構(gòu)建適應(yīng)高比例大規(guī)模可再生能源發(fā)展的新一代電力系統(tǒng)

邱燦樹

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引 言

當(dāng)前，隨著環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，可再生能源得到了更大規(guī)模的應(yīng)用，利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。但從現(xiàn)階段來看，電力系統(tǒng)在可再生能源比例不斷提升的前提下，其消納問題一直難以得到有效解決。

1 適應(yīng)高比例大規(guī)模可再生能源的新一代電力系統(tǒng)的基本特征

1.1 電力電量平衡概率化

隨著可再生能源發(fā)電比例在電力系統(tǒng)中的不斷攀升，使得可再生能源的發(fā)電量能夠在一定程度上承擔(dān)起負(fù)荷平衡的任務(wù)，傳統(tǒng)的火電、水電以及核電等機(jī)組將不再獨立滿足負(fù)荷需求，可再生能源發(fā)電也將不再是以往的定位，而是與常規(guī)發(fā)電的地位近乎相同。由此，電力系統(tǒng)中電力平衡和容量充裕度的概念與方法也將不再固定，而是向著概率性的思路逐步轉(zhuǎn)化[1]。

1.2 電力系統(tǒng)運行方式多樣化

在以往的電力系統(tǒng)中，由于可再生能源發(fā)電僅占有較小的比例，因此負(fù)荷變化也呈現(xiàn)出一種規(guī)律性，整個電力系統(tǒng)通常只采取相對固定的運行方式，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中，只需考慮不同時段的典型負(fù)荷曲線即可。而當(dāng)可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)出高比例和大規(guī)模的情況時，電力系統(tǒng)的不確定因素則顯著增多，電力系統(tǒng)將出現(xiàn)更為復(fù)雜的邊界條件，這往往需要電網(wǎng)具有更加靈活的結(jié)構(gòu)形態(tài)才能確保電網(wǎng)整體仍能安全可靠運行[2]。不僅如此，在這種情況下，傳統(tǒng)的預(yù)測方法、規(guī)劃方法以及運行方法通常不再適用，必須充分引入不確定因素進(jìn)行評估和計算[3]。

1.3 電網(wǎng)潮流雙向化

從目前來看，高比例大規(guī)模可再生能源發(fā)電并入電力系統(tǒng)已成為大勢所趨。在這種情況下，如果局部地區(qū)可再生能源發(fā)電的電能高于電力系統(tǒng)負(fù)荷時，配電網(wǎng)絡(luò)將會出現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這很容易導(dǎo)致過電壓問題的出現(xiàn)。在輸電網(wǎng)中，聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率通常較為穩(wěn)定，為了跨區(qū)消納這些多出的電能，聯(lián)絡(luò)線的功率就很可能出現(xiàn)波動。由此可見，在高比例大規(guī)模可再生能源并入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的作用將進(jìn)一步擴(kuò)展，將更多承擔(dān)電能存儲和共享等方面的功能[4]。

1.4 電力系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜化

隨著高比例大規(guī)模可再生能源所產(chǎn)生的電能比例逐漸提升，電力系統(tǒng)中也不可避免地大量增加電子裝備的應(yīng)用，這些新增的電子裝備會在一定程度上降低系統(tǒng)的慣性，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理也將發(fā)生變化[5]。具體來看，由于不同的可再生能源接入，且這些接入方式和特點各不相同，很容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)的暫態(tài)特性難以用現(xiàn)有的經(jīng)典理論進(jìn)行解釋和分析。

1.5 電力系統(tǒng)靈活資源稀缺化

由于可再生能源發(fā)電存在的不確定因素相對較多，因此當(dāng)可再生能源在電力系統(tǒng)中所占比例較高時，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)較為明顯的波動，這對于電力系統(tǒng)的調(diào)頻和負(fù)荷跟蹤能力無疑有了更高的要求，傳統(tǒng)的機(jī)組、儲能以及需求響應(yīng)等方面難以滿足這些要求，因此必須進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

1.6 電力系統(tǒng)源荷界限模糊化

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來的發(fā)展階段中可再生能源在發(fā)電行業(yè)中的發(fā)展前景十分理想，影響力將不斷擴(kuò)大，集中式及其分布式這兩種不同的格局將得到廣泛的發(fā)展，尤其是應(yīng)用于電動汽車及儲能電站等領(lǐng)域中。除此之外，電力系統(tǒng)將不斷呈現(xiàn)出扁平化的運行特征，屆時電力系統(tǒng)源荷界限也必定更為模糊，這就需要對未來電力系統(tǒng)的運行重新進(jìn)行規(guī)劃。

