跨省互聯電網的新能源消納互濟方法研究

姚德全 陳衛中 鄭寧敏 陳世勇 鄭子墨

（1 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003 2 閩粵聯網電力運營有限公司 福建漳州 363301）

0 引言

加快能源結構轉型升級、促進區域能源協調發展是貫徹新發展理念、構建新發展格局的必然要求，對于落實碳達峰碳中和部署、構建現代能源體系具有重要意義［1］。為統籌我國資源與負荷分布不均衡、促進新能源消納，我國已建設多個跨省特高壓輸送通道，有力支撐新型電力系統建設。

隨著新能源規模的持續增長，不少學者對新能源跨省消納進行了思考和研究：文獻［2］分析了我國新能源的發展形勢和棄風棄光特點，從電源側、電網側和用電側提出促進大規模新能源消納的技術措施；文獻［3-5］基于實時電力數據，以新能源跨區消納為目標，測算跨省送電的消納優化模型；文獻［6］建立了考慮外送通道的電力系統調度隨機模型，分析了外送通道對風電資源跨區消納的影響；文獻［7］針對多區域互聯系統的協調調度問題，提出了1 種考慮跨區聯絡線交易計劃的分散調度方法。

目前，大部分研究主要基于送受端省份相對明確的潮流輸送優化、調節能力提升以及新能源消納調度運營策略等領域，研究對象著重于單個省份。對于發用電自平衡能力相對較強的電力互聯省份，聯網線路往往僅發揮應急備用、聯絡等作用，在促進新能源消納互濟方面仍有挖潛空間。本文結合閩粵聯網線路，以福建和廣東為例，探索2 省新能源消納互濟的調度運營模式，促進提升聯網線路發揮社會價值，使新能源電力在更大范圍內優化配置。

1 新能源消納能力分析

1.1 新能源消納制約因素

風電、光伏出力可控性較差，具有隨機性、波動性，以及難于預測等特點。由于風、光的資源特性，新能源出力存在隨機性和波動性。風電日波動最大幅度可達裝機容量的80%，且呈現一定的反調峰特性。光伏發電受晝夜變化、天氣變化、移動云層的影響，同樣存在間歇性和波動性。

新能源高比例接入電力系統后，增加了系統調節的負擔，常規電源不僅要跟隨負荷變化，還需要平衡新能源的出力波動［8］。新能源出力超過系統調節范圍時，必須控制出力以保證系統動態平衡，否則就會產生棄風、棄光。在未來大規模開發新能源的情況下，將對電網運行產生較大的壓力。

結合文獻［3-5］研究成果，影響新能源消納的主要制約因素包括新能源出力特性、系統負荷特性、系統調節能力、電網傳輸調度能力等方面。前三者主要是電力系統依靠自身電源負荷結構與變化特性，實現波動性負荷與電源相匹配的過程，后者則是借助外來電網實現新能源在更大范圍內消納。

1.2 新能源消納空間

在內部無網絡約束的電力系統中，新能源消納需要滿足發、用電動態平衡和系統調節能力下限約束。對于孤立的區域電網，負荷曲線與系統電力裝機的最小技術出力形成的空間，疊加抽蓄、儲能的最大調節能力，即為理論上新能源的最大消納空間［9］，如圖1 所示。

圖1 新能源消納空間示意圖

含外送聯絡線的電力系統，可將聯絡線功率與負荷曲線等效為孤立的電力系統負荷曲線。若新能源疊加常規電源（含抽蓄等調節性電源）最小技術出力超過負荷功率時，則超出部分則為棄新能源電量；若負荷曲線超出常規電源最大技術出力，則表明系統供電能力不足，存在缺電現象。系統t 時刻最大可消納的新能源電力空間Px（t）可表示如式（1）。

式中：L（t）為系統t 時刻的負荷功率；Gc，i，max、Gc，i，min分別為系 統中第i 臺常規機組的最大出力和最小技術出力；βi為第i 臺常規機組的調峰深度；β 為系統內所有常規機組的平均調峰深度。

2 新能源消納互濟的跨省調度優化方法

2.1 跨省新能源消納的電網調度模型

發用電自平衡能力相對較強的聯網省份，新能源消納著重以省內自平衡為主；在省內無法消納、產生棄新能源電量的情況下，再通過聯絡線路外送，實現跨省新能源消納互濟［10］。

