市場化并網新能源規劃生產模擬軟件架構設計與開發

文/劉濤 韓平 魏昕 侯兵

一、引言

《國家能源局關于2021年風電、光伏發電開發建設有關事項的通知》（國能發新能〔2021〕25 號）提出推進市場化并網新能源項目的開發建設，助力實現3060 雙碳目標。各省級能源主管部門響應國家政策要求，相繼印發項目申報通知、實施細則等，推進各省市場化并網新能源項目的落地實施。

在國家和地方政策的大力支持下，市場化并網新能源項目發展勢頭迅猛。相較于保障性并網新能源項目，市場化并網新能源項目前期工作需要分析并網消納條件，而生產模擬計算則是開展前期工作的必備環節。

生產模擬計算是近期電力行業研究熱點，主要歸納有如下幾項：考慮區外來電建立電力時序運行模擬模型，加入三段式區外來電，對電力系統進行時序生產模擬[1]；研究了用于靈活產能規劃的適應性生產模擬方法，對實施可再生能源整合靈活性解決方案中的經濟權衡進行建模[2]；研究了考慮常規機組調峰特性的新能源生產模擬系統，建立了常規電源的出力特性、調峰特性模型，可用于量化評估新能源發電的接納能力以及新能源規劃的經濟性[3]；公開了一種考慮備用共享的新能源生產優化模擬方法及系統，以電力系統覆蓋區域的新能源總發電量最大為目標函數，將全局性約束、電源約束、交流聯絡線約束、直流聯絡線運行約束、調節資源約束納入約束條件，構建新能源生產模擬模型[4]。然而，上述方法和系統應用于市場化并網新能源項目時，在政策要求、邊界條件、關鍵指標等方面，存在難以適應的問題。因此，隨著市場化并網新能源快速發展，亟需一套專門針對該類項目的便捷可靠的軟件工具。

本文響應上述需求，緊跟國家和地方的政策要求，針對市場化并網新能源，綜合考慮源、網、荷、儲各元素的特點，設計了生產模擬軟件的系統架構，并開發實現了一套市場化并網新能源規劃生產模擬軟件，為相應項目的前期規劃設計提供了強有力的工具支撐。

二、生產模擬方法與條件簡述

市場化并網新能源項目與大電網開展生產模擬計算的主要區別有以下兩點：

一是大電網生產模擬是電力系統規劃和運行的重要工具，以系統運行總成本最小為目標，對電力系統中機組的時序出力和調度過程進行模擬，預測最優運行方式下系統各機組運行狀態、出力分配、備用預留和調用、生產成本以及風險等情況，為規劃方案的實際應用提供依據。

二是市場化并網新能源規劃生產模擬是對市場化并網新能源項目中的機組時序出力和調度過程進行模擬，其優化目標不同，且需要考慮特定的約束條件。即：首先梳理各類市場化并網新能源項目的政策要求，然后明確各類項目的關鍵指標和約束條件，進而制定生產模擬的具體方法和策略。

市場化并網新能源項目政策要求因項目類型、所屬地區而略有不同，主要為自我消納自主調峰、不向公用電網反送電、限制上送電力電量、不增加系統調峰壓力、不增加峰谷差、新能源綜合利用率不低于90%等。

本文設計并開發的軟件，即為專門針對市場化并網新能源的規劃設計，考慮市場化并網新能源項目不同的資源條件、政策要求和約束條件，進行8760 小時時序生產模擬，在特定條件下可選擇特定優化算法，并將最優結果或多種比選方案通過表格和圖形化的形式展示出來，為用戶配置新能源、儲能規模方案提供準確可靠的測算依據。

三、生產模擬軟件架構設計與開發

（一）總體功能架構

基于對生產模擬所需數據、條件、方法及結果形式的梳理，本文設計生產模擬軟件的總體功能架構如圖1 所示。軟件基本功能包括數據準備、條件設置、生產模擬、結果展示四個模塊。

圖1 軟件總體功能架構

其中，數據準備模塊包括對“源”“網”“荷”“儲”四類元素的數據導入、參數設置等；條件設置模塊包括市場化并網新能源的場景選擇、約束條件選擇和設置、計算方法的選擇和設置等；生產模擬模塊即為8760 小時時序生產模擬過程；結果展示模塊通過表格、圖形的方式對電力、電量平衡情況及關鍵指標進行展示。

