新能源多時空尺度仿真系統①

楊智策,王 玨,操海洲,王曉光,王彥棡

1(中國科學院 計算機網絡信息中心,北京 100190)

2(中國科學院大學,北京 100049)

3(鄭州大學,鄭州 450001)

按照綠色低碳發展理念,新能源將在未來能源發展中占主導地位,風電、太陽能發電等能源將成為新能源發展的主力.近年來,我國鼓勵支持新能源發展,新能源裝機和發電量逐年增長,在全網能源結構中占據越來越重要的地位[1].雖然我國新能源發電發展迅速,但在風力發電、太陽能發電裝機爆發性增長的同時,風光電滲透能力與系統運行方式之間的協調優化問題卻沒有得到解決[2–4].電力系統安全穩定運行受低谷調峰、斷面送出能力、系統潮流、電壓、電能質量等諸多因素的困擾.研究新能源多時空尺度仿真系統可以有效評估新能源消納情況以及負荷平穩增長的情況下新能源最大承載能力,為電網啟停機安排以及新能源裝機計劃提供指導.

目前,國外對風力發電運行優化的研究主要集中在以下幾個方面:1)風能并網后其不確定性對電力系統常規機組運行方式的影響[5,6];2)考慮新能源預測誤差的常規機組調度策略[7];3)風能、太陽能、儲能多能互補混合運行系統聯合運行協調控制研究[8];4)以及大規模隨機性風能運行優化算法的研究[9]均取得了一定的成果.

本文針對某省電網的實際情況,在基于Balmorel的中長期風電接納能力評估模型[10]基礎上,在目標函數中增加了煤耗約束和啟停機臺數約束,保證在新能源接納最大[11,12]的同時考慮不頻繁啟停常規機組和煤耗最小的啟停機方式;在約束方面增加了光伏機組出力約束,完善了新能源出力計算;并針對某省的局部地區增加區域間聯絡線優化,精細化分析可能存在風險的地區[13].將某省電網的用電負荷、風光發電理論預測、省外聯絡線傳輸電量、電力系統正旋轉備用等數據調整為模型的輸入進行仿真模擬[10,14–16],根據新能源消納能力最大化時常規機組運行狀態及啟停機狀態輸出,分析影響風電和光伏接納能力的因素,有效評估電力系統中長期[17]接納新能源能力,對新能源的發展規劃以及電網的規劃提出指導性意見.

1 多時空尺度新能源仿真系統

1.1 目標函數優化

生產模擬方法確定電網接納能力考慮問題全面,普遍受到業界的認可.國內外在新能源接納能力的研究中逐漸形成了生產模擬分析工具,比如,丹麥開發了電力模擬仿真的通用模型——Balmorel 模型[18],可對包含新能源的電力系統進行生產過程模擬仿真,能夠分析發展各類電源的經濟性以及電源布局的優化開發方案.

新能源電力系統仿真模型優化是一個大規模混合整數規劃問題,其目標為極大化新能源出力:包括風電、光伏等新興能源接納能力最大[19].為了進一步模擬真實電網調度情況,在傳統時序生產模擬模型[10]的基礎上,對目標函數進行優化,增加了煤耗約束以及啟停機臺數約束,優化后的目標函數如式(1)所示:

其中,N表示電網系統中邏輯分區數,T表示時間尺度調度長度,newenergy(t,n)為第n個分區t時間內的風電和光伏出力,C1、C2、C3為權重系數,根據不同的目標函數,設置不同的參數,例如:目標函數為新能源接納能力最大,可設置C1=1,C2=0;Aj為一類機組啟機煤耗,Bj為一類機組停運煤耗,C為煤耗常數.Sj,on表示某類常規機組啟機臺數變化,Sj,off表示某類常規機組停機臺數變化.Sj(t,n)代表t時刻n區域j機組的開機臺數.

新增加煤耗約束是為了優化煤耗大的火電機組啟停安排,新增加啟停機臺數約束是為了保證電網常規機組整體啟停臺數要符合實際情況.

1.2 約束條件優化

某省近幾年調整了能源結構,大力提升新能源機組占比,光電機組占比逐年增加.在多時空尺度新能源仿真系統中增加光電機組出力約束來完善模型.

光伏出力約束如式(2)所示:

1.3 區域間聯絡線優化

在將實際電網抽象建模的過程中,本文提出區域間聯絡線優化,精細化分析某個地區的新能源消納情況.以某省全網和部分地區為例,在將某省劃分為4 個分區時(劃分細節見2.2.1),4 個區域內新能源均可全部消納.精細化區域間聯絡線是通過細化可能存在風險的區域,將風險區域通過區域間聯絡線或斷面隔離出來,重點進行分析,及時發現局部地區潛在的棄風棄光風險.