以A、B 兩省的系統總運行成本經濟最優為目標，考慮各類型機組的運行成本及環境成本，并對棄新能源電量設定懲罰成本，以促使新能源消納，建立的調度運行目標函數見式（2）。

式中：F 為系統總運行的成本，F1、F2分別為兩省的系統運行成本。i 為機組編號，m1，n1分別為A 省常規電源、新能源機組（或者場站）的總數；a1，i，b1，i，分別為A省常規電源、新能源第i臺機組的單位電量運行成本；Gc1，i（t）、P1，i（t）分別為A省常規電源、新能源第i臺機組對應t 時刻的發電出力；W（t）為t 時刻外送功率，外送電時定義為正值，E 為外送電度電成本，考慮兩省互為聯絡時，兩省外送/購電成本相同。S1（t）為A 省t 時刻棄新能源功率，c1對應為懲罰性棄電成本。同理，下標為2 的對應為B 省的機組參數。

各電源類型中，火電機組除了運行成本外，還需要考慮其碳排放的環境治理成本；核電、水電運行成本不考慮碳排放成本；新能源運行成本主要為人工及運維成本，為促使新能源消納，計算過程中可簡化取0 值。由此，目標函數可簡化為式（3）。

式中：棄新能源電力功率與新能源消納空間有關，新能源發電出力超出消納空間的部分為棄新能源電力。結合式（1）可知，新能源棄電功率為式（4）。

調度運行的約束條件主要包括系統運行約束、常規機組的發電約束2 個方面：系統運行約束主要包括電力平衡、負荷備用、輸電聯絡線等方面約束；常規機組約束主要包括機組功率約束、爬坡速度、啟停時間等方面約束［11］。結合約束條件可計算出滿足系統新能源消納的跨省聯合調度的運行方式。

2.2 跨省調度運營優化方法

以新能源省內就地消納為主、滿足系統運行成本最優并可通過聯網線路實現消納互濟的運營思路，進行優化聯網線路的跨省調度方案，主要步驟如下：

（1）建立省級電力系統運行模型。包括2 省的電源規模與結構、電力需求及負荷特性、各類電源運行的技術經濟指標，跨省區輸電規模及方向（為簡化計算，可將2 省聯絡線外的其他外來電與負荷進行等效處理）。

（2）省內機組運行計劃初步安排。預測次日最高負荷，根據次日常規機組檢修、開停機情況、以及電力市場交易情況、各電源出力計劃，按照電網調度運行模型優化目標，安排2 省電網機組的組合和經濟調度開機容量。

（3）計算2 省日內新能源消納空間。根據當前新能源出力、超短期功率預測、負荷水平及常規機組運行工況，計算未來時刻省內及鄰省的備用和調峰容量，預判2 省電網的新能源消納空間。

（4）制定日前聯絡線運行計劃。結合新能源出力預測曲線比較，分析是否存在新能源出力超過新能源消納空間的情況。針對新能源出力超出新能源消納空間的情況，安排通過聯網線路進行外送。結合聯網線路的輸送功率限制、新能源出力盈余情況，得出聯網線路的日前電力輸送計劃。

（5）優化省內機組安排。根據聯網線路的日前聯絡線功率計劃、棄電功率，計算出2 省考慮聯絡線功率交換及棄電功率后的等效負荷曲線。結合省內機組計劃初步安排情況，進一步優化2 省電網的機組組合和經濟調度。

（6）實時調整聯網線路的運行功率。結合2 省風電日內消納的空間計算，優化省內機組出力方式，實時調整聯網線路的運行功率，保障新能源電力在2 省范圍內消納。

3 閩粵新能源消納互濟分析

以閩粵聯網為例，開展對閩粵新能源消納互濟模式研究。廣東和福建同處于沿海地區，電源裝機結構、負荷特性等相似但又有所不同，隨著新能源大幅開發，存在新能源消納不足的現象。2022 年在建的閩粵聯網線路功能定位為“互補余缺、互為備用、緊急事故支援”，在物理上實現了閩粵互聯，為2 省新能源消納互濟創造了條件。

