基于源網荷協同的發電能力提升初探

徐杰彥 裴冠榮 張薇 何楠

摘要??? 本文以可再生能源實時發電效率最大化為目標，針對不同的場景組合方式進行分析，初步測算源、網、荷協同調度控制對于可再生能源實時發電效率提升的程度。首先，分析通過源源互補、源網協同、網荷互動、源荷響應四種方式，對于可再生能源發電效率的提升。其次，應用張家口可再生能源發電項目的實際案例數據對源網荷協同的效果進行測算。最后，對源網荷協同對于可再生能源發電效率的提升進行總結。

【關鍵詞】源網荷協同 可再生能源 發電效率提升 源源互補 源網協同 網荷互動 源荷響應

1 引言

隨著可再生能源的發展、智能電網建設的推進和柔性負荷的大量出現，包括多能互補在內的源網荷協同技術成為促進可再生能源消納的重要途徑，具有廣泛的應用前景。

根據我國調度管理的規定，源、網、荷協同調度控制在時間尺度上可以分為中長期、短期、超短期、日內和實時，在空間層次上可以分為國、網、省、地、縣五級調度，因此源、網、荷需要在時間和空間兩個維度上都進行協同，才能使其總體效益達到最大化。對于包含源、網、荷的地區內小型電力系統，其風光儲容量優化配比已在規劃設計階段完成，調峰所需的調度計劃通常由，上級調度部門給出，其監控中心的主要職責是調度計劃的執行和對源、荷隨機波動的平抑，因此可再生能源并網發電效率取決于計劃的執行能力及源、荷的實時協同性。

由于可再生能源的間歇性和波動性及其并網后對電網的沖擊，國內對于可再生能源并網的管理與常規能源不同，多數以限值管理方式為主，可再生能源場站參與電網調峰時其發電計劃是作為出力的上限值，不要求場站出力密切跟蹤發電計劃，當可再生能源場站發電能不足時則可以偏離發電計劃;可再生能源功率集中送出斷面限值的運行方式同上，不僅防止超出輸電通道容量，而且防止可再生能源大幅波動對電網產生嚴重影響。因此，對于包含可再生能源的小型電力系統集中監控中心，只有通過充分利用可再生能源在計劃范圍內的實時發電能力和電網送出斷面的可用裕度空間，并結合儲能、可控負荷等的實時調節能力，才能實現可再生能源并網發電效率的最大化;更長時間尺度的經濟調度和更大范圍的資源優化則由.上級調度部門完成，其對于可再生能源發電效率的提升作用在此不做討論。事實上，調度計劃的準確性對于源、網、荷實時協同控制的效能和可再生能源并網發電效率的提升具有重要影響，準確性較差的調度計劃不僅增加電網二次調節的壓力，而且會造成可再生資源的浪費。本文主要研究源、網、荷實時調控問題，為便于分析，暫不考慮調度計劃的合理性。

由于電力系統在能源構成、電網結構、用戶需求等方面的不確定性和電網調控目標的多樣性，因此源、網、荷的協同也會根據不同的場景采用不同的調度控制方式和組合，應用不同的策略或算法，無法將所有情況都納入一-個統-的計算模型。本文以可再生能源實時發電效率最大化為目標，針對不同的場景組合方式進行分析，初步測算源、網、荷協同調度控制對于可再生能源實時發電效率提升的程度。

2 源網荷協同調控

2.1 源源互補提高發電效率

充分利用風光資源在出力時間和輸出功率方面的互補特性，彌補單一電源出力不均、不穩定等問題，在光照強度、風速情況不佳時，通過儲能系統的輸出對風光電站出力形成互補，提高資源利用效率。

儲能對可再生能源并網發電具有顯著的支撐作用。不同的儲能系統容量對于發電效率的提升程度不同，儲能系統也分為不同的類型，具有不同的特點，目前國內儲能系統主要用于削峰填谷和輔助改善發電單元出力性能。如果不考慮網架約束，則在儲能容量配置充足的情形下，可實現功率和計劃無偏差，并且使可再生能源的利用率達到100%。但儲能電站建造運行成本較高，頻繁充放電也將降低其運行壽命，降低聯合系統運行經濟性。因此經過經濟

技術比較，通常配置有限的儲能容量。

在線協同控制需要考慮儲能電站容量和功率約束、風電場和光伏電站的功率和響應速度約束，將聯合系統的計劃出力合理分配給風/光/儲，優化三者運行，在兼顧跟蹤計劃出力的基礎上，降低儲能電站的充放電次數，提高其運行壽命。可再生能源發電提升程度為可再生能源優化發電出力與其限值的差值之和。即

采用實際案例計算源源互補前后的效果如圖1和圖2所示，采用少量儲能補充低谷出力，在高峰時通過儲能減小峰值負荷，從而減小了間歇性能源的功率波動。通過源源互補，間歇性能源的功率曲線形狀得到優化。

2.2 源網協同提高發電效率

源網系統的基本思路是應用虛擬同步發電機技術、功率預測系統、可再生能源實時調度控制技術，保證風光電站持續不間斷發電。光伏、風電等新能源發電形式具有較強的隨機性和波動性，同時，這類發電系統均需要通過電力電子接口接入電網，減小了系統的等效慣性。這些特點都嚴重危害了系統的穩定運行。虛擬同步發電機技術為解決這類問題提供了一種可行的方案。虛擬同步發電機技術是通過模擬同步機組的機電暫態特性，使采用變流器的電源或負荷具有同步機組的慣量、阻尼、頻率和電壓調整等運行外特性的技術，從而在平抑電網功率波動的同時還可為系統提供慣性支撐，以維持頻率和電壓穩定。

