開機的常規(guī)電源最大最小技術(shù)出力如圖2、圖3 所示。

圖2 福建省2025 年負荷與電源出力曲線圖

圖3 廣東省2025 年負荷與電源出力曲線圖

由初步測算的運行結(jié)果可知，圖2、圖3 中的負荷曲線均在常規(guī)電源最小技術(shù)出力、最大技術(shù)出力的范圍內(nèi)，表明全省開機方式可以滿足負荷消納需求。在考慮疊加新能源出力后，全省最小的電源出力曲線在部分時段會超過負荷曲線，表明由于新能源隨機出力的特性，電網(wǎng)存在新能源消納能力不足的情況，需要考慮需求側(cè)響應存儲、外送、棄電等方式予以解決。

分析出現(xiàn)新能源消納不足的情況，主要出現(xiàn)在負荷低谷時段疊加風電出力大發(fā)的現(xiàn)象。選取2025 年、2030 年數(shù)據(jù)進行計算，若不考慮發(fā)揮閩粵聯(lián)網(wǎng)線路的清潔電源互濟作用，則福建、廣東2025 年、2030 年新能源消納情況如表1。測算結(jié)果表明，福建及廣東省電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力較強，全年存在0.1%～0.4%左右的棄新能源電量，滿足電力系統(tǒng)運行的棄電要求。

表1 閩粵2025 年及2030 年新能源消納情況表

3.2 新能源消納互濟的優(yōu)化運營測算

為進一步降低新能源棄電情況，結(jié)合閩粵聯(lián)網(wǎng)線路的輸送能力及消納水平，低谷時段可通過外送互濟，提升新能源消納率。例如福建省存在棄電時，而廣東省具備新能源消納空間，則考慮福建盈余新能源電力送往廣東省消納；若同時出現(xiàn)消納不足的情況，則通過聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，滿足新能源消納的最大需求。

按照跨省電網(wǎng)調(diào)度運營優(yōu)化模型，以促進清潔能源消納為目標，對2025 年、2030 年閩粵2 省出現(xiàn)電力盈余的情況進行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，發(fā)揮閩粵聯(lián)網(wǎng)清潔電源互濟作用見圖4 和圖5。經(jīng)優(yōu)化后，測算的結(jié)果見表2。

表2 閩粵2 省新能源消納互濟優(yōu)化表

圖4 聯(lián)網(wǎng)線路2025 年新能源消納互濟輸送潮流圖

圖5 聯(lián)網(wǎng)線路2030 年新能源消納互濟輸送潮流圖

通過優(yōu)化調(diào)度聯(lián)網(wǎng)工程滿足新能源消納后，2025 年、2030年閩粵聯(lián)網(wǎng)工程互濟的總電量分別約為1.42、1.04 億kWh；福建省2025 年、2030 年新能源消納率分別由99.81%、99.76%提升至100%；廣東省仍有部分盈余電量，2025 年、2030 年新能源消納率分別由99.61%、99.93%提升至99.79%、99.96%。分析表明，新能源裝機規(guī)模越大，存在低谷時段無法消納的現(xiàn)象則更加頻繁，需要大規(guī)模增加調(diào)節(jié)性電源，或者增大聯(lián)網(wǎng)工程的互濟電量，可進一步提升新能源消納需求。

隨著碳達峰、碳中和的推進實施，新型電力系統(tǒng)中的新能源發(fā)電出力比重將不斷提高，不可控電源逐年增大，對系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的需求也逐步擴大，存在新能源低谷時段消納不足的情況也將頻繁出現(xiàn)。在滿足新能源完全消納的情況下，需要投入低谷尖峰時段（低谷尖峰時段，即為負荷低谷時，新能源電力盈余特別突出的時段）調(diào)節(jié)性儲能的需求規(guī)模巨大，但利用水平又相對較低。發(fā)揮聯(lián)網(wǎng)線路消納互濟的功能，可減少棄電現(xiàn)象并降低低谷尖峰時段的儲能需求，節(jié)約全社會投資成本。

4 結(jié)語

新能源開發(fā)及跨省跨區(qū)消納，是貫徹碳達峰碳中和“全國一盤棋” 的重要舉措。充分發(fā)揮跨省互聯(lián)電網(wǎng)的消納互濟作用，可促進互聯(lián)省份新能源消納、提升聯(lián)網(wǎng)線路的利用效率，同時也可以大幅降低保障新能源消納的調(diào)節(jié)性電源建設。通過跨省互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度運行，可在省內(nèi)自主消納的基礎上，優(yōu)化電力消納互濟能力，滿足新能源消納需求。閩粵聯(lián)網(wǎng)工程實例表明，跨省聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化運營，為2 省提升新能源消納能力，支撐海上風電、光伏等新能源快速發(fā)展提供了重要保障。