園區受端新型電力系統電力電量再平衡方法

孔慧超，黃學勁，王文鐘，雷一，彭靜*，李海波

（1.廣東電網公司東莞供電局，廣東 東莞 523120； 2.清華四川能源互聯網研究院，成都 610213）

0 引言

目前，工業園區已經成為電力消費的主體，承擔著綠色低碳轉型的重要使命［1］；同時，工業園區的電力供應網絡處于傳統電力系統受端，在新型電力系統的架構下，園區受端電力系統在可靠、優質供電［2］的基礎上還承擔著接納分布式電源，增強需求側響應能力等重要任務［3-5］，在形態上也由純受端逐漸呈現出“源網荷儲”協同［6］和隨機性下電力電量平衡多場景化的特征［7-8］。因此，開展工業園區新型電力系統規劃必須考慮各類園區柔性負荷［9］、儲能［10-12］、分布式電源［13］、電能替代［14-15］和節能［16-17］的作用，并在此基礎上開展電力電量平衡和規劃優化求解［18-19］，從而為新型電力系統規劃和碳減排提供技術支撐。

在新型電力系統規劃、電力電量平衡和降碳效用方面，已有部分學者給出了研究成果。文獻［20］以曲線擬合方式替代傳統斷面式電力電量平衡方法，提出了一種省級新型電力系統源網荷儲一體化電力平衡方法；文獻［21］通過量化最大調節容量，調節時長與電量平衡之間的關系，提出了一種考慮電量平衡的可調節潛力計算方法；文獻［22］構建了一種彈性負荷參與的彈性電力電量平衡模型，以降低電網投資，減小區域電網峰谷差；文獻［23］以新能源與儲能設備的投資為優化目標，提出了一種兼顧短期負荷管理的工業微網長期規劃模型；文獻［24］明確了電力在碳減排中的定位，構建了考慮碳排放外部成本的規劃模型；文獻［25］基于園區能量樞紐模型，提出了能夠提升系統靈活性與可再生能源消納能力的方案并在鎮江某園區進行了規劃實證；文獻［26-28］建立了配電系統接納多種柔性資源后環境、經濟等方面的可持續性評估方法。目前，多數研究都集中在大電網層面，對園區作為受端新型電力系統的電力電量平衡方法研究還相對較少。

本文針對工業園區年度用電量和所需最大供電負荷，提出了一種園區受端新型電力系統電力電量再平衡方法。首先，根據負荷預測的電力電量初平衡結論，考慮園區分布式電源、儲能和柔性負荷的作用進行電力電量再平衡，從而得到園區年度外調電與園區自產電的比例；然后，明確電力電量再平衡對削減最大負荷和變配電規模以及促進園區減少碳排放的量化效用；最后，以我國南方某園區新型電力系統規劃的電力電量平衡為例進行實證。

1 園區新型電力系統架構

工業園區處于電網的受端，電力供應來自多座輸電網部署在園區的變電站。園區內的電能分配主要包含110 kV 高壓配網、10 kV 中壓配網和0.38 kV低壓配網，多數耗電用戶在中低壓配網接入。在新型電力系統構架下，更多用戶接入配電網將使得原有的輸變電規模和高壓配網規模逐漸擴大，用戶側也將就地開發屋頂光伏、分散式風電等電源并配置儲能設施，形成源荷儲一體的新型負荷；同時，為提升自給能力，園區有規模更大的燃氣和生物質發電接入高壓配電網，如圖1所示。

圖1 工業園區新型電力系統架構Fig.1 Architecture of a new power system in an industrial park

本文針對園區級新型電力系統規劃的技術需求，探尋電力電量平衡新方法的應用場景。常規園區電力全部來自外部電網，電力電量平衡通過預測最大負荷和年度用電量來確定變電規模。而在新型電力系統架構下，園區電力分配和供應網絡具備了源網荷儲協同的特征，將常規的電網規劃由“網”去適應負荷，拓展到了園區“源網荷儲”協同4 個維度，因此新的電力電量平衡需要考慮電源與上級電網、負荷、園區內部儲能之間的關系。園區電力系統規劃時必須考慮內部電源參與年度電力電量平衡及其對外調電力負荷的削減作用，從而有效控制電網發展規模，減少低效投資，提高電力設施的利用效率和投資回報率，降低園區用電碳排放因子和促進園區生產降碳，也為外部大電網的安全運行提供有效支撐。

2 電力電量初平衡

首先開展園區未來特定年份的總用電量預測。電量預測一般可采用趨勢外推法、增長系數法、飽和密度法等一種或多種方法綜合確定。本文采用增長系數法模型［29］，未來第i年自然增長的用電量Wi可表達為第i-1 年的用電量乘以第i年的增長系數ai，即

