基于時序生產(chǎn)模擬的新能源消納能力分析

姚明俠，楊 超，陳國華，孫 蕾，劉夢真

（國網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江西 南昌 330043）

0 引言

自2006年《可再生能源法》實施以來，我國新能源發(fā)展迅猛，光伏和風(fēng)力發(fā)電裝機規(guī)模均已居世界第一位[1]。近幾年來我國面臨著日益嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問題，嚴(yán)重影響了我國新能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。2016年，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合公布了《關(guān)于做好風(fēng)電、光伏發(fā)電全額保障性收購管理工作有關(guān)要求的通知》，對棄風(fēng)、棄光地區(qū)的風(fēng)電、光伏發(fā)電保障性收購年利用小時數(shù)以及相關(guān)結(jié)算和監(jiān)管提出了硬性要求。

截止2017年底，全國風(fēng)電累計裝機1.64億kW，2017年，全國風(fēng)力發(fā)電量3057億kW·h，平均利用小時數(shù)1948h。到2017年12月底，全國光伏發(fā)電裝機達到1.3億kW，2017年全國光伏發(fā)電量1182億kW·h，。隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電的快速發(fā)展，受制于電網(wǎng)各種約束，新能源發(fā)電將可能會呈現(xiàn)出新的制約瓶頸，電網(wǎng)將不能完全消納新能源發(fā)電，亟需開展規(guī)劃水平年度新能源消納能力研究，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)，保證資源的最大化利用以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

因此，本文建立新能源年度生產(chǎn)模擬模型，以某省級電網(wǎng)為例，基于歷史運行數(shù)據(jù)，預(yù)測2020年新能源消納能力，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)。

1 時序生產(chǎn)模擬方法和數(shù)學(xué)模型

基于時序的生產(chǎn)模擬是指在給定的負(fù)荷條件下，模擬各發(fā)電機組的運行狀況，并計算發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)費用的一種時序仿真方法[2]。將系統(tǒng)負(fù)荷、發(fā)電機組出力看作隨時間變化的時間序列。系統(tǒng)負(fù)荷與機組出力之間的平衡關(guān)系看作產(chǎn)品與需求間的供需平衡關(guān)系，在這種約束下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)指標(biāo)。新能源生產(chǎn)模擬模型基于時序生產(chǎn)模擬方法建立，時序生產(chǎn)模擬保留了負(fù)荷曲線形狀隨時間變化的特點，以1h或者15min（時間間隔可以任意設(shè)定）為單位模擬系統(tǒng)運行。

1.1 電網(wǎng)模型

考慮到實際電網(wǎng)覆蓋面積大、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立詳細的電網(wǎng)物理模型開展長時間尺度時序生產(chǎn)模擬耗時巨大，難以用于生產(chǎn)實際，且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不可能出現(xiàn)很多線路過載的情況。因此，本文將電網(wǎng)模型進行聚合等值更能適應(yīng)仿真模擬的實用性要求。電網(wǎng)聚合模型是根據(jù)計算分析的目的和要求將復(fù)雜的實際電網(wǎng)簡化為1個及以上的聚合電網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)聚合模型示意

電網(wǎng)聚合模型不考慮詳細的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各電源和負(fù)荷不再受其物理位置的影響，是計算目標(biāo)電網(wǎng)新能源消納能力的基礎(chǔ)。將省級電網(wǎng)劃分為幾個聚合電網(wǎng)計算的建模思想，不僅能夠顯著提高模型計算效率，而且能夠反映出電網(wǎng)的實際運行狀況。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

建立的新能源消納能力計算模型必須要充分考慮實際電力系統(tǒng)的各類常規(guī)機組包括火電、水電機組的運行及出力特性，包括機組的啟停機特性、機組的爬坡特性，最小出力特性等，還需要考慮某些特殊類型機組，例如熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電耦合特性、抽水蓄能機組的抽放水特性等都需要特殊處理。因此，新能源消納能力數(shù)學(xué)優(yōu)化分析模型根據(jù)聯(lián)網(wǎng)線送授電出力特性、檢修計劃、新能源功率預(yù)測曲線、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線、母線負(fù)荷預(yù)測曲線、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹C組發(fā)電能力和電廠運行約束等信息，綜合考慮系統(tǒng)平衡約束、電網(wǎng)安全約束、電量約束和機組運行約束，采用考慮安全約束的優(yōu)化評估算法，獲得新能源消納能力的評估結(jié)果。

新能源時序生產(chǎn)模擬模型目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化周期內(nèi)新能源消納最大，考慮到新能源出力隨其集中安裝地點的不同而不同，可以將不同聚合電網(wǎng)的新能源單獨計算，因此優(yōu)化周期內(nèi)目標(biāo)函數(shù)為：

