淺談多能互補(bǔ)清潔能源基地開發(fā)規(guī)劃

高 潔，朱方亮，盧有麟，顧建偉，王 旭

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，社會發(fā)展的動力。能源發(fā)展歷來秉承系統(tǒng)思維，“十一五”構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全的能源供應(yīng)體系，“十二五”構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，“十三五”建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，“十四五”加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，二十大報(bào)告進(jìn)一步提出建設(shè)新型能源體系。作為新型能源體系的重要載體[1]，新型電力系統(tǒng)以高比例新能源供給消納體系建設(shè)為主線任務(wù)，以源網(wǎng)荷儲多向協(xié)同、靈活互動為堅(jiān)強(qiáng)支撐[2]。首先要從源端多能互補(bǔ)開始，發(fā)揮水、核、風(fēng)、光、煤、氣等多能源品種協(xié)同開發(fā)優(yōu)勢，推進(jìn)提供電量支撐的間歇性新能源、不可調(diào)核電等與調(diào)節(jié)性電源互濟(jì)，從資源、功能、經(jīng)濟(jì)性上實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)最優(yōu)。

1 多能互補(bǔ)概念演進(jìn)

關(guān)于多能互補(bǔ)的概念，可追溯到2016年國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》(發(fā)改能源〔2016〕1430號)。其中，多能互補(bǔ)集成優(yōu)化包含2種模式，一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求的多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用；二是利用大型綜合能源基地風(fēng)能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢的風(fēng)光水火儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行。前者強(qiáng)調(diào)用戶側(cè)綜合能源利用，后者聚焦發(fā)電側(cè)基地化開發(fā)。2021年，國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源規(guī)〔2021〕280號)認(rèn)為，電力多能互補(bǔ)綜合開發(fā)是統(tǒng)籌包括風(fēng)光儲一體化、水風(fēng)光(儲)一體化等各類電源的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營，提出積極實(shí)施存量“風(fēng)光水火儲一體化”，穩(wěn)妥推進(jìn)增量“風(fēng)光水(儲)一體化”，探索增量“風(fēng)光儲一體化”。與此同時(shí)，通過電力“源網(wǎng)荷儲”進(jìn)一步整合電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)資源，在不同空間尺度，即區(qū)域(省)級、市(縣)級、園區(qū)(居民區(qū))級實(shí)現(xiàn)一體化。據(jù)此，電力多能互補(bǔ)開發(fā)包含多種電源組合，以清潔能源發(fā)電為主，且應(yīng)用場景多變。宏觀上，整個(gè)電網(wǎng)是一個(gè)多能互補(bǔ)系統(tǒng)，內(nèi)部有西電東送、南北互濟(jì)等電力互補(bǔ)；中觀上，一個(gè)清潔能源基地是一個(gè)多能互補(bǔ)系統(tǒng)，根據(jù)資源稟賦一體化規(guī)劃、綜合開發(fā)、聯(lián)合運(yùn)行、統(tǒng)籌送出，并可與外部電網(wǎng)進(jìn)行電力交換；微觀上，一個(gè)具有兩種以上能源電力組合的微電網(wǎng)是一個(gè)多能互補(bǔ)系統(tǒng)，可余電上網(wǎng)、電力下網(wǎng)。后續(xù)，多能互補(bǔ)還將向虛擬電廠、負(fù)荷聚合商等進(jìn)一步延伸。本文面向新能源集約式大規(guī)模、高比例開發(fā)，主要探討中觀層面的多能互補(bǔ)基地化開發(fā)規(guī)劃。

2 多能互補(bǔ)清潔能源基地開發(fā)