當可再生能源的特性對電網穩定運行造成較大影響時，將對可再生能源的并網發電設置限值，采用虛擬同步機技術使可再生能源的發電能力得到充分利用，在極端情況下，所有可再生能源全部按照最大能力發電，則發電提升的程度為可再生能源最大發電能力與其限值的差值之和。即

其中

采用實際案例計算源網協同前后的效果如圖3所示，采用虛擬同步機技術后，聯合系統的功率得到有效控制，通過將儲能系統跨日調度，在考慮限值的情況下，可以實現沒有棄電。

2.3 網荷互動提高發電效率

一般來說，負荷包括不變負荷和可控負荷兩部分。應用柔性負荷協調控制系統，根據多種負荷響應策略，對用戶不同類型負荷實施精準控制。在調度周期內，對各類柔性負荷、可中斷負荷等可控負荷進行的適當調節，將高峰時段的部分可控負荷轉移至低谷時段，實現削峰填谷，不僅可以減小調峰壓力，而且可以減小不必要的停機。

對于網荷互動提高可再生能源的發電效率主要取決于低谷負荷期間的可控負荷的上調空間。在極端情況下，負荷低谷期間可再生能源發電的提升程度等于各可控負荷的最大上調空間之和。即

2.4 源荷響應提高發電效率

文獻[9]認為棄風棄光源自于系統靈活性供給與需求的不平衡。源荷響應是解決這種不平衡的有效措施。源荷響應可以通過兩級協調策略實現，一級協調控制根據日前風電功率預測情況，以風電消納能力最大為目標，通過常規電源和高載能負荷在調節容量上的優化配置，提高風電消納水平;二級協調控制針對風電功率實時波動情況，以風電實時出力與計劃出力的偏差最小為目標，通過常規電源和高載能負荷的協調控制，平抑風電波動，提高大規模風電消納水平。

本文采用與上述二級協調控制相同的思路進行研究，根據可再生能源功率波動進行分層，提前預測并實時獲得氣候參數，通過柔性負荷對電源不同層次波動性和間歇性的實時響應，實現源荷功率動態平衡，減小可再生能源并網對電網的沖擊，提升可再生能源的利用效率。

當可再生能源的波動對電網正常運行造成較大影響時，將對可再生能源的并網發電設置限值，采用負荷自動響應技術可以充分平抑可再生能源的功率波動，從而保持全網功率的平衡，可再生能源發電提升的程度為可再生能源最大發電能力與其限值的差值之和。即

采用實際案例計算源荷響應前后的效果如圖5所示，采用源荷響應前，在沒有儲能的情況下，間歇性能源的輸出功率超出規定限值的部分都將棄掉;根據間歇性能源的功率波動，使柔性負荷及時做出響應（曲線如圖5所示），最終將極大減小電網功率平衡的偏差，無法消除的部分再由系統來完成平衡。

3 案例測算

3.1 控制目標

控制目標為可再生能源并網發電最大化（棄風/棄光最小化）或可再生能源提升程度最大化。即

3.2 約束條件

進行全網優化計算至少需要考慮以下約束條件：

（1）全網功率平衡約束，即全網發電等于全網負荷（包括聯絡線功率）與網絡損耗之和，即

（2）網架輸電斷面約束，包括區域內和區域間輸電線路或走廊斷面的功率限值約束，即

（3）場站調節速率約束，包括各發電單元、儲能設備和可控負荷的調節速率限值約束，即

（4）場站調節范圍約束，包括各發電單元、儲能設備和可控負荷的調節上下限值約束，即

（5）設備調節次數約束，包括儲能系統、可控負荷等設備在單位時間內的調節頻度約束，即

（6）設備調節步長約束，即可調設備在每個控制周期中不應超過的最大調節幅度約束，即

（7）設備調節時間約束，可控負荷具有的最小連續投入時間和最小連續中斷時間約束，即

3.3 案例試算

以張家口風電場1月20日數據為基礎，進行源源互補效果分析，如圖1、圖2所示。24小時利用棄風電量27.3MWh，占原始風電量9.1%;利用棄光電量59MWh，占原始光伏電量19.5%。在充分利用棄風、棄光電量的同時，通過源源互補，風電光伏綜合發電曲線的峰谷差顯著減小，曲線形狀得到改善。

圖3所示為源網協同虛擬同步機的效果。理想情況下，借助儲能及電力電子控制技術，間歇式電源可以輸出類似同步發電機的光滑、可控的出力曲線。基于算例所用的24小時數據，間歇式電源提升發電能力13.8MW。

源荷響應的算例如圖5所示，通過100MW可控負荷的投切，試圖盡可能地減少可再生能源實際發電與預測曲線的偏差。算例測算表明，偏差電量379MWh，占原始負荷總電量1.07%;最大偏差電力182.4MW，占原始負荷最大值10%。

4 結語

本文針對源網荷的不同場景，對小型電力系統采取的調控技術及其對可再生能源發電能力提升進行了研究，采用實際運行數據對典型情況進行了測算，實現了源網荷協同技術對電網的產生效益的量化評估。

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