依據此架構，采用C++編程語言實現了規劃生產模擬核心功能，并采用Qt 開發工具實現了輸入、輸出模塊功能，從而完成了整個市場化并網新能源規劃生產模擬軟件的開發。

軟件包括工具欄、導航欄與展示區。其中，工具欄包括“打開”“保存”“另存為”“幫助”4個操作按鈕；導航欄包括“數據準備”“條件設置”“生產模擬”“結果展示”“軟件信息”5 個功能按鈕；展示區主要完成數據的輸入、功能的操作及結果的展示等。

（二）“源網荷儲”數據準備

數據準備是生產模擬的必要前提，為生產模擬提供計算數據來源。通過梳理市場化并網新能源各類項目的基本元素，本文設計的數據來源涵蓋了“源”“網”“荷”“儲”的各元素。其中：

1.源即電源，包括風力發電、光伏發電、火電、光熱等，每種電源獨立1 個頁簽。根據實際項目中所包含的電源類型，導入和填寫相應數據曲線與參數。

2. 網即電網，表示項目工程與公共電網之間的功率交換。可以填寫交換功率固定值，或以送受電曲線的方式導入。

3.荷即負荷，包括固定負荷、可調負荷等，每種負荷獨立1 個頁簽。根據實際項目中所包含的負荷類型，導入和填寫相應數據曲線與參數。

4.儲即儲能，支持各類新型儲能與抽水蓄能。根據實際項目中所包含的儲能類型，填寫相應參數。

由于數據的種類、形式、特性各有不同，且用戶的需求也各異，所以本文設計了2 種數據輸入方式。即：對于具有全年/典型月或日特性的電源、負荷數據，可通過表格形式一鍵導入；對于其他類型的電源、負荷、儲能數據，可手動增加/刪除和修改多組參數。

1.表格導入方式適用于風力發電、光伏發電、固定負荷等。以實測或預測功率曲線的方式進行導入，導入方式為*.csv 表格。支持多種數據格式，包括：8760小時數據、12 個月每月典型日數據、4 個季度每季度典型日數據、典型日24 小時數據等，以滿足不同用戶的需求。

2.手動填寫方式適用于火電、光熱、可調負荷、儲能等。通過“增加一組”“刪除一組”按鈕可更改組數。每組參數獨立填寫，以某園區可調負荷為例說明，填寫各組額定功率、最大可調系數、最小可調系數等參數，如圖2 所示。

圖2 可調負荷參數表

另外，對于風力發電、光伏發電、固定負荷，在數據導入后可以自動地對新能源或負荷特性進行初步分析，包括年內月出力特性、年平均日出力特性、波動曲線等，并以表格和圖形的方式顯示與保存。

（三）邊界條件設置

邊界條件是生產模擬的必備約束，為生產模擬限定計算范圍和計算目標。通過梳理市場化并網新能源各類項目的政策要求與條件，本文設計了6 類可選項目類型、8 項可選約束條件。其中：

1.6 類可選項目類型包括用戶級源網荷儲一體化、園區級源網荷儲一體化、地區級源網荷儲一體化、風光制氫一體化、自備電廠可再生能源替代、火電靈活性改造消納新能源。項目類型具備可擴展性，未來會根據政策的變化進一步拓展。

2.8項可選約束條件說明如下：

（1）不向電網反送電：市場化并網新能源項目的主要約束條件，適用于源網荷儲一體化、自備電廠可再生能源替代等項目類型，對于超出自身消納能力的上網電力，作為棄電處理。

（2）限制上網電：主要適用于風光制氫一體化項目，設定項目的上網電力和（或）上網電量限制，超出部分作為棄電處理。

（3）不增加峰谷差：項目出力疊加負荷后對外凈負荷峰谷差不高于負荷原自然峰谷差，設定項目的負荷原自然峰谷差率，按此約束計算最優的下網電力、對外凈負荷峰谷差及棄電率。