3.1 閩粵新能源消納能力分析

結合閩粵2025 年的規劃電源結構，按照滿足閩粵負荷預測需求的情況，安排日機組開停機計劃，并結合新能源出力情況進行調節電源出力，以滿足負荷與電源出力匹配，實現清潔電源消納。在規劃的電源方案、負荷時點出力曲線中，按照新能源預測出力進行初步優化全省機組安排，滿足負荷需求的情況下，2 省的負荷曲線及開機的常規電源最大最小技術出力如圖2、圖3 所示。

圖2 福建省2025 年負荷與電源出力曲線圖

圖3 廣東省2025 年負荷與電源出力曲線圖

由初步測算的運行結果可知，圖2、圖3 中的負荷曲線均在常規電源最小技術出力、最大技術出力的范圍內，表明全省開機方式可以滿足負荷消納需求。在考慮疊加新能源出力后，全省最小的電源出力曲線在部分時段會超過負荷曲線，表明由于新能源隨機出力的特性，電網存在新能源消納能力不足的情況，需要考慮需求側響應存儲、外送、棄電等方式予以解決。

分析出現新能源消納不足的情況，主要出現在負荷低谷時段疊加風電出力大發的現象。選取2025 年、2030 年數據進行計算，若不考慮發揮閩粵聯網線路的清潔電源互濟作用，則福建、廣東2025 年、2030 年新能源消納情況如表1。測算結果表明，福建及廣東省電力系統調節能力較強，全年存在0.1%～0.4%左右的棄新能源電量，滿足電力系統運行的棄電要求。

表1 閩粵2025 年及2030 年新能源消納情況表

3.2 新能源消納互濟的優化運營測算

為進一步降低新能源棄電情況，結合閩粵聯網線路的輸送能力及消納水平，低谷時段可通過外送互濟，提升新能源消納率。例如福建省存在棄電時，而廣東省具備新能源消納空間，則考慮福建盈余新能源電力送往廣東省消納；若同時出現消納不足的情況，則通過聯合優化調度，滿足新能源消納的最大需求。

按照跨省電網調度運營優化模型，以促進清潔能源消納為目標，對2025 年、2030 年閩粵2 省出現電力盈余的情況進行聯合優化調度，發揮閩粵聯網清潔電源互濟作用見圖4 和圖5。經優化后，測算的結果見表2。

表2 閩粵2 省新能源消納互濟優化表

圖4 聯網線路2025 年新能源消納互濟輸送潮流圖

圖5 聯網線路2030 年新能源消納互濟輸送潮流圖

通過優化調度聯網工程滿足新能源消納后，2025 年、2030年閩粵聯網工程互濟的總電量分別約為1.42、1.04 億kWh；福建省2025 年、2030 年新能源消納率分別由99.81%、99.76%提升至100%；廣東省仍有部分盈余電量，2025 年、2030 年新能源消納率分別由99.61%、99.93%提升至99.79%、99.96%。分析表明，新能源裝機規模越大，存在低谷時段無法消納的現象則更加頻繁，需要大規模增加調節性電源，或者增大聯網工程的互濟電量，可進一步提升新能源消納需求。

隨著碳達峰、碳中和的推進實施，新型電力系統中的新能源發電出力比重將不斷提高，不可控電源逐年增大，對系統調節能力的需求也逐步擴大，存在新能源低谷時段消納不足的情況也將頻繁出現。在滿足新能源完全消納的情況下，需要投入低谷尖峰時段（低谷尖峰時段，即為負荷低谷時，新能源電力盈余特別突出的時段）調節性儲能的需求規模巨大，但利用水平又相對較低。發揮聯網線路消納互濟的功能，可減少棄電現象并降低低谷尖峰時段的儲能需求，節約全社會投資成本。

4 結語

新能源開發及跨省跨區消納，是貫徹碳達峰碳中和“全國一盤棋” 的重要舉措。充分發揮跨省互聯電網的消納互濟作用，可促進互聯省份新能源消納、提升聯網線路的利用效率，同時也可以大幅降低保障新能源消納的調節性電源建設。通過跨省互聯電網聯合調度運行，可在省內自主消納的基礎上，優化電力消納互濟能力，滿足新能源消納需求。閩粵聯網工程實例表明，跨省聯合調度優化運營，為2 省提升新能源消納能力，支撐海上風電、光伏等新能源快速發展提供了重要保障。