基地化開發(fā)的理念可追溯到原電力工業(yè)部基于20世紀(jì)80年代初全國水力資源普查成果，提出集中建設(shè)10個(gè)大型水電基地的設(shè)想[3]。此后，隨著全國水能資源調(diào)查和規(guī)劃成果積累，到2003年基本形成了十三大水電基地的總體格局。21世紀(jì)第2個(gè)十年，在摸清新能源資源稟賦的基礎(chǔ)上，新能源開發(fā)規(guī)模躍升，形成了分布式與集中式開發(fā)并舉的局面，尤其在西部北部具有集群特點(diǎn)、規(guī)模效應(yīng)的地區(qū)，大力推動新能源集約式基地化開發(fā)。“十三五”時(shí)期，結(jié)合各類基地空間分布特點(diǎn)，開始探索基地內(nèi)不同電源間資源互補(bǔ)、出力互補(bǔ)、經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出，建設(shè)一批多能互補(bǔ)的清潔能源基地，規(guī)劃了金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游和幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地，雅魯藏布江下游水電基地等。《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》要求，依托水電基地調(diào)節(jié)能力，在流域風(fēng)、光資源豐富地區(qū)，開展水風(fēng)光儲多能互補(bǔ)綜合開發(fā)基地工程示范；將風(fēng)光火(儲)、風(fēng)光水(儲)、風(fēng)光儲一體化設(shè)計(jì)及運(yùn)行技術(shù)示范列為重點(diǎn)任務(wù)。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出優(yōu)先利用存量常規(guī)電源實(shí)施“風(fēng)光水(儲)”“風(fēng)光火(儲)”等多能互補(bǔ)工程，將云貴川藏、青海水風(fēng)光綜合開發(fā)，金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游等清潔能源基地，雅魯藏布江下游水電開發(fā)等作為能源發(fā)展的重點(diǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施工程。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》要求，構(gòu)建可再生能源多能互補(bǔ)、因地制宜、多元迭代發(fā)展的新局面，進(jìn)一步明確了統(tǒng)籌推進(jìn)川滇黔桂、藏東南水風(fēng)光綜合基地和蒙新甘青等沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)風(fēng)電太陽能發(fā)電基地綜合開發(fā)。

基地化一方面有助于大規(guī)模開發(fā)利用能源資源，另一方面也是應(yīng)對我國能源資源與負(fù)荷需求逆向分布難題的重要途徑。我國中東部地區(qū)能源消費(fèi)量全國占比超過70%，生產(chǎn)量不足30%，造就了“西電東送、西氣東輸、北煤南運(yùn)”的局面[4]。西部和北部的可再生能源和化石能源資源均較豐富，按照低碳轉(zhuǎn)型要求，依托清潔能源基地開發(fā)，將大量清潔電量送至中東部地區(qū)。2022年，全國西電東送規(guī)模已達(dá)3億kW。從早期西南水電基地送電華中東和兩廣，到正在規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)光電基地、周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能煤電、穩(wěn)定安全可靠特高壓輸變電線路組成的新能源供給消納體系，都揭示了多能互補(bǔ)基地重要的開發(fā)形式，即以新能源為電量主體，以周邊調(diào)節(jié)電源提供容量支撐，以電力外送通道為重要載體。

3 多能互補(bǔ)清潔能源基地規(guī)劃研究

多能互補(bǔ)清潔能源基地規(guī)劃，首先，聚焦送端電源多能互補(bǔ)，通常是風(fēng)光水火儲兩種及以上可再生能源電源的優(yōu)化配置和聯(lián)合運(yùn)行；其次，考慮受端電力系統(tǒng)風(fēng)光水火儲電力電量實(shí)時(shí)平衡。在規(guī)劃中綜合考慮供給和消納，統(tǒng)籌兼顧送端和受端。

3.1 送端多能互補(bǔ)

涉及2種及以上可再生能源電源，多能互補(bǔ)包含了光儲、水光、水風(fēng)光、風(fēng)光儲、水風(fēng)光儲、風(fēng)光火儲、風(fēng)光水火儲等多種組合形式。其中，新能源+火電的組合，必須考慮到輸電通道可再生能源電量比例超過50%。

