陳雯，劉娟，趙爽，王志敏，李天摯

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，云南 昆明 650011；（2.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021）

0 前言

隨著碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已成為未來電力行業(yè)的發(fā)展形態(tài)，新能源的波動性、不確定性以及需求側(cè)用電特性的變化對電力系統(tǒng)靈活運行提出了新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為源、網(wǎng)、荷側(cè)需要更為靈活地調(diào)節(jié)發(fā)電出力或用電需求以滿足供需平衡[1-2]。充足的靈活性調(diào)節(jié)資源已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行的必要條件。電力系統(tǒng)靈活性資源配置正是針對系統(tǒng)當(dāng)前或規(guī)劃中存在的靈活性不足的問題，通過優(yōu)化配置靈活性資源，以使未來的負(fù)荷需求能夠以最優(yōu)的成本得到滿足，并滿足系統(tǒng)的可靠性要求[3-4]。

目前已有不少電源規(guī)劃研究者關(guān)注大規(guī)模新能源接入系統(tǒng)的影響并探討靈活性問題。文獻[5-6]提出了一種用于對含高比例新能源的電力系統(tǒng)靈活性資源的充裕性進行評估的分析方法，基于廣義旋轉(zhuǎn)備用定義，從兼顧保供/ 消納雙目標(biāo)角度揭示了新型電力系統(tǒng)運行模擬機理。文獻[7]研究了多階段靈活性資源規(guī)劃的原理及影響因素；然后考慮靈活性需求演化規(guī)律與儲能技術(shù)經(jīng)濟性持續(xù)改善，構(gòu)建了多階段靈活性資源優(yōu)化配置模型。文獻[8]建立了結(jié)合粒子群算法及生產(chǎn)模擬分析的綜合優(yōu)化模型，通過小時級生產(chǎn)模擬校驗分析系統(tǒng)運行約束指標(biāo)，并通過粒子群算法迭代尋找靈活性資源同時滿足新能源消納及經(jīng)濟性目標(biāo)的最優(yōu)配置方案。文獻[9]針對引入靈活性指標(biāo)量化評估源荷儲多類型靈活性資源的調(diào)節(jié)潛力，針對東北電網(wǎng)開展了電源規(guī)劃。

本文首先分析了靈活性資源需求來源，搭建靈活性資源配置總體框架。通過仿真模擬揭示了在可再生能源占高比例的電力系統(tǒng)中的保供應(yīng)和保消納的雙重問題，分別分析了日調(diào)節(jié)、跨日調(diào)節(jié)靈活性資源在典型月對優(yōu)化省內(nèi)新能源消納的作用，開展靈活性資源配置與優(yōu)化研究。

1 靈活性資源配置總體框架

1.1 靈活性資源需求來源

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性需求主要來源于負(fù)荷的波動，在以水電和新能源為主體電源的系統(tǒng)中，水電來水、新能源隨機性等也會產(chǎn)生大量的靈活性需求,而且隨著可再生能源發(fā)電比例的增加，這部分需求劇增而成為決定靈活性資源配置的關(guān)鍵[10]。

1）需求側(cè)

圖1 為云南省內(nèi)統(tǒng)調(diào)年負(fù)荷曲線，由圖可知，省內(nèi)需求負(fù)荷最大日出現(xiàn)在11-12 月、最小日出現(xiàn)在2 月，全年日峰谷差在23.1%～40.8% 之間，全年月峰谷差在35.2%～52.9% 之間。負(fù)荷在日內(nèi)、跨日的變化較大，需要系統(tǒng)有充足的靈活性資源來應(yīng)對負(fù)荷變化。

圖1 云南省年統(tǒng)調(diào)負(fù)荷曲線

2）電源側(cè)

相較于常規(guī)電源，風(fēng)電、光伏等出力具有明顯的波動性、隨機性和間歇性，圖2 和圖3所示為云南省風(fēng)電、光伏年出力曲線。風(fēng)電、光伏全年日峰谷差最大值接近100%，全年月峰谷差同樣接近100%。因此在需求側(cè)的靈活性資源需求基礎(chǔ)上，高比例可再生能源接入會加劇電網(wǎng)運行的不確定性，給電網(wǎng)供需平衡帶來更大挑戰(zhàn)，需要增加靈活性資源來滿足負(fù)荷需求和新能源接入。

圖2 云南省風(fēng)電年出力曲線

圖3 云南省光伏年出力曲線

1.2 靈活性資源配置總體框架

本文構(gòu)建的靈活性資源配置總體框架（見圖4），首先，通過生產(chǎn)模擬的方式將靈活性資源需求轉(zhuǎn)化為棄電率、調(diào)峰缺口和頂峰缺口等可量化指標(biāo)，解決當(dāng)前電源規(guī)劃模型中無法直接量化系統(tǒng)靈活性資源需求規(guī)模的問題。其次，以優(yōu)化和解決棄電率、調(diào)峰缺口和頂峰缺口為目標(biāo)，對典型場景進行靈活性資源配置分析。最后，進行系統(tǒng)靈活性資源配置的效果評估。

圖4 配置總體框架

2 高比例可再生能源系統(tǒng)的靈活性資源需求

靈活性資源不足的體現(xiàn)為系統(tǒng)棄水、棄風(fēng)、棄光，直接決定了新能源消納利用水平，靈活性資源不足的深層影響關(guān)系到電力安全可靠供應(yīng)。在新型電力系統(tǒng)背景下，靈活性資源從影響可再生能源消納單一的問題，將逐步發(fā)展為影響可再生能源消納和影響電力供給安全性雙重問題。

