構建適應高比例大規模可再生能源發展的新一代電力系統

邱燦樹

（廣東電網有限責任公司潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引 言

當前，隨著環保與可持續發展理念的不斷深入，可再生能源得到了更大規模的應用，利用可再生能源進行發電成為相關領域的重要研究內容。但從現階段來看，電力系統在可再生能源比例不斷提升的前提下，其消納問題一直難以得到有效解決。

1 適應高比例大規模可再生能源的新一代電力系統的基本特征

1.1 電力電量平衡概率化

隨著可再生能源發電比例在電力系統中的不斷攀升，使得可再生能源的發電量能夠在一定程度上承擔起負荷平衡的任務，傳統的火電、水電以及核電等機組將不再獨立滿足負荷需求，可再生能源發電也將不再是以往的定位，而是與常規發電的地位近乎相同。由此，電力系統中電力平衡和容量充裕度的概念與方法也將不再固定，而是向著概率性的思路逐步轉化[1]。

1.2 電力系統運行方式多樣化

在以往的電力系統中，由于可再生能源發電僅占有較小的比例，因此負荷變化也呈現出一種規律性，整個電力系統通常只采取相對固定的運行方式，在電力系統規劃中，只需考慮不同時段的典型負荷曲線即可。而當可再生能源發電呈現出高比例和大規模的情況時，電力系統的不確定因素則顯著增多，電力系統將出現更為復雜的邊界條件，這往往需要電網具有更加靈活的結構形態才能確保電網整體仍能安全可靠運行[2]。不僅如此，在這種情況下，傳統的預測方法、規劃方法以及運行方法通常不再適用，必須充分引入不確定因素進行評估和計算[3]。

1.3 電網潮流雙向化

從目前來看，高比例大規模可再生能源發電并入電力系統已成為大勢所趨。在這種情況下，如果局部地區可再生能源發電的電能高于電力系統負荷時，配電網絡將會出現潮流翻轉現象，這很容易導致過電壓問題的出現。在輸電網中，聯絡線的傳輸功率通常較為穩定，為了跨區消納這些多出的電能，聯絡線的功率就很可能出現波動。由此可見，在高比例大規模可再生能源并入電網后，電網的作用將進一步擴展，將更多承擔電能存儲和共享等方面的功能[4]。

1.4 電力系統穩定機理復雜化

隨著高比例大規模可再生能源所產生的電能比例逐漸提升，電力系統中也不可避免地大量增加電子裝備的應用，這些新增的電子裝備會在一定程度上降低系統的慣性，電力系統的穩定機理也將發生變化[5]。具體來看，由于不同的可再生能源接入，且這些接入方式和特點各不相同，很容易導致電力系統的暫態特性難以用現有的經典理論進行解釋和分析。

1.5 電力系統靈活資源稀缺化

由于可再生能源發電存在的不確定因素相對較多，因此當可再生能源在電力系統中所占比例較高時，會導致電力系統出現較為明顯的波動，這對于電力系統的調頻和負荷跟蹤能力無疑有了更高的要求，傳統的機組、儲能以及需求響應等方面難以滿足這些要求，因此必須進行靈活調節。

1.6 電力系統源荷界限模糊化

隨著科學技術的不斷發展，在未來的發展階段中可再生能源在發電行業中的發展前景十分理想，影響力將不斷擴大，集中式及其分布式這兩種不同的格局將得到廣泛的發展，尤其是應用于電動汽車及儲能電站等領域中。除此之外，電力系統將不斷呈現出扁平化的運行特征，屆時電力系統源荷界限也必定更為模糊，這就需要對未來電力系統的運行重新進行規劃。

2 適應高比例大規模可再生能源的新一代電力系統的規劃構建

2.1 影響因素分析

2.1.1 不同電源的出力特性

目前的可再生能源發電主要包括風力發電和光伏發電，這兩種發電方式有著較大的區別，而這兩種發電方式與傳統的火力發電和水力發電同樣有著顯著的區別，通常，常規火電機組的調峰深度在50%～60%，在低谷時期則多為20%～50%，水電調節能力受到水流量的影響，理論上說，水電的調峰是可進行100%調節的，但在枯水期卻往往受到限制。風電的出力特性則取決于風速與風機特性，由于各地區的風力情況不同，因此其出力特性具有顯著的隨機性和波動性。對于光伏發電而言，其出力特性主要受到天氣的影響，一般來說，光伏發電的出力特性與太陽光照強度近似為線性相關關系。

