雙碳目標下新能源消納能力提升方法研究

溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著當今世界人口的過度增長以及石油、煤炭等常規化石能源日益枯竭，能源危機已經成為世界各國發展面臨的首要問題。我國已將發展清潔能源作為應對能源危機與環境惡化的有效手段之一，其中新能源的合理利用成為國內外的研究重點，分布式光伏與風電并網發電技術的研究與應用已成為未來能源發展的必然方向。如圖1所示，我國新能源并網裝機和消納總量高速增長，但隨之也帶來很多問題亟需解決[1]。

圖1 我國風電和太陽能裝機容量示意圖

現有的文獻研究中，針對新能源消納能力提升方面的研究主要集中于兩方面：一方面，對新能源節點接入的電網進行網架改造，主要在功角穩定下科學建模后進行仿真分析，剖析新能源裝機容量上升對電網的影響，仿真結果表明，合理降低系統最小允許負荷水平是現階段增強電力系統消納光伏電源能力的主要方法，但實際此類方法并不被電網企業采納，原因在于一來其與供電企業的定位和鼓勵用電促進地區經濟增長的愿景不符，二來有新能源并網的電力系統負荷特性與凈負荷特性在時間尺度上并不匹配。因此，降低系統最小允許負荷實際上不能有效解決電網對新能源消納能力受限的問題。另一方面，通過改善電網負荷特征提高電網對分布式新能源的消納能力，改善電網負荷特征主要可分為儲能技術結合應用與轉移負荷兩個方面。轉移負荷方法是以用戶需求作為出發點，將價格響應、激勵響應作為調節機制，爭取最大程度上調整甚至改變用戶的傳統用電行為，實際上轉移負荷的方法并不能提高區域電網的消納能力，另外，此方法成本過高，因而并不被電網企業所采用。鑒于此，需要采用儲能技術解決電力系統對新能源接納能力不足的問題，本文著重對這方面展開分析。

1 新能源消納空間理論分析

假如本地區的電力系統潮流無發、輸、配、變、用五個方面的安全約束，無事故N-1原則下的出力約束，無斷面過載等特殊情況，新能源發電系統只需滿足發電機組與負荷消耗的動態平衡、區域電力系統發電曲線的下限約束、聯絡線路上的通道輸送安全約束，并對事故情況留有一定容量的正備用，則理論上新能源最大消納空間位于負荷曲線與電力系統發電曲線的下限約束之間，如圖2所示。

圖2 地區電網新能源消納空間示意圖

本地區的電力系統在t時刻可消納新能源最大空間出力的功率約束[2]為：

式中：PDG.i（t）為t時刻第i臺分布式新能源注入電網的有功功率；Pf（t）為t時刻電網中負荷消耗功率；Pl（t）為t時刻電網中聯絡線外送的有功功率；R+為t時刻電網中事故正備用留下的有功功率常數；Pg.i（t）為t時刻電網中第i臺常規機組的有功功率；m為本地區的電力系統所有的分布式新能源數量和；N為本地區的電力系統所有的常規機組的數量和。

顯然，在考慮最大程度消納新能源的情況下，地區調度應降低事故正備用，讓調節速度快的機組盡可能參與運行，減少常規機組開機。

本地區電力系統可消納新能源最大空間應是功率約束式（1）對時間的曲線積分：

從積分曲線來看，孤立系統的新能源消納能力主要取決于電源的總體調節性能、負荷電量以及負荷峰谷差。電源調節性能越好，負荷電量越高，峰谷差越小。儲能調節系統在需求側做出響應剛好可以提高上包圍積分曲線，下降下約束曲線，從而擴大新能源的消納空間，本文下一節將針對新能源消納能力進行具體分析。

