新能源電力系統電力電量平衡問題探究

國華能源投資有限公司 史明亮

眾所周知，新能源裝機在國內占比19.8%左右。所以，保障新能源電力系統的電力與電量平衡尤為關鍵，本文基于現階段我國新能源和負荷基礎運作數據進行分析，搭建符合加新能源波動特性的電力平衡時序生產模型，以此去總結新能源電力系統電力電量平衡的問題，并對相關問題提出解決與優化措施。

1 基于具體運作數據的高比例新能源系統運行特性分析

1.1 高比例新能源系統日電力平衡

隨著我國科技不斷發展與進步，在新能源行業中已經積累較多的新能源設備在做工發電時的實際運行信息數據，本文中所分析的數據均來自國家電網在2017—2018年的新能源設備的實際運行信息數據。

一是關于新能源裝機問題，在實際進行新能源裝機時，新能源的裝機與新能源出力波動是成正比例關系，所以裝機的時間尺度越長，新能源出力波動越強。在2018年國家電網中的新能源日波動最大值為7996萬kW，與2017年的相關數據相比2018年的日波動最大值增長了約2307kW，增長幅度約為41%。而在我國的日內新能源出力波動占平均負荷超過40%的省份只有7個。其中，以東北電網與遼寧電網為例，圖1為東北電網與遼寧電網在不同時間內的光伏出力波動率和風電出力波動率，從中可以有效發現新能源出力波動會根據時間尺度變化而變化。

圖1 不同時間內的光伏出力波動率和風電出力波動率

二是新能源出力具備明顯的區域平滑特點，出力波動性會根據空間范圍的變化而變化，具體為成反比變化，即空間越大，波動性越小。所以便可得知當新能源出力設備處于較大空間范圍內時，光伏之間、風電之間已經光伏和風電之間會呈現出互補性。圖2為“三北”地區中某一經典的光伏與日風電功率曲線圖，通過圖2可以有效發現，當處于較大的空間時，新能源波動率會減少并出現平滑效果，所以若想有效降低調峰資源總量的需求，則可以通過擴大平衡區方式滿足上述需求。

三是國家電網中的凈負荷曲線會表現出明顯的鴨型特征。從宏觀角度分析，可知新能源出力占負荷比例不斷提高，但若從微觀角度分析，即日內電力平衡角度，則可將其劃分為不同時段進行分析，如夜晚為用電負荷低谷、日間為用電負荷高峰，而風電與存在明顯的反調峰特點，風電在日間出力低、夜間出力高。而光伏發電因其在夜間不具備電力支撐特點，則光伏發電夜間無出力、日間出力高。根據上述內容特點深度分析，可以明顯發現國家電網的凈負荷曲線是表現出明顯的鴨型曲線特征，如圖3所示。根據實際數據顯示，用電負荷會在不同時段呈現出不同特點，早高峰階段用電負荷會快速下降、午間時段則會出現用電低谷、晚高峰時段用電負荷則會迅速上漲，而此種漲跌幅度會為電力系統中的電離平衡帶來巨大挑戰，不僅如此，還需要電力系統具備極強的爬坡能力與調節能力。

圖2 光伏與日風電功率曲線圖

圖3 鴨型曲線特征

四是在用電負荷高峰時段，新能源電力存在明顯后勁不足現象。通過有效分析新能源的實際運行數據信息，可以明顯發現國家電網在2018年的用電最大負荷已經超過了8億kW，而在2018年間，因其風電出力技術與光伏出力技術尚未完全成熟，使二者發電量僅占總發電量的9%，分別是2263萬kW與4993萬kW。而在開展迎峰度夏的階段中，新能源的最小出力總量僅占總量的1.8%，約為1100萬kW。新能源出力低谷以及用電負荷高峰階段，新能源技術對電力系統中的電力平衡支撐能力相對較弱[1]。

