新能源電力接入對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的影響思考

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 張 園

在全球能源日益緊缺和綠色理念深入人心的背景下，新能源應(yīng)運(yùn)而生，新能源逐漸融入電網(wǎng)建設(shè)的方方面面。在2022年5月12日的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明領(lǐng)域建設(shè)與改革情況新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)明確提出要加快構(gòu)建新能源供給消納體系，大力推動(dòng)能源革命，有序有力有效推進(jìn)“雙碳”工作。傳統(tǒng)能源的退出必須在新能源安全可靠的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持先立后破，實(shí)現(xiàn)安全降碳。因此，在現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)劃中，新能源電力接入既是大勢(shì)所趨，又是發(fā)展需要，所以應(yīng)考慮到新能源并網(wǎng)造成的系統(tǒng)性問題，精準(zhǔn)地對(duì)電力接入進(jìn)行計(jì)算和評(píng)測(cè)，從而最大限度地發(fā)揮新能源的積極作用，控制新能源接入后對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能源管理和運(yùn)用的轉(zhuǎn)化。

1 新能源電力接入對(duì)于電網(wǎng)性能造成的影響

1.1 對(duì)電網(wǎng)整體功率平衡造成的影響

在電網(wǎng)規(guī)劃中，發(fā)電機(jī)組、電纜網(wǎng)絡(luò)以及終端用戶形成一個(gè)電力供應(yīng)的閉環(huán)，在電力供應(yīng)中，功率應(yīng)維持在穩(wěn)定狀態(tài)，才能夠保證電能的供需平穩(wěn)。然而，電力需求與日俱增，傳統(tǒng)的電力供應(yīng)存在著電壓或者頻率不穩(wěn)定的情況，時(shí)常發(fā)生電網(wǎng)功率的失衡等故障，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃與管理維護(hù)帶來(lái)了諸多困擾。在有功功率波動(dòng)較大時(shí)，發(fā)電側(cè)會(huì)進(jìn)行補(bǔ)給。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)平衡的系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷側(cè)有功功率波動(dòng)時(shí)，特別是波動(dòng)較大時(shí)，將出現(xiàn)有功缺額，有功負(fù)荷波動(dòng)如圖1所示。

圖1 有功負(fù)荷波動(dòng)圖

新能源的電力接入，可以結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行情況調(diào)整能源占比，以此來(lái)平衡電網(wǎng)整體功率，保證電網(wǎng)規(guī)劃的穩(wěn)定性。

1.2 對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響

電網(wǎng)規(guī)劃的核心是通過合理調(diào)配電能，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電力供應(yīng)服務(wù)，發(fā)揮電力行業(yè)的社會(huì)價(jià)值。在電力供應(yīng)過程中，電壓、電流等電能質(zhì)量關(guān)系到用戶的切身體驗(yàn)，同時(shí)也反映出了電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。新能源電力接入，可以有效降低傳統(tǒng)能源主導(dǎo)下的電能質(zhì)量問題。當(dāng)然，電網(wǎng)規(guī)劃也必須充分考慮到新能源自身的波動(dòng)性等，有針對(duì)性地進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)判，從而更好地改善電能整體質(zhì)量。例如，在風(fēng)能發(fā)電接入時(shí)，由于新能源發(fā)電裝置會(huì)產(chǎn)生諧波與直流分量，在諧波與直流分量融入電力系統(tǒng)后，將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變，從而影響電能質(zhì)量。基于此，在新能源并網(wǎng)時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電的峰值、谷值、均值等進(jìn)行測(cè)算，從而規(guī)劃出最為合理的電網(wǎng)模型。如圖2所示，新能源的電力接入，必須結(jié)合其能源特性，通過主站和子站的調(diào)控功能，最大限度地優(yōu)化電能質(zhì)量。

圖2 新能源接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

1.3 對(duì)電網(wǎng)安全保障造成的影響

當(dāng)前，我國(guó)電網(wǎng)體系是基于傳統(tǒng)能源進(jìn)行規(guī)劃的，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強(qiáng)，但在長(zhǎng)期使用過程中不可避免地出現(xiàn)了老化或者磨損，電網(wǎng)的整體安全性有所下降。而新能源電力的接入，必然會(huì)增加電網(wǎng)系統(tǒng)的整體復(fù)雜度，其并網(wǎng)后的電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性難以得到有效的保證。因此，電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)綜合電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模、新能源設(shè)備類型等因素，并通過仿真模擬電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。如在接入風(fēng)力發(fā)電技術(shù)時(shí)，普遍存在孤島問題、低電壓穿越問題等，針對(duì)新能源應(yīng)用中的現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行分析，采取預(yù)防措施，可以確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

