適應于高比例可再生能源系統靈活性資源配置

陳雯，劉娟，趙爽，王志敏，李天摯

（1.云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，云南 昆明 650011；（2.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 前言

隨著碳中和、碳達峰目標的提出，構建新型電力系統已成為未來電力行業的發展形態，新能源的波動性、不確定性以及需求側用電特性的變化對電力系統靈活運行提出了新的挑戰，主要表現為源、網、荷側需要更為靈活地調節發電出力或用電需求以滿足供需平衡[1-2]。充足的靈活性調節資源已經成為新型電力系統安全和經濟運行的必要條件。電力系統靈活性資源配置正是針對系統當前或規劃中存在的靈活性不足的問題，通過優化配置靈活性資源，以使未來的負荷需求能夠以最優的成本得到滿足，并滿足系統的可靠性要求[3-4]。

目前已有不少電源規劃研究者關注大規模新能源接入系統的影響并探討靈活性問題。文獻[5-6]提出了一種用于對含高比例新能源的電力系統靈活性資源的充裕性進行評估的分析方法，基于廣義旋轉備用定義，從兼顧保供/ 消納雙目標角度揭示了新型電力系統運行模擬機理。文獻[7]研究了多階段靈活性資源規劃的原理及影響因素；然后考慮靈活性需求演化規律與儲能技術經濟性持續改善，構建了多階段靈活性資源優化配置模型。文獻[8]建立了結合粒子群算法及生產模擬分析的綜合優化模型，通過小時級生產模擬校驗分析系統運行約束指標，并通過粒子群算法迭代尋找靈活性資源同時滿足新能源消納及經濟性目標的最優配置方案。文獻[9]針對引入靈活性指標量化評估源荷儲多類型靈活性資源的調節潛力，針對東北電網開展了電源規劃。

本文首先分析了靈活性資源需求來源，搭建靈活性資源配置總體框架。通過仿真模擬揭示了在可再生能源占高比例的電力系統中的保供應和保消納的雙重問題，分別分析了日調節、跨日調節靈活性資源在典型月對優化省內新能源消納的作用，開展靈活性資源配置與優化研究。

1 靈活性資源配置總體框架

1.1 靈活性資源需求來源

傳統電力系統的靈活性需求主要來源于負荷的波動，在以水電和新能源為主體電源的系統中，水電來水、新能源隨機性等也會產生大量的靈活性需求,而且隨著可再生能源發電比例的增加，這部分需求劇增而成為決定靈活性資源配置的關鍵[10]。

1）需求側

圖1 為云南省內統調年負荷曲線，由圖可知，省內需求負荷最大日出現在11-12 月、最小日出現在2 月，全年日峰谷差在23.1%～40.8% 之間，全年月峰谷差在35.2%～52.9% 之間。負荷在日內、跨日的變化較大，需要系統有充足的靈活性資源來應對負荷變化。

圖1 云南省年統調負荷曲線

2）電源側

相較于常規電源，風電、光伏等出力具有明顯的波動性、隨機性和間歇性，圖2 和圖3所示為云南省風電、光伏年出力曲線。風電、光伏全年日峰谷差最大值接近100%，全年月峰谷差同樣接近100%。因此在需求側的靈活性資源需求基礎上，高比例可再生能源接入會加劇電網運行的不確定性，給電網供需平衡帶來更大挑戰，需要增加靈活性資源來滿足負荷需求和新能源接入。

圖2 云南省風電年出力曲線

圖3 云南省光伏年出力曲線

1.2 靈活性資源配置總體框架

本文構建的靈活性資源配置總體框架（見圖4），首先，通過生產模擬的方式將靈活性資源需求轉化為棄電率、調峰缺口和頂峰缺口等可量化指標，解決當前電源規劃模型中無法直接量化系統靈活性資源需求規模的問題。其次，以優化和解決棄電率、調峰缺口和頂峰缺口為目標，對典型場景進行靈活性資源配置分析。最后，進行系統靈活性資源配置的效果評估。

圖4 配置總體框架

2 高比例可再生能源系統的靈活性資源需求

靈活性資源不足的體現為系統棄水、棄風、棄光，直接決定了新能源消納利用水平，靈活性資源不足的深層影響關系到電力安全可靠供應。在新型電力系統背景下，靈活性資源從影響可再生能源消納單一的問題，將逐步發展為影響可再生能源消納和影響電力供給安全性雙重問題。

