“雙碳”背景下基于數(shù)據(jù)挖掘的新能源消納綠色管理

新疆昌吉供電公司 王怡如 吳海燕

1 引言

大量的二氧化碳?xì)怏w會在化石能源消納的過程中排放，這將在一定的程度提升地球表面溫度。這一現(xiàn)象是得到科學(xué)認(rèn)可和證實(shí)的，因此發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)低碳環(huán)保政策是目前環(huán)保形式的必經(jīng)之路。我國所提出的“雙碳”目標(biāo)對實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展有著建設(shè)性的作用，所謂“雙碳”目標(biāo)也就是“2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[1]。然而，電力行業(yè)作為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”的核心部分，有責(zé)任促使電能進(jìn)行低碳轉(zhuǎn)型，形成以新能源為標(biāo)志的新型發(fā)電設(shè)備。在這種宏觀調(diào)控的有力舉措下，電力行業(yè)的發(fā)電技術(shù)將逐漸趨于成熟化，過高的成本也將隨之趨于常態(tài)化，這就促使新能源的裝機(jī)容量大幅度上升。

國際可再生能源署（Irena）在2021年發(fā)布的數(shù)據(jù)中顯示，我國電力行業(yè)的發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁，已有超3億kW的風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量，發(fā)電量已經(jīng)超過6000億kWh，在短短的10年時間其發(fā)電量增長了4倍有余。到2021年，中國新一代風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量以達(dá)到4757萬kW，成為“十三五”計(jì)劃以來的第二大發(fā)電量，明顯展示了風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展的勢頭[2]。

中國已經(jīng)明確表示，相較于2005年，中國單位GDP二氧化碳排放量到2030年將下降65%以上；非化石能源占一次能源消費(fèi)的比例將達(dá)到25%左右，風(fēng)能和太陽能的總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。然而，因風(fēng)力和光伏發(fā)電技術(shù)自身特點(diǎn)的限制、新能源設(shè)備布局的不協(xié)調(diào)及反向的電力負(fù)荷分布，致使新能源設(shè)備在大量介入電力系統(tǒng)的過程中出現(xiàn)電力不足、風(fēng)電和光伏廢棄等現(xiàn)象。長此以往，輸出機(jī)組將會受到一定的程度的沖擊，導(dǎo)致電產(chǎn)能枯竭。因此，進(jìn)一步開發(fā)和挖掘靈活的監(jiān)管資源迫在眉睫。

2 “雙碳”背景下我國新能源發(fā)展情況

在面對世界各地的環(huán)境污染與資源不足的問題上，新能源的開發(fā)已成為世界的焦點(diǎn)話題。若以時代和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求為基礎(chǔ)，我國的新能源消納正在以驚人的速度增長。2021年年底，在能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)中顯示，我國發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到23億8000萬kW，相較于同期增長比例為7.9%。其中，涵蓋太陽能發(fā)電裝機(jī)近3.1億kW，相較于同期有20.9%的增長比例；風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)近3.3億kW，相較于同期有16.6%增長比例%[3]。在國家的宏觀政策的大力調(diào)控下，我國新能源的快速發(fā)展已經(jīng)促使裝機(jī)容量位居世界首位。然而，在裝機(jī)容量的快速增長之下，其自身已經(jīng)成為新能源消納的組成部分。因此，基于我國能源環(huán)境和社會政策的現(xiàn)實(shí)境況，才能更好地解決當(dāng)下的新能源消納問題。

溯其根本，“雙碳”目標(biāo)就是將社會存在的全部二氧化碳排放總量進(jìn)行控制和規(guī)劃，以各領(lǐng)域和各企業(yè)共同承擔(dān)的形式存在。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2021年度化石燃料的碳排放量將一直呈現(xiàn)出上升趨勢，上升幅度在4.1%至5.7%，而2022年全球碳排放量預(yù)計(jì)將會達(dá)到364億噸。事實(shí)證明，在建筑、交通、制造等行業(yè)中都可利用電能降低碳排放。因此，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)將是實(shí)現(xiàn)全社會目標(biāo)的根基。