2 新能源電力接入的電網(wǎng)規(guī)劃模型探討

在我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是目前技術(shù)相對(duì)成熟、使用較為廣泛的新能源，與傳統(tǒng)能源相比具有環(huán)保性，并且可以循環(huán)利用，但同時(shí)也具有十分明顯的不確定性和不穩(wěn)定性。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃模型設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)構(gòu)建出與之匹配的電力系統(tǒng)模型。利用逐步擴(kuò)展法網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型進(jìn)行計(jì)算，其流程圖如圖3所示。

圖3 逐步擴(kuò)展法網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型流程圖

在保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，盡可能地降低新能源棄電量，提高新能源的利用效率。本文將從電力、電量以及調(diào)峰三項(xiàng)平衡的層面，對(duì)新能源的發(fā)電場(chǎng)景進(jìn)行模擬，探索傳統(tǒng)能源與新能源電力交換和新能源消納的模型。

2.1 新能源發(fā)電場(chǎng)景模擬的基本思路

在常見的新能源中，光伏發(fā)電主要受到日照的影響，相對(duì)比較穩(wěn)定，而風(fēng)電的隨機(jī)性和地域性更強(qiáng)，因而是電網(wǎng)規(guī)劃中新能源接入的重要考察對(duì)象。實(shí)踐中，由于風(fēng)力發(fā)電涉及當(dāng)?shù)仫L(fēng)力、風(fēng)向、氣候等因素的影響，單一時(shí)間內(nèi)測(cè)量的數(shù)值并沒有多少參考性，進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)并不現(xiàn)實(shí)。然而，可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)核算風(fēng)力發(fā)電站一段時(shí)間內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，明確風(fēng)力發(fā)電的特性，預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)存問題，從而為電力接入的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)參考[1]。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的時(shí)間特性和空間特性

在風(fēng)力發(fā)電中，季節(jié)性和晝夜性的影響因素非常明顯。其中，在晝夜性上通常呈現(xiàn)出“一峰一谷”的現(xiàn)象，總體來(lái)說(shuō)白天的風(fēng)力相對(duì)較小，而夜晚的風(fēng)力相對(duì)較大，14時(shí)至20時(shí)的時(shí)間段內(nèi)風(fēng)力往往偏小，因而該時(shí)段的發(fā)電量處于低谷狀態(tài)。而在季節(jié)性上則與地方的氣候尤其是冷空氣活動(dòng)的情況有著密切的關(guān)系，其中冷空氣活動(dòng)較多的季度，發(fā)電量通常都在裝機(jī)容量的40%至70%，而冷空氣活動(dòng)的間隔期內(nèi)發(fā)電量則會(huì)下降到20%至60%，個(gè)別時(shí)間甚至可能會(huì)降至幾乎為零的狀態(tài)，因而對(duì)于電網(wǎng)的整體電力供應(yīng)造成明顯的影響。

在空間屬性方面，風(fēng)力發(fā)電既受到風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)模的影響，同時(shí)也與電場(chǎng)所處的地理位置與環(huán)境有著密切的關(guān)系。實(shí)踐表明，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)群的電力供應(yīng)波動(dòng)最弱，單一風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電力供應(yīng)波動(dòng)次之，單一風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力供應(yīng)波動(dòng)最強(qiáng)。究其根本，是單一波動(dòng)的劇烈程度，會(huì)被集群效應(yīng)所稀釋，逐漸趨向于平穩(wěn)的狀態(tài)。此外，不同位置的風(fēng)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組也會(huì)產(chǎn)生風(fēng)力資源之間的互補(bǔ)和抵消效應(yīng)，從而維持風(fēng)力發(fā)電總量的相對(duì)平衡狀態(tài)，這也就是風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源往往以大規(guī)模集群方式出現(xiàn)的原因。

2.3 風(fēng)力發(fā)電的指標(biāo)評(píng)析與電力接入模型設(shè)計(jì)

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電的時(shí)間和空間特征進(jìn)行分析得知，單一、孤立地評(píng)價(jià)其電力指標(biāo)并不科學(xué)，也不利于電網(wǎng)規(guī)劃，必須從概率學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度進(jìn)行整體性、階段性和長(zhǎng)期性的綜合評(píng)析，才能夠全面地掌握風(fēng)力發(fā)電的基本規(guī)律，進(jìn)而為電網(wǎng)規(guī)劃奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。將P設(shè)定為風(fēng)力發(fā)電的出力系數(shù)，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式可以列為以下公式：