2 適應(yīng)高比例大規(guī)模可再生能源的新一代電力系統(tǒng)的規(guī)劃構(gòu)建

2.1 影響因素分析

2.1.1 不同電源的出力特性

目前的可再生能源發(fā)電主要包括風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，這兩種發(fā)電方式有著較大的區(qū)別，而這兩種發(fā)電方式與傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電同樣有著顯著的區(qū)別，通常，常規(guī)火電機(jī)組的調(diào)峰深度在50%～60%，在低谷時期則多為20%～50%，水電調(diào)節(jié)能力受到水流量的影響，理論上說，水電的調(diào)峰是可進(jìn)行100%調(diào)節(jié)的，但在枯水期卻往往受到限制。風(fēng)電的出力特性則取決于風(fēng)速與風(fēng)機(jī)特性，由于各地區(qū)的風(fēng)力情況不同，因此其出力特性具有顯著的隨機(jī)性和波動性。對于光伏發(fā)電而言，其出力特性主要受到天氣的影響，一般來說，光伏發(fā)電的出力特性與太陽光照強(qiáng)度近似為線性相關(guān)關(guān)系。

2.1.2 負(fù)荷特性與電源出力特性的差異

以我國北方地區(qū)某省為例，對負(fù)荷特性與可再生能源的出力特性進(jìn)行分析，不考慮可再生能源情況下調(diào)峰需求容量如表1所示。

表1 調(diào)峰需求容量

由表格中數(shù)據(jù)可知，該省份冬季電網(wǎng)負(fù)荷相對較高，這可能是由于冬季大量供暖所致，在此基礎(chǔ)上，對該省的日負(fù)荷情況做進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該省電網(wǎng)系統(tǒng)平均每天有兩個用電高峰，分別出現(xiàn)在19：00-22：00（冬季）和21：00-22：00（夏季），而在凌晨時期，則處于低谷時段。據(jù)此分析，由于光伏發(fā)電的處理時間集中在白天，高峰時段集中在午后，因此光伏發(fā)電必然會增加該省電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求，為此光伏發(fā)電在分析中將作為負(fù)負(fù)荷進(jìn)行考慮。

2.2 可再生能源發(fā)電容量的配置

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

要確保高比例大規(guī)模可再生能源發(fā)展的新一代電力系統(tǒng)的有效構(gòu)建，則需要有效整合風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，并結(jié)合儲能裝置以打造新一代電力系統(tǒng)。在該電力系統(tǒng)中，通過對風(fēng)能和光能的存儲與釋放為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電不穩(wěn)定因素帶來的影響降到最低。一般來說，該電力系統(tǒng)的發(fā)電部分主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏方陣、整流器、逆變器以及智能控制器等組成，同時為了確保該電力系統(tǒng)能夠持續(xù)出力，還需要合理選擇儲能裝置，合理配置風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電所占的比例。具體來看，該電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.2.2 容量配置

在儲能裝置容量的選擇上，需要根據(jù)該地區(qū)的風(fēng)速和光照歷史數(shù)據(jù)，計算綜合輸出功率函數(shù)，在此基礎(chǔ)上確定儲能裝置的補(bǔ)償周期，計算綜合輸出功率函數(shù)在一個補(bǔ)償周期內(nèi)的積分?jǐn)?shù)值與補(bǔ)償周期的比值，即可得到電力系統(tǒng)在補(bǔ)償周期時間段內(nèi)的目標(biāo)輸出功率。當(dāng)系統(tǒng)實際出力大于目標(biāo)輸出功率時，超出部分則由儲能系統(tǒng)進(jìn)行儲存，反之則由儲能系統(tǒng)補(bǔ)充電能缺口。除此之外，為了避免儲能裝置出現(xiàn)過充或過放電的情況，需要合理確定電力系統(tǒng)儲能的存儲時間。考慮到現(xiàn)有的智能化技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對儲能裝置的實時控制，因此儲能系統(tǒng)的充放電周期設(shè)置在2 h左右較為適宜。

2.2.3 不同可再生能源的容量配比

在風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的容量配比中，要遵循以下原則，即經(jīng)過儲能裝置補(bǔ)償后，該電力系統(tǒng)的輸出功率變化率滿足要求的概率達(dá)到最大值。在這一原則指導(dǎo)下，考慮到有功功率偏差率、峰谷斜率總和以及輸出功率波動率等因素，建立合理的配比方法。一般來說，在配比過程中先對光伏發(fā)電所占部分進(jìn)行概率統(tǒng)計方面的計算。例如，光伏容量的增加對出力波動性的抑制作用開始減緩，則以此時的光伏容量作為電力系統(tǒng)中的光伏總?cè)萘浚M(jìn)而確定不同可再生能源的配比。

2.3 新電力系統(tǒng)的未來展望

目前來看，對于適應(yīng)高比例大規(guī)模可再生能源發(fā)展的新一代電力系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些改進(jìn)之處。未來將從以下兩個方面進(jìn)行更為深入的研究。一方面，將儲能裝置的投資成本納入到約束條件當(dāng)中，實現(xiàn)更精確的規(guī)劃設(shè)計，另一方面，隨著新一代電力系統(tǒng)的擴(kuò)展，推進(jìn)跨區(qū)電力輸送，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效評估。

3 結(jié) 論

整體來看，構(gòu)建適應(yīng)高比例大規(guī)模可再生資源發(fā)展的新一代電力系統(tǒng)是響應(yīng)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念的根本要求，必須對此進(jìn)一步加強(qiáng)研究。研究人員在實踐工作中要注意到可再生資源發(fā)電所引入的不確定因素和復(fù)雜因素，并加以綜合考慮，確保新一代電力系統(tǒng)的合理構(gòu)建。