根據云南省“十四五”電力電量平衡分析，“十四五“期間電力供需將呈現顯著的“高峰缺電、低谷盈虧”特點，電力短缺和消納困難問題并存。在未采取進一步的靈活性資源配置措施之前，“十四五”期間大規模新能源投產，新能源大發時段將存在新能源消納困難情況，而負荷高峰時段新能源出力迅速下降，將存在時段電力供應緊張情況，如圖5 所示。

圖5 供需及調峰示意圖

3 案例分析

本章對云南可再生能源占總裝機比例達到85% 以上，系統運行所需的日調節和跨日調節靈活性資源配置進行分析。

3.1 日調節靈活性資源配置分析

以8 月為系統需要最大日為例，火電除帶基荷外，在大方式運行時需帶峰荷運行（見圖6），因此加裝儲能可以吸收非豐峰時段的盈余電量后在大方式實現頂峰，同時當月可以減少火電開機規模。

圖6 8月系需最大日電源工作位置示意圖（不計靈活性資源）

而相應在8 月非系需最大日，由于系需下降，則可能會產生當日棄電量，棄電量規模與新能源發電規模密切相關。前述分析已經明確加裝儲能可以減少當月的火電開機，儲能在小方式和腰方式充電，在大方式可以替代火電出力（如圖7 和圖8）。因此配置日調節儲能，可以顯著減小棄電量，根據仿真模擬結果在考慮配置日調節的抽水蓄能、電化學儲能后8 月棄電量可由21 億千瓦時減少至10 億千瓦時。

圖7 8月系需最小日電源工作位置示意圖（不計靈活性資源）

圖8 8月系需最小日電源工作位置示意圖（計入日調節儲能）

圖9 2月跨日調節靈活性電源工作位置對比

3.2 跨日調節靈活性資源配置分析

具有日調節的抽水蓄能、電化學儲能的調節能力有限，僅能發揮有限的調節能力減少日內可騰挪的棄電量，仍有部分棄電量問題無法通過日調節靈活性資源來解決，還需要配置一定的跨日調節靈活性資源配合。

以2 月系統需要最小月為例，2 月連續數日火電均已僅帶基荷運行，但由于同時新能源在連續數日大發情況下，則將產生連續數日棄電量，此時日調節靈活性資源無法解決此類新能源消納和電力保供問題。需要配置跨日靈活性資源，以發揮平抑新能源日間波動、騰挪日間新能源棄電量的作用，將有助于提高新能源消納能力，替代火電開機。根據仿真模擬結果在考慮配置跨日調節的靈活性資源后2 月棄電量可進一步減少約4 億千瓦時。

4 結束語

新型電力系統對系統靈活性提出了更高要求，靈活性資源不僅需要應對需求側的波動，還要應對高比例可再生能源接入的電源側波動，合理配置不同時間尺度靈活性資源，是保證新型電力系統安全可靠經濟運行的主要途徑。

本文基于高比例可再生能源系統中的負荷特性和電源出力的結構性供需矛盾分析，構建了靈活性資源配置總體框架，分別分析了日調節、跨日調節靈活性資源在典型月對優化省內新能源消納的作用。通過案例分析可到以下結論：

1）云南以水電和新能源為主的電源發電與用電特性不匹配，其中水電調節能力弱、火電靈活性不足、風光波動性強，靈活性資源建設亟待加強。

2）日調節靈活性資源能夠直接有效的優化日內新能源大發時段消納困難、新能源發電不足時段供應緊張的問題，顯著提升系統靈活性，建議“十四五”及中長期，積極推動存量煤電靈活性改造、加快新能源配套10%儲能建設，積極推進負荷中心、新能源集中開發地區及前期工作推進較快的抽水蓄能電站建設。

3）跨日調節靈活性資源能夠解決中、長時間尺度方面新能源消納問題，能夠應對日調節不能有效解決的連續新能源大發或極端天氣下場景的保消納、保供應問題，建議“十四五”及中長期，加快推進“十四五”已納規480萬千瓦煤電項目建設投產，積極爭取中長期保障性煤電、氣電建設指標，加快推動龍頭水電站建設工作，以整體優化干流水電出力特性。