正如上文所述，風(fēng)力發(fā)電既受到時(shí)間因素的影響，也受到空間因素的影響，其波動(dòng)性并不穩(wěn)定且沒有固定的規(guī)律，因而只能通過概率學(xué)的方法對(duì)波動(dòng)率的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而相對(duì)精確地測(cè)定風(fēng)力發(fā)電的出力數(shù)據(jù)，以便為電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)的指標(biāo)預(yù)測(cè)與匹配提供參考。尤其是風(fēng)力發(fā)電在波動(dòng)過程中可能會(huì)從峰值一直下降到接近于0的狀態(tài)，對(duì)于電網(wǎng)的調(diào)峰提出了更高的要求，因而必須在測(cè)算出整體風(fēng)電供應(yīng)量的同時(shí)，做好峰頂和谷底電力供應(yīng)值的調(diào)峰設(shè)定，從而最大限度地減少電力不足以及棄電過多的風(fēng)險(xiǎn)。其公式可以設(shè)定為：

在上述公式中，PW指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，a和b分別表示風(fēng)速以及風(fēng)力發(fā)電的出力參數(shù)，v指的是等效風(fēng)速，c和k則分別表示韋氏分布的尺度參數(shù)與形狀參數(shù)[2]。

2.4 基于新能源消納能力的電網(wǎng)規(guī)劃模型及其算法

在電網(wǎng)規(guī)劃中，新能源電力的接入必須充分考慮新能源的特殊性，在保障用電穩(wěn)定與安全的前提下，盡可能地減少棄電量，使新能源得到最大限度的利用。具體的規(guī)劃模型，應(yīng)當(dāng)采取雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體框架模型如圖4所示。

在雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，下層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)、新能源的出力發(fā)電模型以及相關(guān)的數(shù)據(jù)指標(biāo)；而上層是對(duì)新能源消納能力的精準(zhǔn)計(jì)算。通過對(duì)發(fā)電機(jī)使用周期、電網(wǎng)線路使用年限、系統(tǒng)電量損失、環(huán)境成本等因素，進(jìn)行下層多目標(biāo)成本的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，并予以數(shù)據(jù)優(yōu)化，再對(duì)棄風(fēng)棄光率等新能源消納數(shù)據(jù)的二次優(yōu)化，最終測(cè)算出最為科學(xué)、合理的電網(wǎng)規(guī)劃方案。其中上層指標(biāo)的計(jì)算函數(shù)為：

在該公式中，NT指的是進(jìn)行數(shù)據(jù)研究與測(cè)算的時(shí)段總數(shù)，而Pabd（t）則表示在t時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)因電力負(fù)荷發(fā)生變化，即使進(jìn)行調(diào)峰也無(wú)法有效處理和負(fù)擔(dān)新能源所產(chǎn)生的棄風(fēng)或者棄光電量。

圖4 新能源電力接入電網(wǎng)規(guī)劃雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

3 電網(wǎng)規(guī)劃中新能源電力接入的優(yōu)化策略

在電網(wǎng)規(guī)劃中，新能源電力接入的兼容性等問題已經(jīng)得到了解決，但因新能源消納問題所產(chǎn)生的棄風(fēng)、棄光電量，已成為束縛新能源高質(zhì)高效發(fā)展的一大桎梏，如何切實(shí)有效提升新能源的利用率，從而降低新能源的單位成本、提升能源經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前需要深入思考和嚴(yán)肅對(duì)待的課題。

3.1 新能源儲(chǔ)發(fā)電容量?jī)?yōu)化策略

對(duì)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源進(jìn)行儲(chǔ)發(fā)電，指的是在電網(wǎng)系統(tǒng)上設(shè)置一套儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)，打造出發(fā)電和供電之間的電力儲(chǔ)備站和中轉(zhuǎn)站，從而緩解新能源發(fā)電在波動(dòng)性和間歇性等方面的弱勢(shì)，保證供電、用電一端的電壓、電流穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠有效減少新能源的浪費(fèi)問題。儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)通常由新能源發(fā)電機(jī)組、整流器、逆變器以及智能控制器組成，而儲(chǔ)發(fā)電的容量裝置是最為核心的部分，同時(shí)也是決定前端電力消納率和后端供電穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。關(guān)于儲(chǔ)能容量的計(jì)算，主要采取以下公式：

其中，W是指儲(chǔ)發(fā)電的總?cè)萘浚ㄟ^對(duì)補(bǔ)償周期TE內(nèi)電力輸出功率的均值計(jì)算，可以確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)的輸出總量，進(jìn)而計(jì)算出儲(chǔ)發(fā)電裝備所需設(shè)定的最大容量。在實(shí)踐操作中，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電功率，即PWP（t）高于目標(biāo)輸出功率即Pref時(shí)，超出的電量不再棄置流失，而是轉(zhuǎn)入儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)備，而當(dāng)發(fā)電功率低于輸出功率時(shí)，再?gòu)膬?chǔ)發(fā)電系統(tǒng)中將儲(chǔ)備的電力提取出來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定有序、良性循環(huán)[3]。

