抽水蓄能聯合新能源替代火電參與電力電量平衡能力研究

張云飛，張 弓，徐三敏，趙添辰，侯世豪

（1.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100761；2.北京信息科技大學，北京市 100192）

0 引言

我國新型電力系統發展的主要目標是，加快降低碳排放步伐、推動新能源技術創新發展，助力實現碳中和、碳達峰[1-2]。大規模新能源代替火電機組出力，使電力系統波動性、不穩定性等因素更加顯著。抽水蓄能作為規模大、技術水平成熟的調節電源，可有效平抑新能源出力帶來的波動性[3-5]。抽水蓄能聯合新能源，能夠代替火電機組出力，參與電力電量平衡，提升新型電力系統的穩定性與靈活性。

目前，對于風光儲參與電力系統配置問題，文獻[6]構建風—光—火—蓄聯合供電系統的日前優化調度模型，以實現風—光—火—蓄聯合發電系統的多能互補運行，通過抽水蓄能協調配合，有效緩解火電機組調峰壓力，從而降低新能源棄電率和系統運行成本。文獻[7]構建了抽水蓄能—風—光—火聯合運行系統日前優化調度模型，得到多種工作場景下日前優化調度結果。文獻[8]提出一種計及電網新能源消納承載能力的多區域風—光—儲容量優化配置方法，相比傳統集中式優化方法，計算效率優勢明顯，收斂速度提升57.1%。文獻[9]針對風—光—抽水蓄能混合能源系統提出容量配置優化方法，量化抽水蓄能對新能源打捆外送的助力效果。在抽水蓄能減碳效益方面，文獻[10]針對抽水蓄能電站的作用與價值體現進行研究，通過現實收益來衡量抽水蓄能的功能作用與減碳價值，進行抽水蓄能電站減碳效益的量化分析。根據已有文獻，此類研究多集中在多能源互補提升系統新能源消納能力情況，缺少從抽水蓄能與新能源和火電間不同配比對消納能力的影響。

本文針對高比例新能源電力系統場景，以各電源總投資成本作為約束，分別從有無抽水蓄能、抽水蓄能與新能源容量配比、抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比三種角度出發，構建電力電量模型，根據生產時序模擬結果，分析不同工況下抽水蓄能聯合新能源代替火電參與電力電量平衡的能力。

1 抽水蓄能聯合新能源代替火電的電力電量平衡模型

本文構建了抽水蓄能聯合新能源代替火電參與電力電量平衡模型，根據地區新能源出力、負荷、削峰填谷以及備用等需求，確定系統電力電量平衡模擬方法。針對不同裝機配置情況，通過進行全年時序生產模擬，得到該裝機配置情況下地區棄風棄光量、碳排放量，并對計算結果進行對比分析。

1.1 電力平衡

系統電網電力平衡方程見式（1）～式（4）。

式中：Eneed為系統所需容量；Eload為負荷量；Epv_ensure為光伏保證；Ewf_ensure為風力保證；Espare_cold為事故冷備用，即電網需要時，可隨時啟動的備用容量；Espare_load為負荷備用；Espare_hot為事故熱備用；Epv_pre、Ewf_pre分別為光伏、風力的預測功率；σpv、σwf分為光伏、風力的預測可信度。

1.2 機組出力約束

1.2.1 風光出力約束

本文模型選取高比例風光出力場景，在考慮風光裝機容量的同時，還根據風光的出力曲線進行建模，見式（5）～式（6）：

式中：Pwf_min為風電最小出力；Pwf_max為風電最大出力；Ppv_min為光伏最小出力；Ppv_max為光伏最大出力。

1.2.2 抽水蓄能出力約束

由于本模型中抽水蓄能為代替火電機組出力，抽水蓄能出力約束，見式（7）：

式中：δps為抽水蓄能代替火電機組裝機容量比例；Ppsmax為抽水蓄能電站裝機容量；Ptpmax為火電機組裝機容量。

1.2.3 火電出力約束

在電力系統中，火電機組的出力與發電量相對更加穩定，主要承擔系統基荷，參與調峰能力較差且不經濟。本文通過抽水蓄能代替火電部分機組參與新能源電力外送，其中火電的出力約束見式（8）和式（9）：

