基于時序生產模擬的新能源消納能力分析

姚明俠，楊 超，陳國華，孫 蕾，劉夢真

（國網江西省電力有限公司經濟技術研究院，江西 南昌 330043）

0 引言

自2006年《可再生能源法》實施以來，我國新能源發展迅猛，光伏和風力發電裝機規模均已居世界第一位[1]。近幾年來我國面臨著日益嚴重的棄風棄光問題，嚴重影響了我國新能源產業的健康發展。2016年，國家發改委、國家能源局聯合公布了《關于做好風電、光伏發電全額保障性收購管理工作有關要求的通知》，對棄風、棄光地區的風電、光伏發電保障性收購年利用小時數以及相關結算和監管提出了硬性要求。

截止2017年底，全國風電累計裝機1.64億kW，2017年，全國風力發電量3057億kW·h，平均利用小時數1948h。到2017年12月底，全國光伏發電裝機達到1.3億kW，2017年全國光伏發電量1182億kW·h，。隨著風電和光伏發電的快速發展，受制于電網各種約束，新能源發電將可能會呈現出新的制約瓶頸，電網將不能完全消納新能源發電，亟需開展規劃水平年度新能源消納能力研究，為新能源發展規劃提供指導，保證資源的最大化利用以及電網的安全穩定運行。

因此，本文建立新能源年度生產模擬模型，以某省級電網為例，基于歷史運行數據，預測2020年新能源消納能力，為新能源發展規劃提供指導。

1 時序生產模擬方法和數學模型

基于時序的生產模擬是指在給定的負荷條件下，模擬各發電機組的運行狀況，并計算發電系統生產費用的一種時序仿真方法[2]。將系統負荷、發電機組出力看作隨時間變化的時間序列。系統負荷與機組出力之間的平衡關系看作產品與需求間的供需平衡關系，在這種約束下優化目標函數，得到最優指標。新能源生產模擬模型基于時序生產模擬方法建立，時序生產模擬保留了負荷曲線形狀隨時間變化的特點，以1h或者15min（時間間隔可以任意設定）為單位模擬系統運行。

1.1 電網模型

考慮到實際電網覆蓋面積大、電網結構復雜，建立詳細的電網物理模型開展長時間尺度時序生產模擬耗時巨大，難以用于生產實際，且電網結構設計不可能出現很多線路過載的情況。因此，本文將電網模型進行聚合等值更能適應仿真模擬的實用性要求。電網聚合模型是根據計算分析的目的和要求將復雜的實際電網簡化為1個及以上的聚合電網，如圖1所示。

圖1 電網聚合模型示意

電網聚合模型不考慮詳細的電網拓撲結構，各電源和負荷不再受其物理位置的影響，是計算目標電網新能源消納能力的基礎。將省級電網劃分為幾個聚合電網計算的建模思想，不僅能夠顯著提高模型計算效率，而且能夠反映出電網的實際運行狀況。

1.2 目標函數

建立的新能源消納能力計算模型必須要充分考慮實際電力系統的各類常規機組包括火電、水電機組的運行及出力特性，包括機組的啟停機特性、機組的爬坡特性，最小出力特性等，還需要考慮某些特殊類型機組，例如熱電聯產機組的熱電耦合特性、抽水蓄能機組的抽放水特性等都需要特殊處理。因此，新能源消納能力數學優化分析模型根據聯網線送授電出力特性、檢修計劃、新能源功率預測曲線、系統負荷預測曲線、母線負荷預測曲線、網絡拓撲、機組發電能力和電廠運行約束等信息，綜合考慮系統平衡約束、電網安全約束、電量約束和機組運行約束，采用考慮安全約束的優化評估算法，獲得新能源消納能力的評估結果。

新能源時序生產模擬模型目標函數為優化周期內新能源消納最大，考慮到新能源出力隨其集中安裝地點的不同而不同，可以將不同聚合電網的新能源單獨計算，因此優化周期內目標函數為：

式中：N為系統所包含的聚合電網總數；n表示為某一聚合電網；T表示調度時間的總長度；t為模擬時間步長；Pw（t，n）為聚合電網n在時段t的風電出力；PPV（t，n）為聚合電網n在時段t的光伏發電出力。

1.3 約束條件

1）區域負荷平衡約束

2）聯網線送授電出力約束

式中：而Li，max和－Li，max分別為第i條聯網線傳輸容量上下限；設定電流參考方向為：流入區域為正方向，流出區域為負方向。所以Li可以取正負值，正負則代表功率傳輸的方向。

3）機組出力約束

式中，ΔPj（t，n）為常規機組優化功率大小；Sj（t，n）表示機組j在時段t的運行狀態，為二進制變量，1表示機組正在運行，0則表示機組已停機。

4）機組優化功率爬坡率約束

式中，ΔPj，up、ΔPj，down分別為第j臺機組的上爬坡率和下爬坡率。

5）供熱機組供熱期出力約束

根據對供熱機組的定義以及我國熱電聯產發展的實際狀況，分別對背壓式熱電聯產火電機組和抽汽式熱電聯產火電機組進行數學建模。背壓式熱電聯產火電機組的發電出力與熱出力呈線性關系：

抽汽式熱電聯產火電機組的工況曲線則更為復雜，其線性約束公式如下式所示：

式中，Cj，b、Cj，v分別為熱電比系數；Qj（t）為熱出力；PBYj（t）為背壓式機組供熱期出力；PCQj（t）為抽汽式機組供熱期出力。

背壓式機組和抽汽式機組的熱電耦合特性如圖2所示。

圖2 背壓式機組和抽汽式機組熱電出力關系曲線

6）新能源出力約束

式中：Pw*（t，n）指時刻t時裝機容量一定時的風電時間序列出力；PPV*（t，n）指時刻t時裝機容量一定時的光伏時間序列出力。

綜合目標函數（式（1））和約束條件（式（2）-（11）），得到基于時序生產模擬的新能源消納模型。

該模型在數學上可歸結為求解混合整數線性規劃（MIP）問題，求解混合整數規劃的核心算法是分枝定界法[3]，其基本思想是對有約束條件的最優化問題的所有可行解空間進行搜索。