2.1.2 負荷特性與電源出力特性的差異

以我國北方地區某省為例，對負荷特性與可再生能源的出力特性進行分析，不考慮可再生能源情況下調峰需求容量如表1所示。

表1 調峰需求容量

由表格中數據可知，該省份冬季電網負荷相對較高，這可能是由于冬季大量供暖所致，在此基礎上，對該省的日負荷情況做進一步分析發現，該省電網系統平均每天有兩個用電高峰，分別出現在19：00-22：00（冬季）和21：00-22：00（夏季），而在凌晨時期，則處于低谷時段。據此分析，由于光伏發電的處理時間集中在白天，高峰時段集中在午后，因此光伏發電必然會增加該省電力系統的調峰需求，為此光伏發電在分析中將作為負負荷進行考慮。

2.2 可再生能源發電容量的配置

2.2.1 基本結構

要確保高比例大規模可再生能源發展的新一代電力系統的有效構建，則需要有效整合風力發電和光伏發電，并結合儲能裝置以打造新一代電力系統。在該電力系統中，通過對風能和光能的存儲與釋放為電網提供穩定的電力供應，將風力發電和光伏發電不穩定因素帶來的影響降到最低。一般來說，該電力系統的發電部分主要由風力發電機組、太陽能光伏方陣、整流器、逆變器以及智能控制器等組成，同時為了確保該電力系統能夠持續出力，還需要合理選擇儲能裝置，合理配置風力發電和光伏發電所占的比例。具體來看，該電力系統的基本結構如圖1所示。

圖1 電力系統基本結構

2.2.2 容量配置

在儲能裝置容量的選擇上，需要根據該地區的風速和光照歷史數據，計算綜合輸出功率函數，在此基礎上確定儲能裝置的補償周期，計算綜合輸出功率函數在一個補償周期內的積分數值與補償周期的比值，即可得到電力系統在補償周期時間段內的目標輸出功率。當系統實際出力大于目標輸出功率時，超出部分則由儲能系統進行儲存，反之則由儲能系統補充電能缺口。除此之外，為了避免儲能裝置出現過充或過放電的情況，需要合理確定電力系統儲能的存儲時間。考慮到現有的智能化技術已經能夠實現對儲能裝置的實時控制，因此儲能系統的充放電周期設置在2 h左右較為適宜。

2.2.3 不同可再生能源的容量配比

在風力發電和光伏發電的容量配比中，要遵循以下原則，即經過儲能裝置補償后，該電力系統的輸出功率變化率滿足要求的概率達到最大值。在這一原則指導下，考慮到有功功率偏差率、峰谷斜率總和以及輸出功率波動率等因素，建立合理的配比方法。一般來說，在配比過程中先對光伏發電所占部分進行概率統計方面的計算。例如，光伏容量的增加對出力波動性的抑制作用開始減緩，則以此時的光伏容量作為電力系統中的光伏總容量，進而確定不同可再生能源的配比。

2.3 新電力系統的未來展望

目前來看，對于適應高比例大規模可再生能源發展的新一代電力系統的研究已經取得了一定的進展，但仍存在一些改進之處。未來將從以下兩個方面進行更為深入的研究。一方面，將儲能裝置的投資成本納入到約束條件當中，實現更精確的規劃設計，另一方面，隨著新一代電力系統的擴展，推進跨區電力輸送，并在此基礎上進行有效評估。

3 結 論

整體來看，構建適應高比例大規模可再生資源發展的新一代電力系統是響應環保與可持續發展理念的根本要求，必須對此進一步加強研究。研究人員在實踐工作中要注意到可再生資源發電所引入的不確定因素和復雜因素，并加以綜合考慮，確保新一代電力系統的合理構建。