在傳統受端電力系統中，該部分電量都來自外部電網。自然增長條件下，未來第i年最大電力負荷Pi與自然增長的用電量Wi之間的關系可表示為

式中：ti為第i年的最大負荷等效利用小時數。

由此可以得到電網規劃至該年所需的變配電容量為

式中：Rcl，i為第i年為保證電網運行安全所需的容載比。

3 電力電量再平衡

以上為常規的園區供電電網規劃中的電力電量平衡流程，在新型電力系統背景下，節能措施將導致用電需求有所下降，但電能替代會增大電量需求，分布式電源、儲能和柔性負荷會對以上電力電量平衡和電網規模產生更大影響，因此，需要在此基礎上開展電力電量再平衡分析。

3.1 電量再平衡

電量再平衡是指園區負荷的年用電量如何由各類自建電源和大電網來電予以滿足。未來第i年園區在電網側和用戶側推廣節能措施后，若能效在基準年基礎上提高了ηi，定義節能度為（1-ηi），則電量需求變為

考慮特定行業電能替代的新增電量為

式中：Wk，i為園區第i年替代單位體積或單位質量其他能源形式的燃料（煤、油、氣等，共N類）所需的電量（已考慮用電設備的轉換效率）；Dk，i為第i年被替代的第k種非電能源形式的燃料（煤、油、氣等）規模。

可以得到園區第i年的總用電量為

屋頂光伏、燃氣、生物質發電等分布式電源就地接入園區受端電網形成園區新型電力系統新形態，未來第i年園區新增自建電源的并網電量可表示為

式中：L為園區在未來第i年自建投運電源類別數；Pj，i和tj，i分別為未來第i年第j類已投運的自建電源總功率及其全年發電等效小時數。全年發電等效小時數是一個全年時間尺度的概念，盡管在某時刻機組可能會因為故障或檢修處于異常發電狀態，但綜合全年而言，整體的小時數是比較恒定的，不受短時異常狀態的影響。

進而可得到園區第i年所需的外調電量為

3.2 電力再平衡

電力再平衡指負荷的年度最大值如何由內部自建電源功率、電網供電功率、柔性負荷調節功率和儲能放電功率共同支撐予以平衡。除了要面對規劃參數，電力再平衡還需保證運行參數有一定的裕度。

考慮能效提升的作用和特定行業電能替代的影響，起始的電力最大負荷還應疊加電量需求的縮減和新增替代電量的貢獻，其表達式為

式中：t'i為第i年考慮節能效應和電能替代后的最大負荷等效利用小時數，在節能和替代電量占比不高時可近似取ti。

同樣考慮未來第i年各類自建電源在用電負荷高峰時的出力貢獻為

式中：rj，i為未來第i年第j類已投運的自建電源的削峰貢獻系數。該系數定義為第j類自建電源在第i年最大負荷發生時的出力與其裝機容量的比值，它需充分考慮短時間尺度內各類自建電源在調度調節能力上可能會出現的異常狀況的影響，取值既基于已有運行經驗又較為謹慎（一般為了保證規劃結論可靠，取值為極端故障或陰雨氣象條件下的偏小謹慎值）。

同時，考慮儲能和柔性負荷的削峰作用，記為αiP'i，其中αi為儲能和柔性負荷相應的能力系數，一般取0.03～0.06。于是該年實際所需的網供負荷可表示為

電網規劃至該年所需的實際變配電容量為

由此可見，新型電力系統可通過分布式電源、儲能和柔性負荷有效降低所需的實際變配電容量。

綜上所述，該方法對規劃參數（電量、裝機、變配電容量）和運行問題的參數（最大負荷、自建電源出力保障能力、柔性可調節量）均進行了較好的適應。

3.3 再平衡效用評估

電力電量再平衡的效用主要體現在3個方面。

（1）變配電規劃容量縮減，它直接體現電力電量平衡的作用和擬投資輸配電設施的利用率，可以用變配電規劃容量的縮減率來表示，其定義為

（2）園區用電綜合碳排放因子變化。若未來第i年大電網供電的碳排放因子為ei，第j類已投運的自建電源的碳排放因子為ej，i，則可以計算得到園區用電的綜合碳排放因子為

