高彈性電網下新能源消納研究

黃 健，樊國旗，季克勤，陳梓翰，鄭 慶，胡濟恒，蔣軼澄，潘偉東

(1.國網金華供電公司，浙江 金華 321001；2.國網浙江省電力公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

新能源是引導未來經濟社會發展的重要力量[1-3],但是由于新能源間歇性、隨機性特點也對電力系統帶來巨大調峰壓力[4-5]。

由于目前新能源功率預測誤差較大，不能滿足實際工程需要，因此不能制定出可靠的發電計劃，而且系統需要增加備用來平抑新能源波動性和解決功率預測精度低的問題。發電、用電需要保持實時平衡，即需要保證總發電功率和負荷用電功率相等；而新能源不具備隨電網波動的自適應調頻能力，因此需要保留較大規模的常規電源來保持發用電功率實時平衡。原有電網潮流一般呈輻射狀，電壓沿潮流方向降低。隨著新能源的接入，原有線路出現功率減輕甚至潮流反向現象，導致電壓抬升甚至出現電壓超標問題，因此需要安裝無功補償裝置并需按照線路功率采取不同的控制策略。高彈性電網具有高承載、高互動、高效能等特點，能夠解決能源協調調度、能源生產和消費、能源供應和使用的時空轉換問題。

文獻[6]構建高彈性電網評價體系，緩解電網建設中保障安全、追求低碳和降低成本的三角矛盾。文獻[7]研究高彈性電網應用場景，為實際電網應用提供指導價值。文獻[8]通過需求側響應提高高彈性電網建設能力。文獻[9]提出退役電池綜合利用方法，通過能量管理系統并解決了退役電池存在的容量和功率不相同問題，增加退役電池梯次利用效益，推動高彈性電網建設發展。

然而，上述文獻多關注于高彈性電網框架或評價體系，沒有或者單一對實際高彈性電網案例進行研究。因此，下面建立了源-網-荷協調調度消納框架多方面促進新能源消納，提出多個新能源消納模式，并通過實際算例驗證所提高彈性電網新能源消納的有效性。

1 高彈性電網新能源消納框架

“源隨荷動”的平衡原則可以適應負荷預測較為準確的傳統電網；隨著新能源大規模并網，需要建設高彈性電網通過 “源荷互動”的平衡原則適應“源荷”雙端不確定性。不同于傳統電網僅改變火電機組出力應對不確定性的方式，高彈性電網采用源-網-荷協調調度，應對電網源荷不確定性。

“源”為電源側，通過提高電源調節能力應對新能源不確定性影響。采用火電機組靈活性改造降低最小技術出力、自備電廠調峰及水電站庫容優化調度，增加新能源消納空間；改造火電機組靈活性，可以提高爬坡能力，應對新能源功率快速波動，減少新能源限電。

“網”為電網側，通過補強網架結構或者優化運行方式提高電網傳輸能力，促進新能源消納。主要通過跨區通道建設提高電網互濟能力；補強薄弱線路提高電力輸送能力；優化電網運行方式提高斷面傳輸功率。

“荷”為負荷側，通過需求側響應應對新能源波動性。需求側響應主要通過長時間尺度峰谷電價改變用戶用電行為間接改變負荷大小，成本較低；通過短時間尺度直接控制可控負荷改變負荷大小，成本較高。

2 高彈性電網新能源消納模式

2.1 退役電池梯次利用儲能

負荷低谷時為退役電池充電儲能，相當于“填谷”負荷，增大電網低谷最小負荷，獲取“填谷”收益；負荷高峰時退役電池放電，相當于“削峰”負荷，減小電網高峰最大負荷，獲得“削峰”收益。

退役電池梯次利用儲能主要分為分布式退役電池儲能和集中式退役電池儲能[10]。集中式退役電池儲能分為電源側退役電池儲能、電網側退役電池儲能和負荷側退役電池儲能，其中：電源側退役電池儲能為新能源與儲能結合，提高新能源預測功率，平滑新能源出力，減少新能源接入對系統峰谷特性影響；電網側退役電池儲能主要作用為削峰填谷，提高電網調節能力，減少電網投資，促進新能源消納利用；負荷側退役電池儲能主要分布在樓宇和工業園區以及供電能力薄弱點，可以減輕用戶用電費用，并提高供電能力。分布式退役電池儲能選取電價差較大的工業用戶，在電價低谷時退役電池存儲電量，電價高峰時退役電池放電減少電網用電，從而降低用戶電費支出。