新能源生產模擬計算流程主要分為數據準備、配置電網、案例計算和結果查看四個部分，如圖3所示。

圖3 新能源生產模擬計算流程

2 算例

以某省級電網為例，建立新能源出力時間序列模型、負荷時間序列模型、各類型常規電源模型、電網運行模型等，基于歷史實際運行數據，以2020年新能源接納能力最大為優化目標，分析2020年風電和光伏發電消納能力以及常規電源運行情況。

2.1 邊界條件

算例數據如表1所示。

表1 2020年某省級電網消納能力分析邊界條件

圖4 2020年負荷月電量及月最大負荷

表2 火電機組調峰特性

表3 水電機組調峰特性

圖5 風電和光伏發電全年歸一化出力曲線

同樣，水電機組除了需要滿足表3的調峰特性外，受來水影響，在豐水期以發優質清潔的水電為主，為新能源提供調節的能力降低。受制于2020年水電的周電量約束，其中，該省級電網存在四個水電廠在豐水期4-6月份全部滿發，不提供調峰能力。

2020年火、水電裝機及負荷邊界條件如表4所示，規劃風電和光伏發電裝機容量分別為6200MW和7300MW，其中統調光伏裝機3200MW，非統調光伏裝機4100MW。

表4 消納能力分析基礎計算邊界條件

2.2 2020年規劃新能源消納情況分析

本節基于電網生產模擬模型，分析2020年規劃風電和光伏發電接入后的消納情況以及常規機組發電情況，需要注意的是，2020年統調光伏裝機大幅增長，將對電網生產運行產生實質性的影響，本文設置統調光伏和統調風電在電網調峰能力不足時刻基于各自理論功率等比例限電。

1）總體消納情況。

表5為考慮調峰約束下模擬計算出的2020年新能源消納情況和常規電源運行情況。其中，風力發電量134.68億kW·h，限電量2.16億kW·h，限電率1.60%，風力發電量占全社會總用電量的10%；統調光伏發電量42.57億kW·h，限電量0.32億kW·h，限電率0.75%；非統調光伏發電量55億kW·h，光伏總發電量97.57億kW·h（含非統調和統調光伏），占全社會總用電量的7.2%；火電、水電和抽水蓄能年利用小時數分別為4130.62h、3177.24h和1227.54h。

表52020 年某省級電網新能源消納情況和常規電源運行情況分析

2020年，在常規電源進行調峰和電網進行優化調度的作用下，新能源發電狀況總體良好，存在小幅限電現象，風光限電率不超過2%，主要發生在春節低負荷期間。

表6為2020年測算的各月新能源消納情況。可以看出，風電/光伏受限時間主要集中在1-4月份，其中2月份限電量最高，分別為1.55億kW·h和0.27億kW·h，占全年總限電量的72%和84%，這是因為一季度該省級電網來水量豐富，水電廠以帶基荷為主，調峰為輔，電網調峰能力下降，另外全社會用電量較低，消納新能源的能力不足，引起風電和光伏發電出力受限。圖6為對應的新能源逐月受阻電量分布圖。

表6 2020年各月新能源消納情況計算結果億kW·h

圖6 2020年新能源逐月受阻電量分布

2）具體生產模擬結果

圖7-10為具體的生產模擬結果圖，包括火電機組出力和開機容量曲線、水電機組出力曲線、風電出力和棄風出力曲線、光伏出力和棄光出力曲線。其中，水電機組在4-6月份出力變化幅度偏小，這是因為設置4個水電廠機組在該時間段內滿發，不提供調峰容量，其他時間段內水電出力可以在零到滿發之間調節；為應對新能源發電接入，抽蓄機組可在新能源低谷調峰困難時段抽水，有助于減少火電機組啟停次數，提高新能源發電消納能力。

圖7 火電機組出力和開機容量變化曲線

圖8 水電機組出力變化曲線

圖9 風電實際出力和棄風出力變化曲線

圖10 光伏實際出力和棄光出力變化曲線

3 結語

本文建立了新能源年度生產模擬模型，以某省級電網為例，基于歷史運行數據，對2020年新能源消納能力進行預測，測算了規劃新能源裝機的消納情況以及規劃水平年的新能源消納能力，為新能源發展規劃提供指導。

提高新能源消納能力，可以從電力系統互聯互通水平、電源調節性能和負荷特性三方面因素考慮，具體內容分析如下：

1）電力系統互聯互通水平。新能源資源與負荷呈逆向分布，新能源資源豐富地區通常負荷水平有限，大規模新能源裝機并網后對電力系統送出能力提出較高要求，新能源跨區域外送通道建設是影響新能源消納的關鍵因素；

2）電源調節性能。受資源稟賦影響，電源裝機以燃煤火電機組為主，當前技術條件下火電機組調峰能力有限，無法快速跟蹤新能源出力波動。因此，開展火電機組深調峰技術改造是影響新能源消納的關鍵因素；

3）負荷特性。電力系統運行特性要求發用電實時動態平衡，新能源各時刻出力必須小于等于負荷功率，因此，從提高負荷出力水平的角度出發，實施電能替代和需求側響應是影響新能源消納能力的關鍵因素。

根據本文消納分析結果，在可接受范圍內適度地棄風棄光，有利于風電、光伏等新能源的持續發展和電力電量占比。