風(fēng)電、光伏發(fā)電主要受地理地形、風(fēng)速風(fēng)向、輻照云量、氣溫氣壓等自然條件的影響較大。火電因機(jī)組、燃料及運(yùn)輸條件而異。新型儲能由于技術(shù)路線不同，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性各異，比較有代表性的包括電化學(xué)儲能(鋰離子電池儲能、液流電池儲能、鈉離子電池儲能)、壓縮空氣儲能、重力儲能、氫儲能等，與所選設(shè)備設(shè)施關(guān)系密切。抽水蓄能通過筑壩修庫利用水之勢能，是水電特有的開發(fā)形式。根據(jù)《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2023》，2022年我國已投運(yùn)電力儲能項(xiàng)目約5 980萬kW，其中抽水蓄能4 579萬kW，占比約77%。雖然抽水蓄能電站裝機(jī)容量在2022年占比首次低于80%，但仍是頭部品種，是水電資源匱乏、但具備抽水蓄能站點(diǎn)資源條件下，多能互補(bǔ)基地化開發(fā)中儲能調(diào)節(jié)電源的首選。

3.1.1 總體思路

在自然要素和機(jī)組特性等邊界條件確定后，多能互補(bǔ)清潔能源基地規(guī)劃的難點(diǎn)之一在于水電。首先，水力發(fā)電通過筑壩修庫，形成落差和庫容，具有多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、不完全年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)等多種性能，可發(fā)揮長中短周期不同時(shí)間尺度補(bǔ)償作用。如何將水庫中長期調(diào)度與風(fēng)光日內(nèi)互補(bǔ)，進(jìn)行長短期嵌套，同時(shí)保證出力優(yōu)化和水量平衡，對傳統(tǒng)水庫調(diào)度提出新要求。第二，水電規(guī)模化開發(fā)形成了流域梯級水庫電站布局，需要考慮上下游水力聯(lián)系，并與周邊風(fēng)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)，是對傳統(tǒng)梯級水電站優(yōu)化調(diào)度的進(jìn)一步優(yōu)化。第三，對于存量水庫電站，是否需要考慮與風(fēng)光互補(bǔ)，擴(kuò)大裝機(jī)；對于新建水庫電站，如何考慮與風(fēng)光互補(bǔ)確定水位、庫容等特征參數(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)水利動能設(shè)計(jì)方法。第四，抽水蓄能電站通過水儲能，在負(fù)荷高峰高電價(jià)時(shí)發(fā)電，不僅利用了低谷低價(jià)電抽水，而且還可利用風(fēng)光富余電量抽水[5]。因此，抽水蓄能的運(yùn)行方式更加靈活，從過去的一抽一發(fā)、一抽兩發(fā)到兩抽兩發(fā)，甚至多抽多發(fā)，充分存儲棄風(fēng)棄光電量，抽發(fā)時(shí)點(diǎn)不固定，優(yōu)化空間更大。第五，抽水蓄能電站需要考慮抽發(fā)優(yōu)化和上下水庫水量平衡，且目前多采用定速機(jī)組，抽水約束嚴(yán)格，對風(fēng)光富余電量利用尚有限。目前比較常用的處理方式是，在傳統(tǒng)(梯級)水電站調(diào)度的基礎(chǔ)上，考慮水光、水風(fēng)光、水風(fēng)光儲、風(fēng)光水火儲等多種互補(bǔ)形式[6-8]，后續(xù)有必要提煉思路，提出多能互補(bǔ)綜合規(guī)劃方法。

多能互補(bǔ)清潔能源基地規(guī)劃的難點(diǎn)之二在于風(fēng)光出力特性的準(zhǔn)確表達(dá)。由于風(fēng)光發(fā)電受微地形、局地氣象影響顯著，且長期觀測資料匱乏，首先，新能源資料的時(shí)空代表性缺乏，難以獲取代表性站址的長系列資料，分析選擇代表性時(shí)段。第二，表征新能源出力特性的指標(biāo)體系缺乏。在工程實(shí)踐中有待建立一套基于風(fēng)光典型年、典型日、典型時(shí)段選取，通過風(fēng)電光伏發(fā)電出力—保證率—電量累積曲線、出力變幅、出力變率、極端出力時(shí)段、風(fēng)光可靠出力、反調(diào)峰率、同時(shí)率等指標(biāo)，反映新能源與其他電源發(fā)電互補(bǔ)特性的評價(jià)體系。