1.2 以月為周期，對高比例新能源系統進行電量平衡分析

以月為周期，對高比例新能源系統進行電量平衡分析，可以通過以下兩方面對高比例新能源系統進行相關月度電量平衡分析。

一是新能源月度電量分布無法有效滿足實際用電負荷需求。但從用電負荷需求角度而言，“三北”地域的用電負荷表現為冬季與夏季是負荷高峰，風電為秋季與冬季是負荷高峰，而光伏為秋季與夏季是負荷高峰，如圖4所示。雖然在實際的風電月度電量分布以及光伏發電月度電量分布存在一定程度的互補性，而從電力平衡角度而言，風力發電與光伏發電之間的互補性可以有效減少新能源發電的季節性影響。但仍存在新能源月度的實際用電需求與電量分布不匹配現象，如夏季用電負荷量相較于其他季度而言較高，而新能源發電量與發電效率較差，很難有效避免季節性的電量不平衡現象。

圖4 逐月用電量

二是當用電負荷出在高峰時段時，新能源無法有效滿足電力平衡需求。通過對國家電網2018年中的迎峰度夏開展階段中所產生的實際運行數據信息進行充分有效的分析，可以發現當處于7～8月新能源的出力較弱，整體電量貢獻少。通過深度分析新能源電量最低當天，可發現該天中的新能源日發電量為6.1億kWh，但當天的實際用電需求卻達到了174億kWh，根據分析統計可知，新能源發電量僅為當天實際用電量貢獻了3.5%的電量，與全年平均電量相比較低。而在當年的7～8月時段中，新能源發電的總電量為633億kWh，在該時段中的發電總電量中只占6.1%，通過分析發現新能源無法有效滿足電力平衡相關需求[2]。

1.3 高比例新能源系統中火電運行現狀

隨著我國經濟不斷發展，城市化建設水平不斷提高，使我國用電需求不斷增高。但因電力需求增長緩慢以及新能源裝機比重不斷提高等因素，近幾年火電相關設備總體利用小時數持續時間逐漸降低，呈下滑趨勢，如圖5和圖6所示。根據相關調查可以發現國家電網在2018年間的火電設備實際裝機容量為9.16億kW，與2017年相比總體增長約為3%左右。但由于我國出臺了煤電停建、緩建相關政策，進而影響了火力發電裝機中容量增長速率，雖然活力發電裝機容量增長速度降低，但電力裝機整體容量仍呈上升趨勢。隨著我國大力推廣新能源的應用，使新能源裝機占比逐年提升，在這種情況下導致火力發電小時數進一步縮減。

圖5 國網逐年新能源裝機占比

圖6 國王逐漸火電利用小時數

2 基于時序生產模擬的未來電力系統平衡問題分析

借助搭建相關電力系統模型去量化研究高比例新能源電力系統的電力電量平衡問題，該電力系統模型會把系統負荷以及新能源發電處理設置為根據時間差異變動的序列，分析電網運作模式時序變動特點，在已經確定的電力系統運行邊界前提下，時序模擬不同電源運行的情況以及發電和用電平衡，進而獲取電網能夠消納的新能源電力電量。

2.1 優化時序生產模擬模型的目標

結合國內對電力清潔轉型的標準，時序生產模擬模型的優化目標主要是實現最大化的新能源發電量，是指所有區域各個時段新能源功率總和要最大化，實際的目標函數為：

其中，N代表該系統設計的聚合電網總數；n代表某一聚合電網；T代表調度時間的整體長度；t代表仿真時間的步長；Pw（t，n）代表聚合電網n在時段t的風電出力；PPV（t，n）代表聚合電網n在時段t的光伏發電出力[3]。

2.2 約束條件

2.2.1 電力系統旋轉備用容量約束條件

其中，Pre和Nre 以此是正旋轉備用以及負旋轉備用；Pj,max（t，n）和Pj,min（t，n）以此是聚合電網n中第j類機組的出力上限以及出力下限[4]。

2.2.2 負荷平衡約束條件

結合跨區外送和風電、光伏發電并網之后，系統負荷平衡約束為：

3 算例研究

本文以國家電網為例，探討了在國家新一代高比重地區中，各地區新增發電容量與發電容量之間的關系。利用多個隨機產生的多個風-光功率的時序采樣，對高比率新能源情景下的電力需求進行了預測。然后，對既要保證負荷可靠供應，又要保證非化石能源的比例，又要考慮到在適當的棄電量情況下，如何通過彈性調整方式來分配能力。另外，邊界狀況，包括區域內各電力系統的裝機容量和負載等。負載上，到了2025年，整個地區的電力總需求將達到638 TWh，平均每年增長4.9%。最高功率為98.1GW，平均每年增長5.8%.日最大的峰值落差達37%.根據2017年的負載曲線特征，建立了2025年的電力系統負荷需求數據。