（4）最大出力不變：主要適用于自備電廠可再生能源替代項目，新能源與火電出力之和超出原火電裝機時，作為棄電處理。

（5）考慮電網備用容量：當調度協議約定電網提供一定的備用容量時，選擇該條件，并填寫具體的備用容量值。

（6）負荷考慮電量優化：當生產模擬負荷全年電量與目標電量不一致時，重新優化調整，增大（或減小）可調負荷部分的電力和電量，使其接近目標電量。

（7）火電考慮檢修、供熱：按照設定的檢修或供熱時間，使火電處于檢修或供熱狀態。

（8）儲能作用：可選擇調峰或考慮分時電價搬運電量，其對應充放電的邏輯不同。

上述約束條件中，“不向電網反送電”為普遍性條件，適用于大部分市場化并網新能源項目；“限制上網電”“最大出力不變”為某類項目專有的條件；“不增加峰谷差”“考慮電網備用容量”為地區特定條件，特別是考慮“不增加峰谷差”條件時，生產模擬需要進行迭代尋優；其他幾項為附加條件，會影響生產模擬的策略和計算過程。

（四）生產模擬方法與計算過程

在數據準備和條件設置完成后，可選擇不同的計算方法開展生產模擬。本文設計了3 種計算方法，分別適用于不同的計算需求：

1.指定規模和條件，單次計算

這是基本的計算方法，按照初始設定的風電、光伏、儲能規模和小時數，進行生產模擬計算，最終得到該套方案的結果。該方法適用于已基本明確項目方案的情況。

2.設定多個比選方案，分別計算

預先擬定多套風電、光伏、儲能的配比方案，如圖3 所示，一次性計算得到所有方案的結果，并給出關鍵指標的對比數據。該方法適用于未明確項目具體方案，需進行多方案比選的情況。

圖3 多方案比選的計算設置

3.設定規模范圍，優化配比計算

預先設定風電、光伏、儲能的規模范圍，自動計算得到較優的風、光、儲配比，并給出該配比下的生產模擬結果。該方法適用于未明確項目具體方案，尚不知新能源配置規模的情況。

另外，針對未明確項目具體方案的情況，可通過方法（3）和方法（2）的配合，找出較優的配比方案并同步進行多方案的比選工作。

完成計算方法選擇后，可進一步執行生產模擬，得到計算結果，若為多方案比選，則結果包含每個方案。

（五）計算結果展示

結果展示是生產模擬的最終表現形式，通過表格化和圖形化的方式對生產模擬結果進行展示，清晰直觀，便于分析。在項目申報方案中，通常要列出電力平衡、電量平衡結果，因此，本文設計展示結果形式包括電力平衡表格、電力平衡曲線、電量平衡表格，并支持表格、圖形的導出功能。

1.電力平衡結果

以表格和堆疊面積圖的形式，將各類電源、負荷、儲能充放電、下網功率等的平衡情況顯示出來。如圖4 所示為某項目典型周電力平衡曲線，曲線可以選擇時間段，查看典型日、典型周、典型月或全年曲線。

圖4 某項目典型周電力平衡曲線

2.電量平衡結果

以表格形式顯示方案的電量平衡情況和關鍵指標結果，包含新能源和火電等電源的發電量、新能源棄電量和棄電率、峰谷差、利用小時數、下網電力和電量等關鍵指標。

四、結束語

本文設計并研發了一套適用于市場化并網新能源項目規劃的生產模擬軟件。軟件主要依據國家和地方政策要求，根據風光出力特性、電力負荷特性、調峰資源能量約束和網架約束等基礎條件，計算合適的新能源和儲能裝機規模，測算上網電量、整體峰谷差、棄電量等關鍵指標，以滿足市場化并網新能源、新型儲能、綠色工業園等中小型新型電力系統項目前期咨詢和工程設計階段的計算需要。軟件基本功能包括數據準備、條件設置、生產模擬、結果展示四個模塊，涵蓋“源”“網”“荷”“儲”的各元素，并清晰直觀地給出表格化和圖形化的電力電量平衡結果。軟件功能可適用于用戶級/園區級/市（縣）級源網荷儲一體化、風光制氫一體化、火電靈活性改造消納新能源等市場化并網新能源項目以及綠色工業園項目等，填補了國內市場化并網新能源項目在申報和規劃設計階段的軟件工具空白。