2.2 新型綜合能源站

新型綜合能源站在原來變電站的基礎上，升級建設成為構建能源互聯網基礎的多功能樞紐型綜合能源站，包含變電站、電力數據中心站、儲能站、天然氣分布式能源站、充電站[11]。

變電站仍然為電壓轉換和電能分配的功能。電力數據中心站包含：Ⅰ類，為面向電網數據，包括調度、通信、電網運行及管理、營業服務數據以及儲能站、充電站等數據；Ⅱ類，為衍生數據，面向電網和用戶；Ⅲ類，為分布式存儲和運算中心的數據，面向地區政府和行業。儲能站主要應用有3個方面：1)作為電力數據中心備用電源，當數據中心供電中斷時，替代不間斷電源UPS為數據中心設備提供電能；2)參與“削峰填谷”，利用峰谷電價降低數據中心支出電費，同時為電網提供調峰功能，提高供電能力和供電可靠性；3)作為事故備用容量，當發生故障時，作為應急電源供電。天然氣分布式能源站以天然氣為燃料，通過冷熱電聯供等方式提高能源利用率，在負荷中心就近實現現代能源供應方式，具有清潔、環保、靈活布置、利用效率高等優點。充電樁利用分時電價、儲能電價等價格引導電動汽車用戶有序充電，并為電網提供調峰、儲能等輔助服務，既可以增強電網安全性和穩定性，又可以降低車主用車費用。

2.3 多能互補協調調度園區

多能互補協調調度園區主要建立在工業園區和產業園區，結合分布式能源、火電機組及其他能源裝置，滿足用戶冷、熱、電、氣多種需求，解決原有系統資源利用率和自愈能力差、系統整體穩定性低和缺少協調性的問題[12]，同時可以抑制新能源的波動性和間歇性，提高新能源利用率。

圖1 傳統電網與高彈性電網區別

多能互補協調調度園區主要由供電子模塊、供熱子模塊、供冷子模塊、供氣子模塊構成，典型多能互補協調調度園區如圖2所示。當新能源發電功率較大時，多余電能用于制氫、制冷和制熱；當新能源功率較小時，增大供熱子模塊發電功率并利用供氣子模塊發電。

圖2 典型多能互補協調調度園區

3 案例仿真

3.1 案例模型

某旅游景點專線用戶，其供電所變壓器參數3000 kVA×2，原有間隔如圖3所示。目前，最大負荷為5800 kW，近年來負荷增長迅速，預計最大負荷將達到7600 kW，其預測典型負荷序列如圖4所示。按照原有電網發展規劃，需要擴建供電所，其所需成本巨大，且需審批和建設時間較長。這里通過高彈性電網規劃方案，在供電所原有間隔基礎上，通過在10 kV待用間隔1接入“移動變壓器”， 并在10 kV待用間隔1低壓380 V接入退役電池及新能源光伏，光伏組容量為12 kVA，擬接入100組(其典型功率序列如圖4所示)增加電能供給，減少負荷增長對電網帶來的巨大壓力。

圖3 供電所供電間隔

圖4 預測典型負荷序列和典型光伏序列

3.2 約束條件

原規劃方案供電功率平衡約束為

P原變，t+P擴變，t=P1,t

(1)

式中：P原變，t為原供電所變壓器功率；P擴變，t為擴建供電所變壓器功率；P1，t為負荷功率。

高彈性電網規劃方案供電功率平衡約束為

P原變，t+σP移變，t+PN，t=P1，t+εP退役，C(F)，t

(2)

式中：P移動，t為移動變壓器功率；RN，t為新能源功率；P退役，C(F)，t為退役電池充(放)電功率，充電功率記為正，放電功率記為負；σ為配置移動變壓器系數；ε為配置退役電池系數。退役電池充(放)電功率約束為

(3)

退役電池電量E退役，t約束為

(4)

退役電池電量狀態為

ES，t+1=ES，t+ηC·PS，S，C，t-ηF·PS，S，F，t

(5)

式中：ηC和ηF分別為退役電池充放電能系數，均取0.95。

等效負荷P1，等效，t為負荷減去新能源的值，如果該系統中接入退役電池，則負荷為通過退役電池充(放)電優化后的負荷。

P1，等效，t=P1，t+P退役，C(F)，t-PN，t

(6)

等效負荷峰谷差為

P1，等效，v=P1，等效，max-P1，等效，min

(7)

式中：P1，等效，v為等效負荷峰谷差；P1，等效，max為最大等效負荷；P1，等效，min為最小等效負荷。

3.3 仿真計算

按照原規劃方案，需擴建變壓器參數為2000 kVA，此時供電解決方案如圖5所示。

圖5 原規劃方案供電解決方案

按照高彈性電網規劃方案，選移動變壓器參數分別為500 kVA和1000 kVA，結合退役電池供電，選取移動變壓器參數分別為500 kVA和1000 kVA時的退役電池，如圖6所示。