負荷短缺和新能源棄用之間有一種“蹺蹺板”的關系，兩者交替出現，此消彼長，兩者都與發電裝機有著密切的聯系。當火電裝機規模達到一定規模時，為了保證穩定、可靠的供電，必須保證更大的啟動能力，新能源的淘汰將會增多；為了確保高水平的新能源消納量，必須適當地降低火電的啟動模式，從而造成電力短缺。當負荷水平達到一定程度，新能源裝機量增大，啟動模式增大，負荷保證能力得到加強；消納的空間會越來越小，消納的形勢也會越來越嚴峻。

所以，在電網建設中，要充分考慮到新能源的出力波動對電網供電的有序供給，合理配置常規供電或靈活調整供電，以保證迎峰度夏和迎峰度冬的供電需求。根據以上計算，從保障電力供應、合理棄電、不斷減少新發電量等方面，分別對三種情況進行了分析：一是以供電為硬約束，在保證不出現缺電和新能源不棄電的情況下，以104.5GW的發電能力為基礎。在實際模擬中，為了保證不存在棄電、無限負載，要求火電機組經常開、停、調峰，導致電力系統的運行經濟性較差。二是保證以供電為硬約束，在保證不出現供電短缺的情況下，使新能源能夠維持合理的棄電量。根據計算，火力發電的裝機容量應為1021GW，在此基礎上，放寬了棄用限制，可以適當減少燃煤發電的啟動模式；從而使我國燃煤發電裝機規模下降，并增加了非化石燃料的比重。三是消除保證用電的硬性限制，在計量過程中，通過對負荷的需求端進行管理，保證電網的正常供電。

同時，將新能源的棄電量控制在5%以內（棄用率不超過5%）將會使燃煤發電的裝機規模進一步下降。鑒于我國非化石能源比重的日益增長，如果在可控負荷、虛擬儲能、電化學儲能等方面，再加上12 GW的可控負荷、虛擬儲能、電化學儲能等，計算出相應的發電容量將與目前的發電規模相差無幾。在電網的實際操作中，增加可控負荷、電化學儲能等靈活的調節容量，既可以確保電力負荷的有序供應，也可以實現新能源的合理棄用，同時還可以有效地控制新的發電容量。充分調動網絡、源、荷三方面的資源，以實現新能源的健康、穩定和可持續發展；聯動、有序的發展模式。在規劃方面，要統籌保障電力供應，提高新能源消納水平，控制負荷和電化學儲存等靈活的調控方式，同時還要建立傳統的電力供應。

4 結語

綜上所述，新能源大量高比例應用與電網，其的不確定性與波動性會對電網的電力電量平衡問題造成較大的不良影響。本文根據新能源的特性，搭建了電力系統時序生產模型，同時對后續新能源高比例情況下所含有的電力平衡問題展開具體的研究，以此推動電網電力的發展。經過結果顯示，在后續新能源裝機繼續提高的基礎下，會產生棄風棄光以及新電力短缺問題。另外，電力短缺通常出現于夏季以及冬季，統一在負荷晚高峰時間。借助加設火電裝容量能夠有效改善此類問題，但火電的應用小時數量會減少。在實際合理的棄電率標準下，不僅能降低火電裝機容量，還需要借助可控負荷或者加設儲能等對策去確保電力電量的穩定供應。所以，若想要確保高比例新能源系統的電力供應穩定性，其需要持續優化電網規劃設計，如電源結構、布局等，進而強化新能源的發電，充分滿足用電的訴求。不僅如此，還需要強化可控負荷等需求角度下響應手段和儲能手段，利用源荷匹配去確保電力的穩定供應。