1.4 多時空尺度新能源仿真系統設計

在電源結構以煤電為主,嚴重缺乏具有靈活調節能力的電源背景下,長期以來電網調峰困難,無法有效平衡新能源對電網帶來的沖擊[20].在冬季供熱需求巨大,新能源電站建設周期與配套線路建設周期不匹配的大背景下[21],從多時間尺度上去協調優化運行風力發電、太陽能發電是非常有必要的.在時間尺度方面以1 小時為最小粒度滾動,可以預測分析未來以小時、天或者年為單位的時間間隔內新能源消納情況;在空間尺度方面,可以分析某省全網整體新能源消納,或者精細化分析有棄風棄光風險地區的情況,幫助提前發現棄風棄光風險以及電網調度等問題[22–24].

多時空尺度新能源仿真系統設計如圖1所示,將電網實際的基礎數據抽象為區域間線路限額、外送聯絡線功率、區域信息、新能源場站信息、常規電源機組信息、地區負荷預測數據、地區風電理論功率以及地區光伏理論功率等數據作為輸入,在模型計算中通過機組出力約束、機組啟停機約束、機組爬坡約束、負荷約束、區域間線路傳輸容量約束以及新能源出力約束等條件,根據新能源接納最大以及啟停機臺數最少作為目標函數進行模擬計算,最終得出區域風電、光伏出力、各機組出力及啟停數以及區域棄風棄光電量等結果,分析得出靈敏性、新能源最大承載能力,并指導未來1～3年機組調度計劃.

圖1 多時空尺度新能源仿真系統設計

2 多時空尺度新能源仿真系統應用

本文實驗針對2020年消納分析、2020年消納策略、2021～2022年展望等方面,以某省全網和某一地區為例,展示多時空尺度新能源仿真系統的應用情況.

2.1 電網數據預處理

根據多時空尺度新能源仿真系統的輸入參數,把某省電網實際數據類型分為3 類:

(1)電網機組數據類型:常規機組以及光伏風電機組的機組個數、裝機容量、常規機組爬坡功率等信息.電網機組數據類型具體抽象見表1.

表1 電網機組數據類型抽象

(2)時間序列數據類型:將一年按周、天、小時的方式劃分,以周進行迭代.

(3)電網電廠數據類型:與外省聯絡線數據、風光電預測功率、電網正備用容量及分區信息.

2.2 某省全網新能源消納計算

2.2.1 計算條件

近幾年來,某省電網負荷增長平穩,年增長率保持在10%以上.2020年負荷增速同比2019 有所下降,但均維持一個較高增速.電網峰谷差率逐年升高,導致電網運行調控難度持續增加以及電網安全運行裕度逐年下降;再加上某省電網供熱機組的裝機容量占比超過70%,在冬季,由于供暖期的影響,電網調峰能力大幅下降,“保高峰”和“壓低谷”兩大困難并存,低谷調峰成為制約某省電網清潔能源消納的主要因素.數年內,某省新能源將高速發展.在調整能源結構、大力提升清潔能源電源占比的大背景下,預計到2021年,某省新能源裝機將達到2000 萬千瓦,遠期發展目標5000 萬千瓦.

在計入了4 條省間聯絡線以及3 條省內斷面的基礎上,將某省電網等效為N1、N2、N3和N4 等4 個聚合子網.等效聚合圖見圖2.

圖2 某省電網等效聚合圖

2.2.2 回算驗證

利用系統對某省全網2018年新能源接納能力進行回算校驗,計算結果見表2.計算表明2018年4 個分區新能源模擬接納電量和真實值之間的誤差分別為0.69%、–0.16%、–0.30%和0.44%,均在合理范圍內.經驗證,某省電網實際運行情況與模擬情況基本相符,多時空尺度新能源仿真系統可以作為分析某省新能源消納情況的工具.

2.2.3 全網2020年消納計算

多時空尺度新能源仿真系統預測某省全網2020年消納結果見表3.

從表中可以看出新能源總發電量包括風電發電量和光伏發電量,其值為88.3 億千瓦時,新能源可以全部消納.

表2 2018年新能源逐月消納能力回算結果

表3 2020年新能源消納

4個區域N1、N2、N3和N4的風電和光伏具體發電量見表4.

表4 風電光伏分區發電量

預計2020年光伏發電量36.68 億千瓦時,風電發電量51.63 億千瓦時.經計算,風電、光伏發電量水平能夠滿足2020年全年調峰約束,可以全額消納.圖3展示了N1、N2、N3和N4 這4 個地區2020年新能源出力曲線.