2 配置儲能系統下的新能源消納能力分析

現有文獻主要研究通過常規機組為系統提供備用調節容量來解決風光等新能源出力波動的問題，從而提高新能源的消納能力；或研究在源側配置儲能系統，抑制新能源出力波動的同時，使得新能源具有一定的可控性，從而提高片區對可再生新能源的消納水平。本文利用儲能系統獨特的電源和負荷雙重屬性，通過降低負荷峰谷差，跟蹤新能源發電，平抑新能源并網波動，來提升地區電網對新能源的消納能力。在新能源出力功率高于負荷時，儲能系統可作為儲存負荷將多余功率進行存儲，減少棄光棄風，從而提高新能源的利用率；而在新能源發電不足時，儲能可充當電源，將原本儲存的能量釋放出來，為饋線上的負荷供電。

在進行安全性運行約束條件計算時，分布式新能源和并網的配電網有功功率應滿足系統運行的功率平衡約束，假定其公式如下：

式中：PDG.i、QDG.i為分布式新能源注入電網的有功功率和無功功率；n為某一節點上所有的分布式新能源數量和；PDW、QDW為電網注入的有功功率和無功功率；PL、QL為電網負載有功功率和無功功率；PLoss、QLoss為電網有功功率損耗和無功功率損耗。

配電網中大量的分布式新能源并網使得配網的消納能力受到了一定的限制，存在如母線電壓越限、饋線載流量越限等風險，故電壓的安全性運行約束條件為[3]：

式中：Ui、UN為節點電壓值與電網電壓額定值；Uimin、Uimax為節點電壓值最小值與最大值；α為電壓偏移系數，一般取7%。

10 kV饋線以及升壓變壓器的載流量需防止并網線路長時間過載運行，故電流的安全性運行約束條件為：

式中：Ii、IiE為線路負載電流值與線路負載電流額定值；Si、SiE為變壓器負載容量與變壓器負載容量額定值。

儲能系統跟蹤節點電壓的變化進行無功功率的動態輸出，當節點電壓Ui大于儲能電壓上限Ui.cnmax時應該減少輸出的無功功率；當節點電壓Ui小于儲能電壓下限Ui.cnmin時應該增大輸出的無功功率；當節點電壓處于儲能電壓上限與下限之間時，儲能輸出的無功功率QCN維持設定值QSD不變。故儲能無功功率的安全性運行約束條件為：

儲能系統跟蹤節點電壓的變化率dUi進行有功功率PCN的動態輸出，且儲能放電功率與充電功率需要保持一定的平衡，一定時間內的放電次數也需滿足要求，故儲能有功功率的安全性運行約束條件為：

式中：dUqdi.cn為儲能電壓變化率啟動閾值；WF、WC為儲能放電與充電平均功率；TF、TC為儲能放電與充電周期；ηF、ηC為儲能放電與充電效率。

從調度SCADA系統中獲取某地區6月—9月的負荷數據與儲能系統的充放電曲線，代入上式進行條件約束，得到儲能系統充放電主動消納曲線，如圖3所示。圖3中前兩個時段未計及儲能系統；后兩個時段按照調度指令主動消納電能，降低網架重載運行的風險，獲取當前電網的模型和各項出力數據進行電量平衡計算與配電網潮流計算，然后判斷是否滿足安全性運行約束條件，不滿足時下發指令調整儲能進行充放電參與電網調節。不難發現，儲能技術能平穩有效地抑制地區負荷的峰谷差，提高新能源最大利用發電效率，進而實現發電、用電在時空上的解耦，有效緩解電力供需之間的矛盾。

圖3 雙碳目標下儲能系統充放電主動消納曲線

3 結語

我國明確提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標，而電力降碳是實現這個目標的關鍵因素，因此當前的首要任務就是推動發電側轉型，減少火力發電，提倡水電或新能源的并網接入。但現階段的電網非正常運行方式下，新能源機組常常因其出力的間接性、隨機性或故障區段未供電面臨主動或被動制約出力，導致片區內可再生能源利用率大打折扣的問題。本文針對以上現狀及問題提出在發電側配置儲能系統的措施，融合SCADA系統數據給出一種基于儲能調節模式的電網新能源消納方法，并進行了實時曲線分析。結果表明，儲能參與電網新能源消納調節，可使電網消納分布式電源發電的能力得到明顯提高。