式中：Ptp_ava為火電可用裝機容量；Ptp_total為火電總裝機容量；Ptp_fix為火電機組檢修容量。

1.2.4 水電出力約束

本文水電站主要輔助調節風光聯合出力，減小日內波動性，其中水電站的出力約束見式（10）：

式中：Pph_min為水電最小出力；Pph_max為水電最大出力。

水電站的出力約束還依據該水電站的水文特征出力曲線，即反應不同氣候月份降水量、河流、流量、水庫水位及調節特征等信息的水電機組發電曲線，通常分為預想出力曲線、平均出力曲線和強迫出力曲線。

1.3 棄風棄光率計算

系統產生風光棄電量為Eloss，定義系統風光綜合棄電率θloss，以體現抽水蓄能的消納能力，見式（11）：

式中：Eloss為系統棄風棄光總量；Es為系統風光總發電量。

1.4 碳排放計算

依據火電燃煤機組的發電量與煤耗率進行碳排放量的折算，見式（12）：

式中：DCO2為火電機組碳排放量；Etp為火電機組發電量；η為機組供電煤耗率；νCO2為碳排放折算因子，選取2.66。

2 場景構建

本文以西北地區某高比例新能源接入的區域電網為例，通過控制系統總投資成本，分別從抽水蓄能與新能源之間的容量比、抽水蓄能聯合新能源與火電之間的容量比兩個角度，對抽水蓄能聯合新能源代替火電參與系統消納與降低碳排放情況進行計算分。各類型電源單位投資成本單價見表1。

表 1 各類型電源單位投資成本 單位：元 /kWTable 1 Unit investment cost of each type of power supply unit：Yuan/kW

共設計6個場景，其中總投資成本固定（包括火電、水電、儲能、風電、光伏、抽水蓄能總投資成本之和），通過三種情況進行場景構建。

（1）情況一。系統無抽水蓄能裝機，火電聯合新能源出力，作為場景0。

（2）情況二。系統存在抽水蓄能裝機，設置一定的火電機組容量，不斷提升抽水蓄能與新能源裝機容量比，分別為0.072、0.115、0.163，作為場景 1、2、3。

（3）情況三。系統存在抽水蓄能裝機，設置抽水蓄能與新能源裝機容量比為0.115，不斷提升新能源聯合抽水蓄能與火電機組裝機容量比，分別為2.45、2.686、2.938，作為場景1、4、5。

通過生產時序模擬軟件，計算6種場景下的棄風棄光量和碳排放量，6種場景見表2。

表 2 場景匯總 單位：MWTable 2 Summary of scenarios unit：MW

各場景下不同機組裝機情況見表3。

表3 各場景機組裝機情況Table 3 Unit in stallation in each scenario

其中，場景0作為完全由火電參與風光新能源消納的情況，該場景下并無抽水蓄能電站參與，為場景1～5提供參考。場景1、2、3作為抽水蓄能、新能源、火電共同參與到系統電力平衡，根據不同抽水蓄能占新能源比重，分析其新能源消納與碳排放情況。場景1、4、5作為抽水蓄能、新能源代替火電參與到系統電力平衡，根據抽水蓄能聯合新能源代替火電比重，分析系統新能源消納與碳排放情況。

3 算例分析

3.1 基礎場景

場景0作為基礎場景，以2030年某高比例新能源地地區規劃裝機情況作為基礎數據。該場景下各機組總裝機容量為123800MW，根據各機組投資成本，確定系統總投資成本為4660億元，其中火電、風電、光伏裝機容量分別為41400、22000、52000MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為53.2%、23.1%、22.8%，新能源與火電裝機容量配比為1.787。場景0裝機情況見表4。

表4 場景0裝機情況Table 4 Scene 0 installation

3.2 情況一

3.2.1 場景1

在場景0的基礎上，保持機組總投資成本不變，減少火電機組投入，增加抽水蓄能裝機容量。該場景下系統總裝機容量為120100MW，其中，火電裝機容量減少至32400MW，風電、光伏裝機容量不變，抽水蓄能裝機容量增加至5300MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為49.6%、23.7%、25.8%，抽水蓄能聯合新能源與火電裝機容量配比為2.45，抽水蓄能與新能源容量配比為0.072。場景1裝機情況見表5。

表5 場景1裝機情況Table 5 Scene 1 installation

3.2.2 場景2

在場景1的基礎上，保持機組總投資成本不變，減少風光新能源機組投入，增加抽水蓄能裝機容量，提升抽水蓄能與新能源容量配比。該場景下系統總裝機容量為119340MW，其中，火電裝機容量不變，風電、光伏裝機容量分別減少至20000、50440MW，抽水蓄能裝機容量增加至8100MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為48.8%、22.2%、28.0%，抽水蓄能與新能源容量配比提升至0.115。場景2裝機情況見表6。