2.2.4 機組啟停安排

某省存在大量的熱電聯產式火電機組用于冬季的供暖需求,熱電聯產機組一般需要“以熱定電”,通過產出熱能的同時發電,其發電出力受冬季采暖負荷的制約很大,調峰容量不足[19].結合某省電網網供負荷以及機組信息等具體數據進行仿真,得出在當前電網系統風電和光伏裝機的情況下,新能源發電可以全年消納,不存在棄風棄光現象發生,某省主網具有較強的新能源接納能力.機組啟停機安排可以對電網機組的管理提供指導性意見.

以N1 地區9 臺30 萬千瓦凝氣機組為例,全年啟停機安排仿真結果如圖4所示,隨著負荷的變化,在基礎負荷時開機5 臺,大負荷時段,開機9 臺.

N1 地區凝氣機組出力和臺數見表5.

2.2.5 機組啟停安排

新能源最大承載能力是針對一定水平年,在電網規劃、電源建設、負荷預測、系統運行原則確定條件下,考慮電力系統運行安全性和經濟性不受影響的情況下,系統適宜發展的新能源裝機容量,用于指導新能源規劃.預計2020、2021年全省網供負荷將達到7100 萬千瓦、7600 萬千瓦,2020～2021年均增長618 萬千瓦,年均增速為9.7%.

圖3 預計2020年4 個地區新能源出力曲線

圖4 N1 地區網供負荷和凝氣30 萬千瓦機組啟停機關系

表5 N1 地區凝氣機組出力和臺數

預計某省電網2020～2021年風電光伏裝機容量見表6.

表6 N1 預計某省電網新能源發展情況

計算得出,2020～2021年新能源均可全額消納.2020～2021年新能源最大承載能力分別為2000和2400 萬千瓦.

2.2.6 敏感性分析

不同負荷條件下棄風棄光率敏感性分析結果見表7.

表7 不同負荷條件下棄風棄光率敏感性分析

不同風、光資源條件下棄風棄光率敏感性分析結果見表8.

表8 不同風、光資源條件下棄風棄光率敏感性分析

某省電網負荷在2019年基礎上增長3%、5%、10%的情況以及風光功率預測值減少10%以及增加10%的情況下,新能源均全部消納.

2.3 某地區新能源消納計算

2.3.1 計算條件

在考慮東送斷面、外送斷面后,將某地區電網等效聚合見圖5.

2020 年某地區風電裝機113.2 萬千瓦、光伏裝機35 萬千瓦,常規機組按等效聚合分類見表9.

圖5 某地區電網等效聚合圖

表9 某地區常規機組裝機容量和臺數

2.3.2 某地區2020年消納計算

計算結果得出2020年某地區新能源全額消納,無棄風棄光.預計全年光伏接納電量5.7 億千瓦時,風電接納電量18.43 億千瓦時.

2.3.3 機組啟停安排

對于某地區啟停機情況,供熱機組(抽汽機組)按照要求需要全開,即350 MW 機組2 臺全開.電廠某機組啟停機安排仿真結果如圖6所示,隨著網供負荷和新能源出力的變化,該機組全年共啟停6 次.

圖6 某地區新能源接納電量

2.3.4 某地區新能源最大承載能力

某地區風電裝機容量近年來迅速增長,已經超過水電機組和抽汽供熱機組裝機容量.因此,風電接納能力將成為新能源發展的重要問題,可能存在棄風棄光風險,有必要在新能源裝機容量方面對某地區電網的影響進行研究分析.

2021～2022年,某地區無新增常規機組,預計負荷零增長.預計某地區電網2020～2021年風電、光伏裝機容量見表10.

經計算,2021年和2022年某地區會有棄風棄光.2021年預計棄風棄光0.32 億千瓦時,2022年預計棄風棄光2.24 億千瓦時.計算結果表明:2021～2022年某地區新能源最大承載能力均約160 萬千瓦.

表10 某地區新能源發展情況

2021 、2022 年某地區新能源棄風、棄光時段如圖7所示,結果表明多發生在春秋冬季.

圖7 2020和2021年某地區限電率

3 總結

本論文針對新能源在多時空尺度方面并網發電的系統進行了優化,通過回算2018年某省全網新能源消納情況,驗證了系統的正確性.在預測某省全網以及某地區未來1～3年相關指標的案例計算中,多時空尺度新能源仿真系統能夠有效評估電力系統中長期接納新能源能力,指導新能源規劃發展,制定新能源最大消納策略,提高常規機組年度和月度電量計劃的可靠性,降低系統的運行能耗及運行成本,降低了燃煤帶來的環境污染問題,減少了化石能源消耗導致的溫室氣體排放問題,促進了環境可持續發展,實現了節能環保產業創新發展,為建設美麗中國提供可靠保障.