含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃評(píng)價(jià)體系初探

黃裕春, 文福拴, 楊甲甲, 劉衛(wèi)東, 俞敏, 曾平良

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州市 310027; 2. 廣州供電局有限公司,廣州市 510310;3. 文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系, 斯里巴加灣市 BE1410;4. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,杭州市 310008; 5. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

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含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃評(píng)價(jià)體系初探

黃裕春1,2, 文福拴1,3, 楊甲甲1, 劉衛(wèi)東4, 俞敏4, 曾平良5

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州市 310027; 2. 廣州供電局有限公司,廣州市 510310;3. 文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系, 斯里巴加灣市 BE1410;4. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,杭州市 310008; 5. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

首先概述了在風(fēng)電和光電方面發(fā)展比較領(lǐng)先的國(guó)家在電力系統(tǒng)規(guī)劃評(píng)價(jià)方面已取得的成果和經(jīng)驗(yàn)。然后, 分析了高滲透率間歇性電源并網(wǎng)與電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃之間的相互影響, 并在此基礎(chǔ)上對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系做了初步探索。以傳統(tǒng)指標(biāo)體系為基礎(chǔ),引入了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、接納間歇性電源最大能力、輸電能力、間歇性電源可置信容量及污染物減排量等指標(biāo), 來(lái)評(píng)估間歇性可再生能源規(guī)模化并網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量、靈活性、環(huán)保性等。最后, 針對(duì)巴西南部46節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的2個(gè)備選網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案對(duì)所提評(píng)價(jià)指標(biāo)體系做了說(shuō)明。分析結(jié)果表明,間歇性電源接入電力系統(tǒng)的適應(yīng)程度對(duì)電力系統(tǒng)接納間歇性電源的能力和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)具有重要影響, 因此在確定電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案時(shí)需要在經(jīng)濟(jì)性與對(duì)間歇性電源并網(wǎng)的適應(yīng)性方面適當(dāng)折衷。

間歇性可再生電源; 高滲透率; 電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃; 綜合評(píng)價(jià); 指標(biāo)體系

0 引 言

以煤為代表的一次能源逐步衰竭以及環(huán)境問(wèn)題趨于惡化促進(jìn)了風(fēng)力和光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。截至2010年底, 我國(guó)可再生能源總裝機(jī)容量達(dá)263 GW, 占總裝機(jī)容量的26%, 擔(dān)負(fù)著超過(guò)9%的最終電能消費(fèi)[1]。就風(fēng)電而言, 2011年內(nèi)我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)20 GW; 累計(jì)總裝機(jī)容量已達(dá)62.364 GW, 位居世界第一。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè), 到2020年中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量占全國(guó)總裝機(jī)容量的百分比將達(dá)到20%。

間歇性電源的容量滲透率一般定義為風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性電源的裝機(jī)容量與電力系統(tǒng)負(fù)荷峰值的比率[2]。高速發(fā)展的風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)正在促使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的間歇性電源的滲透率趨于上升。通常, 間歇性電源滲透率達(dá)到或超過(guò)20%就可認(rèn)為達(dá)到高滲透率的水平[3]。不過(guò), 到目前為止, 對(duì)于高滲透率的定義, 國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界還有很多爭(zhēng)議。在本文中, 高滲透率泛指這樣一種狀態(tài): 電力系統(tǒng)中間歇性電源的容量對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行具有明顯的影響, 在規(guī)劃過(guò)程中必須適當(dāng)考慮。

高滲透率的間歇性電源并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃提出了新的要求和挑戰(zhàn)。由于具有強(qiáng)不確定性的風(fēng)電、光伏發(fā)電等出力基本不可控,會(huì)引起系統(tǒng)潮流頻繁波動(dòng), 甚至潮流方向經(jīng)常發(fā)生變化。因此, 高滲透率的間歇性電源并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性提出了更高的要求。風(fēng)、光等自然能源依賴自然氣候條件的變化，已有研究表明, 地區(qū)氣象條件一般遵循某種概率分布規(guī)律[4]。這意味著可再生能源發(fā)電不像傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組如火電機(jī)組、核電機(jī)組等能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行, 其出力水平具有一定的變化規(guī)律。另一方面, 電力網(wǎng)絡(luò)投資和規(guī)劃時(shí)一般要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用壽命很長(zhǎng), 如何綜合評(píng)價(jià)電力網(wǎng)絡(luò)的利用率, 提高運(yùn)行效率, 是評(píng)價(jià)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的一個(gè)重要方面?，F(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法鮮有考慮電源出力的間歇性和波動(dòng)性等因素, 也沒(méi)能量化表征由此引起的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量和靈活性等。根據(jù)北美電力可靠性協(xié)會(huì)(North American electric reliability corporation, NERC)規(guī)劃委員會(huì)的要求, 規(guī)劃人員必須充分考慮間歇性電源對(duì)電力系統(tǒng)的影響, 在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)需要設(shè)計(jì)和制定必要的章程和方法, 以保證電力系統(tǒng)的可靠性[5]。因此, 有必要研究適應(yīng)高滲透率間歇性電源接入電力系統(tǒng)的綜合規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法, 建立一套合適的評(píng)價(jià)體系。

到目前為止, 國(guó)內(nèi)外尚未形成比較成熟的針對(duì)高滲透率間歇性電源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法。已有研究考慮的不夠全面和系統(tǒng)。從總體上講, 國(guó)外對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行比較重視, 對(duì)間歇性電源并網(wǎng)后的影響主要關(guān)注其對(duì)系統(tǒng)可靠性方面的影響[5-7]。就筆者所知, 國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步。文獻(xiàn)[2]提出了電力網(wǎng)絡(luò)評(píng)估時(shí)需要計(jì)及故障前發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)的電網(wǎng)全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn), 并將穩(wěn)定設(shè)施費(fèi)用和停電風(fēng)險(xiǎn)損失計(jì)入電網(wǎng)規(guī)劃方案的綜合年費(fèi)用中。文獻(xiàn)[8]提出了評(píng)估智能電網(wǎng)低碳性能的指標(biāo)體系, 但沒(méi)有涉及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[9]討論了含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案優(yōu)選方法, 提出了由電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、充裕性、安全穩(wěn)定性、間歇性電源接入容量和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)構(gòu)成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

