基于間歇式新能源消納能力的電網靈活性模型研究

李順福，張國榮，任靈，王志國，酈銘，閆小向

（1.國網甘肅省金昌供電公司，甘肅 金昌 737100，2.國網甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730030，3.南京德軟信息科技發展有限公司，江蘇 南京 210031）

大力發展新能源已是全球公認的應對能源緊缺、環境污染和氣候變暖等問題最具戰略意義的領域之一。我國風電并網機組容量截至2016年底累計已超過1.2億千瓦，約占全部發電機組容量的10%，到2020年，以風電為主的新能源機組容量占比預計將達總機組容量的20%。與傳統能源相比，新能源具有建設時間短、維護成本低等優點，同時也存在出力隨機性、間歇性強等缺點。尤其在間歇式新能源占比變大時，將系統的潮流分布特性變化為雙向的、不可預測的，這就給電網的可靠運行帶來了安全隱患。

1 技術現狀分析

電力系統運行遵循安全、可靠、經濟的原則，隨著高比例的新能源接入電力系統，靈活性成為現代電力系統運行新的指標。所以說，優化電力系統的運行需要兼顧可靠性、經濟性、靈活性，使其保持最佳運行狀態。

國內對電網系統靈活性定義為在某個時間尺度內（如30s、5mins、30mins、60mins等），系統響應電網中功率變化（既包括新能源出力的變化，也包括負荷功率的變化）的能力。中國電科院曾平良博士所帶的一課題組提出利用靈活性評估的方法改善電力系統應對新能源出力不確定性的方法，目前該項目尚處于在研階段。

2 靈活性評價指標模型構建

靈活性評價指標模型的構建，要能夠明確體現新能源消納能力隨機性的特點及系統靈活性狀態。由于間歇式能源出力與負荷功率變化具有波動幅度大的特性，我國關于風電場輸出功率波動范圍的相關標準如表1所示。

表1 風電場有功輸出波動峰值

針對間歇式新能源出力的隨機性，可作為電力系統靈活性資源的系統設備主要有以下六大類：水電/火電等傳統能源、電網互聯、負荷管理及負荷響應、儲能、微網、可控的新能源。其中，部分蓄能設備的性能與經濟特性如下表2所示。

表2 部分蓄能設備性能與經濟特性

通過分析以上數據，本文從應對電網功率變化能力的角度，以風電輸出功率變化為例，說明電力系統靈活性評價指標的模型求解過程。

2.1 目標函數

本文定義的目標函數是在風電場出力不確定性前提下，電網系統能承受風電場出力的最大波動范圍，體現系統對電網功率供應不足的應對能力。本文以風電為例，介紹靈活性評價指標目標函數。

從本質上講，靈活性所具有的向上和向下兩個方向性建模求解屬性相同。這里以向上方向性指標為目標對象，其目標函數描述為：

式中，ΔPwi為某區域風電場i的出力變化，以風電場功率向上的變化為負，ΔPwi≥0，Nw為某區域風電場的數量。

值得注意的是，本文使用的目標函數對研究區域內的全部風電場無全部包含要求，針對不同的研究對象，選擇對應的風電場即可，具有較強適應性。

2.2 靈活性指標約束條件

該指標的約束條件分通用約束條件和靈活資源約束。通用約束條件在靈活性指標算法中必須涵蓋，主要包括節點功率平衡、線路約束、電壓約束、預備約束及風電場功率變化約束，各通用約束條件的描述見文獻，本文以下主要描述靈活性資源約束的相關因素。

（1）時間尺度的選擇

在靈活性指標建模中，將時間尺度參數賦一固定數值，由于隨機性因素持續時間較短暫，為了適應靈活性特點并滿足相關標準，賦予固定數值，即：

當持續時間超出30分鐘時，該問題可以采用傳統方法求解，靈活性指標參考意義不大。

（2）火電機組

火電機組的有功輸出響應靈活性的時間尺度變化。火電常規機組的有功出力約束綜合靈活性時間尺度、常規機組爬坡率及其極限出力描述為：

式中，PTG,max、PTG,min分別表示火電機組輸出功率的峰值、谷值，rTd、rTu分別表示火電機組的向下和向上爬坡率，PTG為火電機組出力，PTG,0為火電機組當前出力。水電站與火電機組有功輸出約束類同，這里不再描述。

（3）可中斷負荷

可中斷負荷的出力受客戶用電出力預期和供需端協議的最大出力變化影響。可中斷負荷的出力約束可理解為：

式中，PIL，0、PIL，max分別表示可中斷負荷的當前出力及其出力峰值，PIL是可中斷負荷的有效出力，ΔPIL，max為可中斷負荷的最大出力變化范圍，通常取決于客戶和供電公司簽訂的協議約定。

（4）區域電網互聯

區域電網互聯的出力受最大交換功率和最大傳輸功率的限制。區域電網互聯的出力約束可理解為：

式中，PLine，max、PLine,0分別表示互聯區域線路上的最大傳輸有功功率和實時傳輸有功功率，Pc表示互聯區域的出力，ΔPex,max表示互聯區域最大交換功率限制。

（5）儲能系統

儲能系統出力受自身總儲能容量和系統最大出力的限制，其出力約束可以理解為：

式中，Ps表示儲能系統的輸出功率，Ps,max表示儲能系統的最大輸出功率限值，Ws,max、Ws,0分別表示儲能系統的儲能上、下限。

2.3 系統靈活性評價模型分析

圖1中，場景2表示系統的靈活性充足；場景1和3表明了在負荷功率溢出常規機組出力上、下限值時，系統對靈活性資源調節能力欠缺。

圖1 靈活性評價模型分析

2.4 結論

通過本文研究，可以得到以下結論：第一，該評價指標能夠定量評估電力系統中特性不同的靈活調節電源。第二，通過分析靈活性評價指標的規律求得最優解，為優化調節電源的容量配比和多點布局提供參考依據。

3 結語

本文在綜合考慮電網安全可靠經濟運行的基礎上，搭建電網靈活性評價指標的量化模型，為電網新建靈活調節電源和儲能的容量和布點方案提供技術支撐，在優化新能源并網的調峰問題上具有明顯的經濟效益，對新能源的發展利用起到良好促進作用。

參考文獻：

[1]肖定垚.含大規模可再生能源的電力系統靈活性評價指標及優化研究[D].上海：上海交通大學,2015.

[2]李海波,魯宗相,喬穎,曾良平.大規模風電并網的電力系統運行靈活性評估[J].電網技術,2015(6).