表6 場景2裝機情況Table 6 Scene 2 installation

場景2在場景1的基礎上，火電機組容量不變，在保證系統總投資成本不變的前提下，提高抽蓄與新能源裝機容量比例，通過與場景1對比，可發現風光棄電率、碳排放量均出現下降。

3.2.3 場景3

在場景2的基礎上，保持機組總投資成本不變，進一步提升抽水蓄能與新能源容量配比。該場景下系統總裝機容量為118580MW，其中，火電裝機容量不變，風電、光伏裝機容量分別減少至18000、48880MW，抽蓄裝機容量增加至10900MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為48.4%、20.6%、30.2%，抽水蓄能與新能源容量配比提升至0.163。場景3裝機情況見表7。

在系統總投資成本與火電機組容量不變情況下，提升抽水蓄能與新能源間的容量配比，系統棄風棄光量不斷下降，消納能力提升，碳排放量持續減少，見表8。

表8 情況二棄風棄光量與碳排放量Table 8 Case 2 Wind and light abandonment and carbon emissions

情況二中，系統消納能力和碳排放量隨抽水蓄能與新能源容量配比變化趨勢見圖1。

圖1 情況二系統消納與碳排放趨勢Figure 1 Scenario 2 system consumption and carbon emission trends

因此，通過合理配置抽蓄與新能源容量配比對火電機組進行替代，可以有效提升系統消納能力，實現減碳目標。

3.3 情況二

3.3.1 場景4

在場景1的基礎上，保持機組總投資成本不變，確定抽水蓄能與新能源容量配比不變，減少火電機組投入，增加抽水蓄能與新能源整體裝機容量，提升抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比。該場景下系統總裝機容量為118970MW，其中，火電裝機容量減少至30000MW，風電、光伏、抽蓄裝機容量分別增加至20520、51740、8310MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為48.1%、22.7%、28.4%，抽水蓄能與新能源容量配比為0.115，抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比提升至2.686。場景4裝機情況見表9。

表9 場景4裝機情況Table 9 Scene 4 installation

3.3.2 場景5

在場景4的基礎上，保持機組總投資成本、抽水蓄能與新能源容量配比不變，進一步提升抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比。該場景下系統總裝機容量為118660MW，其中，火電裝機容量減少至28000MW，風電、光伏、抽水蓄能裝機容量分別增加至20950、52830、8480MW，火電、風電、光伏發電量占比分別為47.4%、23.1%、28.7%，抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比提升至2.938。場景5裝機情況見表10。

表10 場景5裝機情況Table 10 Scene 5 installation

在系統總投資成本、抽蓄與新能源容量配比不變的情況下，通過提升抽水蓄能聯合新能源與火電間的容量配比，系統棄風棄光量與碳排放量呈現先下降后上升，見表11。

表11 情況三棄風棄光量與碳排放量Table 11 Case 3 wind and light abandonment and carbon emissions

根據系統棄風棄光與碳排放趨勢，可以看出，容量配比存在最高值，當抽水蓄能聯合新能源代替火電機組容量過高時，會使系統棄風棄光量升高，消納能力下降，系統碳排放量升高，見圖2。

圖2 情況三系統消納與碳排放趨勢Figure 2 Scenario 3 system consumption and carbon emission trends

為提升系統消納能力，需合理安排抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比，避免抽水蓄能聯合新能源替代火電配比不合理而產生的棄風棄光量上升、碳排放量增多。

4 結束語

本文針對抽水蓄能聯合新能源代替火電參與系統電力平衡能力進行研究，分別從抽水蓄能與新能源容量配比和抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比兩種角度，通過全年時序模擬仿真，計算抽水蓄能聯合新能源代替火電參與電力電量平衡的情況，對比分析不同配比下新能源棄風棄光量與碳排放量。計算結果表明，隨著抽水蓄能與新能源容量配比的升高，系統整體棄風棄光現象下降，消納能力提升，同時系統碳排放量不斷下降；隨著抽水蓄能聯合新能源與火電容量配比的升高，系統整體棄風棄光量與碳排放量下降，并存在某一最低值，當抽水蓄能聯合新能源代替火電機組容量過高時，會使系統棄風棄光量升高，消納能力下降，系統碳排放量升高。該研究為高比例新能源電網進行抽水蓄能規劃配置提供了參考。