式中：N為系統(tǒng)所包含的聚合電網(wǎng)總數(shù)；n表示為某一聚合電網(wǎng)；T表示調(diào)度時間的總長度；t為模擬時間步長；Pw（t，n）為聚合電網(wǎng)n在時段t的風(fēng)電出力；PPV（t，n）為聚合電網(wǎng)n在時段t的光伏發(fā)電出力。

1.3 約束條件

1）區(qū)域負(fù)荷平衡約束

2）聯(lián)網(wǎng)線送授電出力約束

式中：而Li，max和－Li，max分別為第i條聯(lián)網(wǎng)線傳輸容量上下限；設(shè)定電流參考方向為：流入?yún)^(qū)域為正方向，流出區(qū)域為負(fù)方向。所以Li可以取正負(fù)值，正負(fù)則代表功率傳輸?shù)姆较颉?/p>

3）機組出力約束

式中，ΔPj（t，n）為常規(guī)機組優(yōu)化功率大小；Sj（t，n）表示機組j在時段t的運行狀態(tài)，為二進制變量，1表示機組正在運行，0則表示機組已停機。

4）機組優(yōu)化功率爬坡率約束

式中，ΔPj，up、ΔPj，down分別為第j臺機組的上爬坡率和下爬坡率。

5）供熱機組供熱期出力約束

根據(jù)對供熱機組的定義以及我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展的實際狀況，分別對背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機組和抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機組進行數(shù)學(xué)建模。背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機組的發(fā)電出力與熱出力呈線性關(guān)系：

抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)火電機組的工況曲線則更為復(fù)雜，其線性約束公式如下式所示：

式中，Cj，b、Cj，v分別為熱電比系數(shù)；Qj（t）為熱出力；PBYj（t）為背壓式機組供熱期出力；PCQj（t）為抽汽式機組供熱期出力。

背壓式機組和抽汽式機組的熱電耦合特性如圖2所示。

圖2 背壓式機組和抽汽式機組熱電出力關(guān)系曲線

6）新能源出力約束

式中：Pw*（t，n）指時刻t時裝機容量一定時的風(fēng)電時間序列出力；PPV*（t，n）指時刻t時裝機容量一定時的光伏時間序列出力。

綜合目標(biāo)函數(shù)（式（1））和約束條件（式（2）-（11）），得到基于時序生產(chǎn)模擬的新能源消納模型。

該模型在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解混合整數(shù)線性規(guī)劃（MIP）問題，求解混合整數(shù)規(guī)劃的核心算法是分枝定界法[3]，其基本思想是對有約束條件的最優(yōu)化問題的所有可行解空間進行搜索。

新能源生產(chǎn)模擬計算流程主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、配置電網(wǎng)、案例計算和結(jié)果查看四個部分，如圖3所示。

圖3 新能源生產(chǎn)模擬計算流程

2 算例

以某省級電網(wǎng)為例，建立新能源出力時間序列模型、負(fù)荷時間序列模型、各類型常規(guī)電源模型、電網(wǎng)運行模型等，基于歷史實際運行數(shù)據(jù)，以2020年新能源接納能力最大為優(yōu)化目標(biāo)，分析2020年風(fēng)電和光伏發(fā)電消納能力以及常規(guī)電源運行情況。

2.1 邊界條件

算例數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2020年某省級電網(wǎng)消納能力分析邊界條件

圖4 2020年負(fù)荷月電量及月最大負(fù)荷

表2 火電機組調(diào)峰特性

表3 水電機組調(diào)峰特性

圖5 風(fēng)電和光伏發(fā)電全年歸一化出力曲線

同樣，水電機組除了需要滿足表3的調(diào)峰特性外，受來水影響，在豐水期以發(fā)優(yōu)質(zhì)清潔的水電為主，為新能源提供調(diào)節(jié)的能力降低。受制于2020年水電的周電量約束，其中，該省級電網(wǎng)存在四個水電廠在豐水期4-6月份全部滿發(fā)，不提供調(diào)峰能力。

2020年火、水電裝機及負(fù)荷邊界條件如表4所示，規(guī)劃風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機容量分別為6200MW和7300MW，其中統(tǒng)調(diào)光伏裝機3200MW，非統(tǒng)調(diào)光伏裝機4100MW。

表4 消納能力分析基礎(chǔ)計算邊界條件

2.2 2020年規(guī)劃新能源消納情況分析

本節(jié)基于電網(wǎng)生產(chǎn)模擬模型，分析2020年規(guī)劃風(fēng)電和光伏發(fā)電接入后的消納情況以及常規(guī)機組發(fā)電情況，需要注意的是，2020年統(tǒng)調(diào)光伏裝機大幅增長，將對電網(wǎng)生產(chǎn)運行產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，本文設(shè)置統(tǒng)調(diào)光伏和統(tǒng)調(diào)風(fēng)電在電網(wǎng)調(diào)峰能力不足時刻基于各自理論功率等比例限電。