現(xiàn)階段，新能源的低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳”的有力舉措，從根源上控制二氧化碳排放問題。在此等背景之下，我國新能源裝機(jī)容量大致將在碳峰值和碳中和兩個階段，分別達(dá)到1.2×109kW、6×109kW。然而，在新能源接入比例持續(xù)增加之下，新能源消納將是系統(tǒng)需要面對的新問題。新能源的消納實(shí)質(zhì)上就是瞬時功率平衡問題。新能源所具有的波動性和隨機(jī)性，促使其需要在靈活調(diào)整資源的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時匹配和跟蹤，而當(dāng)靈活調(diào)整資源欠缺時，就會出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。目前，以火電機(jī)組進(jìn)行的靈活改造、電網(wǎng)互聯(lián)與輸電、響應(yīng)需求等消納，其能源空間完全不足以支撐新能源的使用速度。在這種狀況下，針對于新能源系統(tǒng)的建設(shè)完全可能會因消納問題而陷入發(fā)展瓶頸，導(dǎo)致“雙碳”目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。因此，開發(fā)和挖掘增量資源，靈活調(diào)整資源已迫在眉睫。

新能源消納水平作為目前共享儲能商業(yè)模式中，最具發(fā)展前景和實(shí)用條件的應(yīng)用場景之一，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段。在“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)過程中，新能源消納壓力也將隨之提升。共享儲能將為新能源消納提供超具靈活性的資源調(diào)整，且市場需求強(qiáng)勁，商業(yè)前景良好。新能源消納情景的標(biāo)準(zhǔn)框架如圖1所示。將新能源放于儲能市場的交易上，其交易對象便為棄電期間的儲能資源使用權(quán)，當(dāng)達(dá)到交易的新能源站棄電時，共享儲能設(shè)施將根據(jù)交易結(jié)果存儲棄電。此外，當(dāng)設(shè)施的電力存儲容量完全共享時，設(shè)施可以參與電力調(diào)度。當(dāng)電網(wǎng)處于高峰負(fù)荷或低產(chǎn)電量時，共享儲能設(shè)施將以調(diào)度指令釋放儲能；完成廢動力的時空轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)這部分新能源動力的消納。

圖1 雙碳背景下新能源消納場景

然而，相關(guān)部門通過推動新能源消納領(lǐng)域的方式進(jìn)行宏觀調(diào)控和共享儲能商業(yè)模式時，便以此促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，但這種方式卻缺乏系統(tǒng)的評估標(biāo)準(zhǔn)和方法[4]。因此，將迫切需要構(gòu)建一套能夠綜合評估此情景運(yùn)行情況的評估指標(biāo)體系，為共享儲能項(xiàng)目的建設(shè)投資、市場運(yùn)行規(guī)則修訂與完善、電力市場的可持續(xù)發(fā)展、激勵與評估機(jī)制的監(jiān)督等提供決策參考。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘的新能源消納評估模型

本文將通過具體案例詳細(xì)介紹本發(fā)明所提供的技術(shù)方案。針對一種新能源最終消納能力的評估方法，其中包括單站、分區(qū)和全網(wǎng)三個步驟。圖2為單站新能源極限消納能力評估流程圖；圖3為分區(qū)及全網(wǎng)新能源最終消納能力評估流程圖。

圖2 單站新能源極限消納能力評估

圖3 分區(qū)、全網(wǎng)新能源極限消納能力評估

每個步驟的具體實(shí)施應(yīng)按照以下子步驟進(jìn)行。

3.1 單站新能源極限消納能力評估

3.1.1 挖掘數(shù)據(jù)