3.1.2 模型構(gòu)建

送端基地多能互補(bǔ)建模，需要在規(guī)劃階段確定容量配置方案，運(yùn)行階段細(xì)化聯(lián)合運(yùn)行方式。

3.1.2.1 規(guī)劃階段

按照規(guī)劃范圍內(nèi)風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、火電、儲能等各種不同容量組合擬定方案，對方案遍歷比選，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，選出最佳組合方案。

投資建設(shè)運(yùn)營全生命周期凈現(xiàn)值最大化容量配置方案為

f1=max(NPV1，NPV2，…，NPVN)

(1)

(2)

式中，N為多能互補(bǔ)基地容量配置比選方案(以下簡稱“比選方案”)總數(shù)；T為比選方案全生命周期長度；NPV為各方案凈現(xiàn)值；Bt為各方案第t年效益；Ct為各方案第t年費(fèi)用；i為設(shè)定的基準(zhǔn)收益率。

投資建設(shè)運(yùn)營全生命周期成本最小化容量配置方案為

f2=min(LCOE1，LCOE2，…，LCOEN)

(3)

式中，LCOE為各方案的平準(zhǔn)化度電成本。

3.1.2.2 運(yùn)行階段

基于多能互補(bǔ)電源組合方案，結(jié)合水電長期、中期、短期預(yù)報(bào)，風(fēng)電光伏中長期、短期、超短期預(yù)測，細(xì)化中長期、日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)聯(lián)合運(yùn)行方式及效益。上層模型首先考慮多能互補(bǔ)基地總效益最大、總成本最小、總出力與需求最匹配等多目標(biāo)組合，以等效需求傳遞到下層模型，再計(jì)算某電源品種最優(yōu)，如火電運(yùn)行成本最低、風(fēng)電光伏發(fā)電棄電率最小等[9]。建模的目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)多能互補(bǔ)基地發(fā)電效益最大時(shí)

(4)

式中，M為多能互補(bǔ)基地容量配置優(yōu)選方案(以下簡稱優(yōu)選方案)的互補(bǔ)電源種類數(shù)；i為優(yōu)選方案中某一種電源，i∈{h，w，s，g，st}，分別代表水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、火電、儲能；Pi，t為第i種電源t時(shí)刻出力；pi，t為第i種電源t時(shí)刻電價(jià)；Δt為時(shí)段長。

(2)多能互補(bǔ)基地全生命周期成本最小時(shí)

(5)

(3)多能互補(bǔ)基地可再生能源棄電量最小時(shí)

(6)

式中，Et為第t時(shí)刻棄電量。

(4)多能互補(bǔ)基地總出力與需求偏差度最小時(shí)

(7)

3.2 受端實(shí)時(shí)平衡

由于送端方案涉及長中短期，因此受端電力系統(tǒng)分析包括電力、電量、調(diào)峰容量的年平衡和月平衡，以及小時(shí)級實(shí)時(shí)平衡，兼有容量規(guī)劃和運(yùn)行模擬的特點(diǎn)[10]。實(shí)時(shí)平衡分析主要采用穩(wěn)態(tài)電力電量平衡的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬技術(shù)[11]。在時(shí)序生產(chǎn)模擬中，按照優(yōu)先消納新能源的原則，首先計(jì)算凈負(fù)荷曲線[12]。

日內(nèi)平衡的考慮相對簡單，首先在基荷安排水電強(qiáng)迫出力，再安排可調(diào)水電，后以儲能調(diào)峰填谷，最后確定火電開機(jī)容量，并把火電最小技術(shù)出力安排在基荷，此時(shí)若出現(xiàn)有效容量不足或風(fēng)光棄電，再重新調(diào)整火電，以減少火電促進(jìn)新能源消納，減排降碳。送端區(qū)外來電根據(jù)其屬性，位于基荷或腰荷。通過堆積填充日負(fù)荷曲線，安排各類電源出力時(shí)序及其工作位置[13]。

在新能源占比不高時(shí)，傳統(tǒng)電力電量平衡可簡化到典型日、典型周。對于新能源高滲透率系統(tǒng)，不確定性因素導(dǎo)致典型場景增加，有必要建立優(yōu)化模型，選出典型時(shí)段，確定各類電源的工作位置。如短周期優(yōu)化目標(biāo)主要是發(fā)電和購電經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、棄電量最小等，中長期優(yōu)化還應(yīng)考慮水庫調(diào)度、電力交換，以及全生命周期投資運(yùn)行成本。較長周期的水位變化、檢修安排、送受電計(jì)劃可作為較短周期的邊界條件[14]，從而簡化計(jì)算量。