1）總體消納情況。

表5為考慮調(diào)峰約束下模擬計算出的2020年新能源消納情況和常規(guī)電源運行情況。其中，風(fēng)力發(fā)電量134.68億kW·h，限電量2.16億kW·h，限電率1.60%，風(fēng)力發(fā)電量占全社會總用電量的10%；統(tǒng)調(diào)光伏發(fā)電量42.57億kW·h，限電量0.32億kW·h，限電率0.75%；非統(tǒng)調(diào)光伏發(fā)電量55億kW·h，光伏總發(fā)電量97.57億kW·h（含非統(tǒng)調(diào)和統(tǒng)調(diào)光伏），占全社會總用電量的7.2%；火電、水電和抽水蓄能年利用小時數(shù)分別為4130.62h、3177.24h和1227.54h。

表52020 年某省級電網(wǎng)新能源消納情況和常規(guī)電源運行情況分析

2020年，在常規(guī)電源進行調(diào)峰和電網(wǎng)進行優(yōu)化調(diào)度的作用下，新能源發(fā)電狀況總體良好，存在小幅限電現(xiàn)象，風(fēng)光限電率不超過2%，主要發(fā)生在春節(jié)低負(fù)荷期間。

表6為2020年測算的各月新能源消納情況。可以看出，風(fēng)電/光伏受限時間主要集中在1-4月份，其中2月份限電量最高，分別為1.55億kW·h和0.27億kW·h，占全年總限電量的72%和84%，這是因為一季度該省級電網(wǎng)來水量豐富，水電廠以帶基荷為主，調(diào)峰為輔，電網(wǎng)調(diào)峰能力下降，另外全社會用電量較低，消納新能源的能力不足，引起風(fēng)電和光伏發(fā)電出力受限。圖6為對應(yīng)的新能源逐月受阻電量分布圖。

表6 2020年各月新能源消納情況計算結(jié)果億kW·h

圖6 2020年新能源逐月受阻電量分布

2）具體生產(chǎn)模擬結(jié)果

圖7-10為具體的生產(chǎn)模擬結(jié)果圖，包括火電機組出力和開機容量曲線、水電機組出力曲線、風(fēng)電出力和棄風(fēng)出力曲線、光伏出力和棄光出力曲線。其中，水電機組在4-6月份出力變化幅度偏小，這是因為設(shè)置4個水電廠機組在該時間段內(nèi)滿發(fā)，不提供調(diào)峰容量，其他時間段內(nèi)水電出力可以在零到滿發(fā)之間調(diào)節(jié)；為應(yīng)對新能源發(fā)電接入，抽蓄機組可在新能源低谷調(diào)峰困難時段抽水，有助于減少火電機組啟停次數(shù)，提高新能源發(fā)電消納能力。

圖7 火電機組出力和開機容量變化曲線

圖8 水電機組出力變化曲線

圖9 風(fēng)電實際出力和棄風(fēng)出力變化曲線

圖10 光伏實際出力和棄光出力變化曲線

3 結(jié)語

本文建立了新能源年度生產(chǎn)模擬模型，以某省級電網(wǎng)為例，基于歷史運行數(shù)據(jù)，對2020年新能源消納能力進行預(yù)測，測算了規(guī)劃新能源裝機的消納情況以及規(guī)劃水平年的新能源消納能力，為新能源發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)。

提高新能源消納能力，可以從電力系統(tǒng)互聯(lián)互通水平、電源調(diào)節(jié)性能和負(fù)荷特性三方面因素考慮，具體內(nèi)容分析如下：

1）電力系統(tǒng)互聯(lián)互通水平。新能源資源與負(fù)荷呈逆向分布，新能源資源豐富地區(qū)通常負(fù)荷水平有限，大規(guī)模新能源裝機并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)送出能力提出較高要求，新能源跨區(qū)域外送通道建設(shè)是影響新能源消納的關(guān)鍵因素；

2）電源調(diào)節(jié)性能。受資源稟賦影響，電源裝機以燃煤火電機組為主，當(dāng)前技術(shù)條件下火電機組調(diào)峰能力有限，無法快速跟蹤新能源出力波動。因此，開展火電機組深調(diào)峰技術(shù)改造是影響新能源消納的關(guān)鍵因素；

3）負(fù)荷特性。電力系統(tǒng)運行特性要求發(fā)用電實時動態(tài)平衡，新能源各時刻出力必須小于等于負(fù)荷功率，因此，從提高負(fù)荷出力水平的角度出發(fā)，實施電能替代和需求側(cè)響應(yīng)是影響新能源消納能力的關(guān)鍵因素。

根據(jù)本文消納分析結(jié)果，在可接受范圍內(nèi)適度地棄風(fēng)棄光，有利于風(fēng)電、光伏等新能源的持續(xù)發(fā)展和電力電量占比。