收集存儲系統(tǒng)中運(yùn)行模式、穩(wěn)定極限等數(shù)據(jù)文件，在BPA典型運(yùn)行模式下挖掘文件中的數(shù)據(jù)信息。所需提取的歷史數(shù)據(jù)信息中主要包括：運(yùn)行模式下可調(diào)機(jī)組的額定容量、實(shí)際出力和分區(qū)、業(yè)主名稱、新能源接入廠站的負(fù)荷、分區(qū)名稱和電壓等級，發(fā)電廠出線母線名稱等。常見的數(shù)據(jù)文件卡片類型如表1所示。

表1 BPA數(shù)據(jù)文件常用卡片

3.1.2 模擬接入

模擬新能源接入相當(dāng)于在系統(tǒng)中連接負(fù)載和負(fù)有功功率。同時，其連接的無功功率滿足恒定功率因數(shù)。在具體實(shí)施過程中，需要以節(jié)點(diǎn)名稱、電壓等級和分區(qū)名稱，將數(shù)據(jù)線定位在數(shù)據(jù)文件下，以訪問工廠和車站，并在原始負(fù)載數(shù)據(jù)下添加新的能源訪問電源。

3.1.3 智能調(diào)整

在模擬新能源接入后，為了維持系統(tǒng)的有功功率平衡，有必要降低發(fā)電廠的出力。發(fā)電廠的原始輸出和實(shí)際輸出來自新能源的總接入容量，通過計(jì)算后可以得到修正后的輸出調(diào)整系數(shù)。

3.1.4 潮流計(jì)算

通過調(diào)用系統(tǒng)分析軟件psd bpa實(shí)現(xiàn)潮流計(jì)算，其迭代算法采用牛頓-拉斐遜法[5]。如果當(dāng)前運(yùn)行模式計(jì)算收斂，可以獲得潮流解，并根據(jù)相關(guān)設(shè)備的名稱、電壓等級和分區(qū)從輸出結(jié)果文件中挖掘相關(guān)的潮流信息。

3.1.5 約束校驗(yàn)

這些約束包括除電廠出線外的220kV線路的正常載流量約束、n-1計(jì)算期間的事故載流量約束、正常運(yùn)行期間200kV線路的穩(wěn)定極限約束，220kV變壓器在正常運(yùn)行期間的功率限制和200kV變壓器在正常運(yùn)行期間的穩(wěn)定極限限制。如果當(dāng)前的模擬接入容量滿足約束條件，迭代過程將繼續(xù)。為了提高計(jì)算速度，迭代步長采用變步長；如果不滿足當(dāng)前接入容量下的任何約束，則輸出迭代過程中的最后一個接入容量，此時的功率為電站的最大接入容量限制。

3.2 分區(qū)、全網(wǎng)新能源極限消納能力評估

分區(qū)、全網(wǎng)新能源極限消納能力步驟1～4同單站新能源極限消納能力評估。完成以上步驟后進(jìn)行以下內(nèi)容：

3.2.1 參數(shù)擬合

為了建立新能源極限消納能力模型并用數(shù)值分析方法進(jìn)行優(yōu)化，需要根據(jù)不同的約束條件建立多項(xiàng)式約束方程，擬合多項(xiàng)式約束函數(shù)的方程系數(shù)。約束方程包括除電廠出線外220kV線路的正常載流能力約束、n-1計(jì)算中事故載流能力約束、200kV線路正常運(yùn)行時的穩(wěn)定極限約束，220kV變壓器正常運(yùn)行時的功率約束。擬合算法采用最小二乘法。利用蒙特卡羅方法對訓(xùn)練樣本進(jìn)行采樣，得到潮流計(jì)算的新能源接入容量。樣本數(shù)量與接入工廠和站點(diǎn)的數(shù)量成正比。

3.2.2 建立模型

分別建立不同區(qū)域和整個網(wǎng)絡(luò)的新能源極限消納能力模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

公式（1）中，Pi為第i個廠站的新能源接入能力，N為新能源接入廠站總數(shù)。優(yōu)化模型中的約束函數(shù)如下：

公式（2）中Ai.j，Bi.j，Cj是通過最小二乘法獲得的j約束擬合多項(xiàng)式函數(shù)的二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，Yj是第j個約束的邊界值，相對于線路，Yj是載流能力或穩(wěn)定極限的上限。相對于變壓器，Yj是額定容量或穩(wěn)定極限容量的上限，Pi.max代表第i個電站接入容量的上限值。