圖6 高彈性電網供電解決方案

由圖6可知，選取移動變壓器參數量分別為500 kVA和1000 kVA時的退役電池放電最大功率為1100 kW和600 kW，放電電量分別為1727 kWh和228 kWh,則對應退役電池容量至少為1818 kVA和240 kVA，此時對應退役電池可以選取1150 kW/2300 kWh，和650 kW/1300 kWh。

采用原規劃方案擴建2000 kVA變壓器和采用高彈性電網規劃方案選取500 kVA和1000 kVA時接入光伏后等效負荷如圖7所示。

圖7 不同接入方案下等效負荷對比

由圖7可知，采用3種不同接入方案下最大等效負荷分別為7249 kW、6330 kW和6449 kW，最小等效負荷分別為1202 kW、1557 kW和1448 kW；等效負荷峰谷差為6047 kW、4773 kW和5051 kW。采用高彈性電網規劃方案，可減小等效負荷峰谷差，接入500 kVA和1000 kVA移動變壓器方案可以分別減小1274 kW和996 kW，其中接入500 kVA移動變壓器方案減小等效負荷峰谷差更多，多減小278 kW。

高彈性電網規劃方案不僅主要體現在其調峰能力上，在建設方面將“移動變壓器”作為 “能源插座”可以解決之前規劃不能滿足當前電力增長過快的需求也體現出成本優勢。該“能源插座”通過電網接入安全評估和調試即可投入運行，避免新建變壓器審批和土建時間過長問題。以節約審批和土建時間2個月為例，該地區負荷損失成本按照負荷參與需求側響應4元/kWh計算，則該段時間內損失可達68.2萬元；按照浙江省1 kWh產生GDP為13.37元計算，則可減少損失228.02萬元。如果每千瓦時產生的GDP更高，帶來的經濟損失更大。

3.4 移動變壓器接入參數靈敏性分析

選取接入不同參數移動變壓器，退役電池對應的放電電量和放電最大功率如圖8所示。

由圖8可知，隨著接入不同參數移動變壓器，退役電池放電電量和最大放電功率不斷降低，放電電量降低更快。

圖8 接入不同參數移動變壓器的退役電池對應的放電電量和最大放電功率對比

由于原供電能力為6000 kW，需要解決負荷增長后功率大于6000 kW的部分，因此統計負荷功率大于6000 kW的分布，并得到如圖9所示的負荷大于6000 kW持續負荷功率和負荷功率概率分布。

圖9 負荷大于6000 kW持續負荷功率和負荷功率概率分布

由圖9可知，負荷功率主要分布在6000～6800 kW區間，因此隨著移動變壓器在該區間接入功率增加，需要配合移動變壓器供電的退役電池放電電量降低更快；此外由持續負荷功率和負荷功率概率分布可知，在負荷分布集中區間采用移動變壓器供電，在負荷分布較少區間采用退役電池供電，可以更好地解決電量問題，進而驗證了所提高彈性電網方法采用移動變壓器和退役電池共同供電的有效性。

退役電池容量和額定放電功率處于2∶1的數量關系，則對應的退役電池容量、移動變壓器參數和退役電池所需的最大放電功率如圖10所示。

圖10 退役電池容量、移動變壓器參數和退役電池所需最大放電功率對比

由圖10可知，退役電池容量和額定功率數值符合2∶1關系且接近所需最大放電功率的移動變壓器選取容量為300～500 kVA。選取移動變壓器參數分別為300 kVA、400 kVA、500 kVA時退役電池選取1800 kW/3600 kVA、1350 kW/2700 kVA和1150 kW/2300 kVA，其中退役電池選取1350 kW/2700 kVA時，所需最大放電功率為1300 kW，最接近最大放電功率。

4 結 論

新能源的發展有助于“碳中和”目標的實現，但是新能源并網會對電網的調峰和電壓兩方面帶來影響。上面針對新能源對電網帶來的挑戰，提出高彈性電網下“源-網-荷”新能源消納框架，并結合地區實際特點，提出退役電池梯次利用、靠近用能大戶和新型綜合能源站等方案，促進新能源消納的同時，促進“碳中和”目標實現。

通過實際算例，利用高彈性電網規劃方案，避免了傳統規劃方案建造費用高、審批和建設時間長的缺點。通過在待用間隔接入“移動變壓器”和退役電池，可以實現電網模塊化建設和“即插即用”功能，并可以減少等效負荷峰谷差。