新型電力系統(tǒng)中關(guān)于新能源出力特性分析及其功率偏差計(jì)算、儲能電源靈活的工作方式[15]、水電精準(zhǔn)化建模需求、火電開機(jī)優(yōu)化等，均給傳統(tǒng)電力電量平衡計(jì)算帶來挑戰(zhàn)。

4 多能互補(bǔ)系統(tǒng)規(guī)劃方法要點(diǎn)

4.1 送端多能互補(bǔ)

送端多能互補(bǔ)的關(guān)鍵是“方案比選”。多能互補(bǔ)方案優(yōu)選的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，旨在根據(jù)“多能”的資源稟賦，進(jìn)行多電源“互補(bǔ)”配置，通過多方案經(jīng)濟(jì)性比較，得出最優(yōu)容量配置。因此可將諸多問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性問題。如為提高新能源消納率，可將化石能源消耗量、風(fēng)光棄電量轉(zhuǎn)化為費(fèi)用，并設(shè)置懲罰系數(shù)；為跟蹤負(fù)荷曲線或匹配送電曲線，將彌補(bǔ)電量缺口的購電措施等計(jì)入成本，比較方案調(diào)整代價(jià)、外購電成本等。

4.2 受端實(shí)時(shí)平衡

受端系統(tǒng)以“實(shí)時(shí)平衡”為剛性約束。受端在考慮送端多能互補(bǔ)基地外來電力電量后，對整個(gè)電力系統(tǒng)的風(fēng)光水火儲各類電源，安排工作容量、負(fù)荷備用容量、事故備用容量、檢修容量、空閑容量，以及與區(qū)外電力交換。系統(tǒng)的裝機(jī)、總電量、調(diào)峰能力應(yīng)嚴(yán)格滿足電力、電量、調(diào)峰容量需求，具體包括有效容量平衡、電量平衡、檢修平衡、備用平衡等多項(xiàng)剛性約束。考慮到全年以小時(shí)為步長進(jìn)行8 760 h模擬，為簡化運(yùn)算，可以線性規(guī)劃為主，對于非線性約束通常采用分段線性化方式處理，在開機(jī)安排等環(huán)節(jié)視需要進(jìn)行整數(shù)規(guī)劃。

5 結(jié) 語

多能互補(bǔ)的概念，可追溯到終端用戶側(cè)綜合能源和發(fā)電側(cè)清潔能源基地，從宏觀上整個(gè)電力系統(tǒng)就是風(fēng)光水火儲各種電源多能互補(bǔ)；從中觀上國家規(guī)劃推動建設(shè)的金沙江、雅礱江、黃河上游和幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地均是水風(fēng)光、風(fēng)光儲典型多能互補(bǔ)基地；從微觀上風(fēng)光配儲能、水光互補(bǔ)電站等也屬多能互補(bǔ)應(yīng)用。

本文主要探索中觀層面的清潔能源基地開發(fā)，送端多能互補(bǔ)進(jìn)行容量配置優(yōu)化、聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化，并兼顧考慮基地送電到受端市場消納。研究發(fā)現(xiàn)，首先，多能互補(bǔ)基地的核心是調(diào)節(jié)性電源，以此支撐大規(guī)模間歇性可再生能源開發(fā)；難點(diǎn)在于如何精準(zhǔn)反映流域梯級水電作用以及表征風(fēng)電光伏發(fā)電出力特性。第二，多能互補(bǔ)基地容量配置方案優(yōu)選應(yīng)以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為主要目標(biāo)，聯(lián)合運(yùn)行體現(xiàn)多目標(biāo)需求。第三，多能互補(bǔ)基地開發(fā)需要兼顧受端電力系統(tǒng)電力電量實(shí)時(shí)平衡需求，選取典型時(shí)段進(jìn)行電力生產(chǎn)模擬，初步分析電源工作位置和出力過程。