3.2.3 優(yōu)化求解

通過調(diào)用解算器對非線性規(guī)劃模型進(jìn)行優(yōu)化和求解。如果可以找到當(dāng)前問題的最優(yōu)解，則輸出結(jié)果包括當(dāng)前新能源接入容量、最佳接入工廠和站點(diǎn)位置以及工廠和站點(diǎn)的最佳接入容量之和。通過以上步驟，可以分別得到單站、分區(qū)和整個網(wǎng)絡(luò)的最終新能源消納能力的評估結(jié)果。分區(qū)優(yōu)化前，應(yīng)提供單站優(yōu)化結(jié)果作為單站接入容量上限，在整個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化之前，應(yīng)提供每個分區(qū)的優(yōu)化結(jié)果，作為接入工廠和站點(diǎn)的初始選擇，以及每個站點(diǎn)的接入容量上限。

4 “雙碳”背景下新能源消納綠色管理措施

4.1 新能源廣泛普及

國家和地方政府應(yīng)大力宣傳新能源電力在人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面所起到的保障作用，鼓勵群眾和企業(yè)以電代替燃油、煤炭等不可再生的污染能源，降低煤炭和燃油因排放而造成的污染，同時也改善因經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的環(huán)境污染，解決近期新能源消納中存在的問題。

4.2 以提高新能源消納能力為核心目標(biāo)

通信壓力、新能源預(yù)測和負(fù)荷時差是系統(tǒng)全局優(yōu)化所需考慮的對象，從空間尺度和時間尺度兩個維度開展新能源的能量管理策略。空間尺度是指通過上下層區(qū)域的層次優(yōu)化模型，而時間尺度上則是對于日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度兩個階段的高效分配。這種在時間尺度和空間尺度的統(tǒng)籌配合下，實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)行。

4.3 針對新能源進(jìn)行調(diào)度管理

新能源在調(diào)度方面所呈現(xiàn)出的效果具有很強(qiáng)的顯著性，以改變早期計(jì)量方式和應(yīng)用智能化的信息的形式進(jìn)行調(diào)度，能夠在一定程度上提升新能源系統(tǒng)的儲備容量。我國各省市及相關(guān)機(jī)構(gòu)針對新能源消納技術(shù)的管理發(fā)布了一系列的政策法規(guī)，并對其提出了明確的指示和要求。但在新能源消納和開發(fā)過程中，仍需不斷提高相應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行能力，確保獲得新能源后系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。

4.4 提高新能源發(fā)電接入容量

在用戶和企業(yè)吸收新能源的過程中，通過調(diào)整影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的因素，提高分散發(fā)電的最大可接受接入水平，在原有布線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算流量和短路，提高了分布式光伏陣列的最大接入容量。通過對舊的新能源運(yùn)營模式的研究和改造，可以滿足現(xiàn)代企業(yè)和國家發(fā)展對儲能、智能電網(wǎng)建設(shè)和自動化配置的需求，通過提高新能源的接入能力實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，新能源消納面臨新的機(jī)遇，其開發(fā)的力度也在逐漸加強(qiáng)，而機(jī)遇與挑戰(zhàn)也將并行。本文針對新能源在調(diào)度方面的合理規(guī)劃方法、消納的適應(yīng)性測量方法、建立充分考慮新能源優(yōu)化的模型及相關(guān)管理策略研究進(jìn)行了深入的研究，為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和人民的生活需要，有越來越多的能源需求來支持發(fā)展。傳統(tǒng)的能源使用大多存在不可回收和污染的問題，這對新能源的發(fā)展尤為重要。由于我國配電方式的改革，新能源的合理高效開發(fā)和消納需要依靠科學(xué)綠色的管理手段來實(shí)現(xiàn)。