3.2 風(fēng)火打捆輸電協(xié)調(diào)優(yōu)化策略

風(fēng)火打捆輸電協(xié)調(diào)實(shí)際上是當(dāng)前火力發(fā)電與新能源發(fā)電并行發(fā)展階段的優(yōu)化策略，通過將傳統(tǒng)火電與新能源電力融合運(yùn)用，可以在大幅減少化石能源使用量的同時(shí)，有效緩解新能源的不穩(wěn)定問題，從而確保大規(guī)模的電網(wǎng)能源供應(yīng)，這是當(dāng)前傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)的最優(yōu)解。

采取打捆輸電的模式，必須明確發(fā)電主體的主次關(guān)系，從目前來(lái)看，該策略主要是應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源發(fā)電可能出現(xiàn)的劇烈電力波動(dòng)問題，因而應(yīng)當(dāng)以新能源發(fā)電為主，尤其是在峰值時(shí)期應(yīng)當(dāng)全部由新能源承擔(dān)發(fā)電任務(wù)。而當(dāng)風(fēng)力、光伏等新能源的供應(yīng)低于基礎(chǔ)值甚至達(dá)到低谷時(shí)，要逐漸加大火力發(fā)電的供應(yīng)量，從而保證供電渠道的穩(wěn)定性。因此，在風(fēng)火打捆輸電模式下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的規(guī)模要占有絕對(duì)的比重，從而最大限度地消納新能源電力，避免能源的流失，而火電機(jī)組主要是承擔(dān)電力調(diào)峰的作用，裝機(jī)比例相對(duì)要低一些。值得說(shuō)明的是，該模式主要適用于大規(guī)模的新能源發(fā)電場(chǎng)，如果發(fā)電基地的整體規(guī)模偏小，火力發(fā)電因機(jī)組將難以起到調(diào)峰作用，抑或是風(fēng)力發(fā)電因占比不足而難以發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)[4]。

3.3 新能源發(fā)電調(diào)度優(yōu)化策略

新能源并網(wǎng)后，將出現(xiàn)大規(guī)模間歇式運(yùn)行問題，該問題將影響電網(wǎng)調(diào)度質(zhì)量，因此需要針對(duì)電網(wǎng)調(diào)度支撐技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合新能源的優(yōu)勢(shì)完善調(diào)度決策支持系統(tǒng)。在電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中，應(yīng)預(yù)測(cè)新能源發(fā)電功率，可以利用預(yù)測(cè)模型分析新能源發(fā)電功率，并不斷完善預(yù)測(cè)模型的適應(yīng)性。新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)流程圖如圖5所示。

現(xiàn)階段，由于我國(guó)技術(shù)受限，并未構(gòu)建完善的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)生產(chǎn)基地，因此對(duì)新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)方面的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)計(jì)算模式進(jìn)行研究分析，進(jìn)而為構(gòu)建數(shù)值天氣預(yù)報(bào)生產(chǎn)基地提供有力支持。當(dāng)前，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電短期功率預(yù)測(cè)方面的研究正在逐步深入，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)多時(shí)空尺度下的調(diào)度目標(biāo)，還需對(duì)新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)臵信度辨識(shí)技術(shù)、風(fēng)電功率精細(xì)化預(yù)測(cè)技術(shù)等進(jìn)行研究，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源綜合優(yōu)化調(diào)度管理目標(biāo)[5]。

圖5 新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在社會(huì)迅速發(fā)展的背景下，人類對(duì)于能源的需求有增無(wú)已，而石油、煤等傳統(tǒng)化石能源的儲(chǔ)量日益枯竭，因此新能源的研發(fā)、引入工作逐漸推進(jìn)。對(duì)此，電網(wǎng)規(guī)劃必須將新能源的電力接入提上日程，并將其作為電網(wǎng)建設(shè)與優(yōu)化發(fā)展的核心要?jiǎng)?wù)。當(dāng)前，電力資源供需市場(chǎng)漸漸呈現(xiàn)出跨區(qū)域、跨類型的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)，電力企業(yè)如何進(jìn)行有效的電網(wǎng)規(guī)劃，利用最小的成本為客戶提供高質(zhì)量的電力資源，是值得深入研究的重要課題，也是我國(guó)新能源可持續(xù)發(fā)展的重要方向。