由此可見，若自建電源的碳排放因子小于大電網供電量的碳排放因子，可起到降低園區電力消費碳排放的作用。

（3）電能替代推動園區生產降碳成效。若園區未來第i年某生產用能采用電能替代，在替代前采用其他非電能源形式產生的碳排放量為

式中：ek為第k種非電能源形式消費的碳排放因子。

則完成電能替代后所產生的碳排放量為

電能替代后該工業園區碳排減少量為

4 算例分析

以我國南方某先進制造工業園區為例進行分析，該園區位于粵港澳大灣區核心，占地面積124 km2。以2020 年為基準年，該年的用電量為3.532 TW·h。隨著近期已有招商產業的落戶和產能的擴張以及遠期用能品質的提升，預計園區電力消費量將按照增長率逐漸減緩的趨勢增長，2020 —2025 年增長率為8.0%～15.0%，2026 —2030 年增長率為3.5%～7.0%，2031 —2045 年增長率為1.0%～3.0%，2046 —2060 年增長率為0.8%～1.0%，到2060 年我國碳中和年達到12.263 TW·h；最大負荷利用小時數從6 500 降至6 000 左右；容載比初步設置為2.2。電力電量初平衡結果見表1。

表1 電力電量初平衡Table 1 Initial balance of electric power and energy

接下來開展電力電量再平衡分析。根據該園區節能降耗工作規劃，分2020 —2025 年、2025 —2035 年和2035 —2060 年3 個階段將提升3 百分點（每個階段提升1 百分點），相應的節能率及節能電量如圖2 所示。預計2027 年后該園區天然氣消耗量將穩定在1.93億m3/a，計劃于2040 —2060年推進新電氣化進程，將其中的0.43 億m3/a的天然氣用新電氣化替代，替代方式為4 kW·h 電代替1 m3天然氣，其實施進程如圖3所示。

圖2 園區能效提升計劃Fig.2 Energy efficiency improvement plan for the park

圖3 新電氣化進程Fig.3 New electrification process

在基準年基礎上，該園區計劃新增的分布式燃氣機組和光伏裝機信息見表2。其中光伏根據當地條件按照年利用小時數1 000、燃氣按照最終年利用小時數5 000（新投運機組前一兩年適當降低）考慮其產電電量。

表2 新增燃氣和光伏裝機Table 2 Newly installed gas turbine and PV capacities

儲能和柔性負荷的削峰作用按照僅考慮節能和電能替代，不考慮自建分布式電源電力電量調節作用下起始最大負荷的6%設定；設定燃氣機組以110 kV 電壓等級并網，削峰貢獻系數為0.5；柔性負荷與儲能、分布式光伏均位于10 kV 及以下的中低壓配網側，分布式光伏的削峰貢獻系數為0.15。該園區“雙碳”目標下電力電量再平衡結果見表3。由表3可見：變配電規模有了較大幅度降低，內部自建電源為園區用電提供了23%的電量；削減了輸電網供最大負荷的18%，其中光伏、儲能及柔性負荷削減了110 kV 變配電規模，而燃氣機組在此基礎上還對220 kV及以上電網的輸變電規模進行了削減。

基于表1 和表3 的數據，根據式（13）計算可知，2030年和2060年，變配電規劃容量的縮減率分別為10.10%和9.57%，其中110 kV 變電站的規模縮減率分別為11.1%和10.7%。由此可見，新型電力系統電力電量再平衡方法為降低變配電設施規模，從而提高其使用率提供了清晰的量化參考結果。

若2030 我國碳達峰年網供電量的碳排放因子為0.6 kg/（kW·h），園區內部氣電和光伏發電電量的碳排放因子分別按照0.44，0.01 kg/（kW·h）考慮，根據各部分電量按照碳排放因子權重賦權平均，按照式（14）計算得到該園區2030年的用電綜合碳排放因子為0.54 kg/（kW·h）。內部自建電源有力促進了園區的降碳，為碳達峰作出積極貢獻。

若2060 我國碳中和年該園區的用電綜合碳排放因子降至0.1 kg/（kW·h），按照以上新電氣化進程推進電代氣。天然氣碳排放因子取1.76 kg/m3，按照式（15）—（17）計算可得每年替代0.43 億m3天然氣直接減少的碳排放量為7.57 萬t，而新增172 GW·h 用電產生的碳排放量為1.72 萬t，實現減碳5.85 萬t/a。可見，碳達峰后擇機有序推進電代氣的新電氣化進程可為實現碳中和發揮重要作用。

5 結束語

本文介紹了一種面向工業園區受端新型電力系統的電力電量平衡方法，建立了電力電量再平衡效用評價指標，能夠比較準確地評估電網規模的控制能力以及低碳效應的量化水平，可為工業園區電網規劃、綠色轉型路徑制定提供參考。算例表明：2030 年園區變配電規劃容量可縮減10.1%，園區用電綜合碳排放因子可由0.60 kg/（kW·h）降至0.54 kg/（kW·h）；2060 年園區變配電規劃容量可縮減9.57%，電代氣可實現減碳5.85 萬t/a。