根據(jù)云南省“十四五”電力電量平衡分析，“十四五“期間電力供需將呈現(xiàn)顯著的“高峰缺電、低谷盈虧”特點，電力短缺和消納困難問題并存。在未采取進一步的靈活性資源配置措施之前，“十四五”期間大規(guī)模新能源投產(chǎn)，新能源大發(fā)時段將存在新能源消納困難情況，而負(fù)荷高峰時段新能源出力迅速下降，將存在時段電力供應(yīng)緊張情況，如圖5 所示。

圖5 供需及調(diào)峰示意圖

3 案例分析

本章對云南可再生能源占總裝機比例達(dá)到85% 以上，系統(tǒng)運行所需的日調(diào)節(jié)和跨日調(diào)節(jié)靈活性資源配置進行分析。

3.1 日調(diào)節(jié)靈活性資源配置分析

以8 月為系統(tǒng)需要最大日為例，火電除帶基荷外，在大方式運行時需帶峰荷運行（見圖6），因此加裝儲能可以吸收非豐峰時段的盈余電量后在大方式實現(xiàn)頂峰，同時當(dāng)月可以減少火電開機規(guī)模。

圖6 8月系需最大日電源工作位置示意圖（不計靈活性資源）

而相應(yīng)在8 月非系需最大日，由于系需下降，則可能會產(chǎn)生當(dāng)日棄電量，棄電量規(guī)模與新能源發(fā)電規(guī)模密切相關(guān)。前述分析已經(jīng)明確加裝儲能可以減少當(dāng)月的火電開機，儲能在小方式和腰方式充電，在大方式可以替代火電出力（如圖7 和圖8）。因此配置日調(diào)節(jié)儲能，可以顯著減小棄電量，根據(jù)仿真模擬結(jié)果在考慮配置日調(diào)節(jié)的抽水蓄能、電化學(xué)儲能后8 月棄電量可由21 億千瓦時減少至10 億千瓦時。

圖7 8月系需最小日電源工作位置示意圖（不計靈活性資源）

圖8 8月系需最小日電源工作位置示意圖（計入日調(diào)節(jié)儲能）

圖9 2月跨日調(diào)節(jié)靈活性電源工作位置對比

3.2 跨日調(diào)節(jié)靈活性資源配置分析

具有日調(diào)節(jié)的抽水蓄能、電化學(xué)儲能的調(diào)節(jié)能力有限，僅能發(fā)揮有限的調(diào)節(jié)能力減少日內(nèi)可騰挪的棄電量，仍有部分棄電量問題無法通過日調(diào)節(jié)靈活性資源來解決，還需要配置一定的跨日調(diào)節(jié)靈活性資源配合。

以2 月系統(tǒng)需要最小月為例，2 月連續(xù)數(shù)日火電均已僅帶基荷運行，但由于同時新能源在連續(xù)數(shù)日大發(fā)情況下，則將產(chǎn)生連續(xù)數(shù)日棄電量，此時日調(diào)節(jié)靈活性資源無法解決此類新能源消納和電力保供問題。需要配置跨日靈活性資源，以發(fā)揮平抑新能源日間波動、騰挪日間新能源棄電量的作用，將有助于提高新能源消納能力，替代火電開機。根據(jù)仿真模擬結(jié)果在考慮配置跨日調(diào)節(jié)的靈活性資源后2 月棄電量可進一步減少約4 億千瓦時。

4 結(jié)束語

新型電力系統(tǒng)對系統(tǒng)靈活性提出了更高要求，靈活性資源不僅需要應(yīng)對需求側(cè)的波動，還要應(yīng)對高比例可再生能源接入的電源側(cè)波動，合理配置不同時間尺度靈活性資源，是保證新型電力系統(tǒng)安全可靠經(jīng)濟運行的主要途徑。

本文基于高比例可再生能源系統(tǒng)中的負(fù)荷特性和電源出力的結(jié)構(gòu)性供需矛盾分析，構(gòu)建了靈活性資源配置總體框架，分別分析了日調(diào)節(jié)、跨日調(diào)節(jié)靈活性資源在典型月對優(yōu)化省內(nèi)新能源消納的作用。通過案例分析可到以下結(jié)論：

1）云南以水電和新能源為主的電源發(fā)電與用電特性不匹配，其中水電調(diào)節(jié)能力弱、火電靈活性不足、風(fēng)光波動性強，靈活性資源建設(shè)亟待加強。

2）日調(diào)節(jié)靈活性資源能夠直接有效的優(yōu)化日內(nèi)新能源大發(fā)時段消納困難、新能源發(fā)電不足時段供應(yīng)緊張的問題，顯著提升系統(tǒng)靈活性，建議“十四五”及中長期，積極推動存量煤電靈活性改造、加快新能源配套10%儲能建設(shè)，積極推進負(fù)荷中心、新能源集中開發(fā)地區(qū)及前期工作推進較快的抽水蓄能電站建設(shè)。

3）跨日調(diào)節(jié)靈活性資源能夠解決中、長時間尺度方面新能源消納問題，能夠應(yīng)對日調(diào)節(jié)不能有效解決的連續(xù)新能源大發(fā)或極端天氣下場景的保消納、保供應(yīng)問題，建議“十四五”及中長期，加快推進“十四五”已納規(guī)480萬千瓦煤電項目建設(shè)投產(chǎn)，積極爭取中長期保障性煤電、氣電建設(shè)指標(biāo)，加快推動龍頭水電站建設(shè)工作，以整體優(yōu)化干流水電出力特性。