綜上所述, 有些電力系統(tǒng)規(guī)劃評(píng)價(jià)方面的研究已經(jīng)初步考慮了高滲透率間歇性電源并網(wǎng)后的新特點(diǎn)與要求。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，含高滲透率間歇性電源的電力系統(tǒng)一般具有不確定性因素?cái)?shù)量多、程度強(qiáng)、潮流方向多變、不同電壓等級(jí)多點(diǎn)集中與分布式分散接入并存等特征。在對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 需要研究如下問(wèn)題: 間歇性電源的不確定性影響涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的哪些方面， 如何對(duì)這些影響進(jìn)行量化表征， 如何綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方案的優(yōu)劣等。本文就這些問(wèn)題進(jìn)行探討, 并初步構(gòu)建針對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 國(guó)際經(jīng)驗(yàn)

間歇性電源大量接入電力系統(tǒng)后, 其發(fā)電出力的間歇性與波動(dòng)性會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)明顯的影響。為此, 一些國(guó)家結(jié)合自身特點(diǎn)在系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行調(diào)度、穩(wěn)定控制、防災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域做了探索和研究。下面介紹在風(fēng)電和光伏發(fā)電方面發(fā)展比較領(lǐng)先的一些國(guó)家和地區(qū)就電力系統(tǒng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)方面所做的工作。

得益于政府對(duì)間歇性能源研究與開(kāi)發(fā)的重視, 美國(guó)的風(fēng)電和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在全球領(lǐng)先。為應(yīng)對(duì)大量并網(wǎng)間歇性電源出力的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊, 美國(guó)的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要圍繞系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性展開(kāi)[10-12]。其中, 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃目標(biāo)、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)、網(wǎng)絡(luò)輸電能力、電力系統(tǒng)規(guī)劃模型和設(shè)備老化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這幾個(gè)方面是側(cè)重點(diǎn)。面對(duì)間歇性電源并網(wǎng)滲透率的逐步提高, 電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作需要做相應(yīng)的調(diào)整。考慮到間歇性電源出力的不確定性, 在系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)考慮必要的靈活性被認(rèn)為是關(guān)鍵的解決辦法之一[5]。為此, 文獻(xiàn)[5]提出了一些描述系統(tǒng)靈活性的指標(biāo), 如表1所示。如何將上述靈活性指標(biāo)落實(shí)到電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作之中是值得關(guān)注的問(wèn)題。

表1 電力系統(tǒng)靈活性指標(biāo)

Table 1 Flexibility indices of power system

歐洲各國(guó)電力系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是跨度小、輸電線路短、穩(wěn)定裕度大、電力市場(chǎng)相對(duì)成熟[13]。隨著間歇性電源的持續(xù)發(fā)展, 以前建成的電力網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)。根據(jù)歐盟TradeWind項(xiàng)目發(fā)布的《風(fēng)電并網(wǎng)——為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)展歐洲電力市場(chǎng)》(integrating wind-developing European power market for the large-scale integration of wind power)[6], 制約歐洲消納大規(guī)模間歇性電源能力的關(guān)鍵在于各國(guó)電力系統(tǒng)的互聯(lián)不夠強(qiáng)壯和歐洲電力市場(chǎng)的僵化與分散。增強(qiáng)歐洲跨境電力系統(tǒng)的互聯(lián)和增加彼此間的電能交換以充分利用間歇性電源在地域上的互補(bǔ)性, 成為保證含高滲透率間歇性能源的歐洲電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最好辦法。因此, 歐洲在跨境電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中主要考慮跨境輸電容量 (cross-border transmission capacity)、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性、市場(chǎng)效率等方面?？缇齿旊娔芰礊榭紤]系統(tǒng)安全約束后相關(guān)聯(lián)絡(luò)線的最大輸電能力。對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性分析通常采用成本-收益評(píng)估方法。成本主要為運(yùn)行成本, 一般包括燃料費(fèi)、廢氣排放費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等。收益則主要為因電力網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建而減少的運(yùn)行費(fèi)用的下降, 如網(wǎng)損下降、備用成本減少等。系統(tǒng)安全約束主要考慮“N-1”安全性問(wèn)題。市場(chǎng)效率則主要考慮網(wǎng)絡(luò)輸電能力能否滿足市場(chǎng)的資源配置需要。

澳大利亞致力于到2020年實(shí)現(xiàn)全國(guó)20%電能來(lái)自太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的目標(biāo)[14], 這樣就需要努力解決如何消納間歇性可再生能源發(fā)電的問(wèn)題。澳洲可再生能源發(fā)電富裕的地區(qū)多數(shù)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心, 這樣隨著可再生能源發(fā)電的發(fā)展, 區(qū)域電力系統(tǒng)間互聯(lián)線路的負(fù)載呈現(xiàn)持續(xù)加重的趨勢(shì)。為此, 澳大利亞在進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)除了考慮傳統(tǒng)因素如年度規(guī)劃、項(xiàng)目評(píng)估、可靠性標(biāo)準(zhǔn)、收入測(cè)定、資產(chǎn)管理、服務(wù)激勵(lì)計(jì)劃、用戶接入系統(tǒng)及投資約束等因素外[7], 還將努力提高各區(qū)域電力系統(tǒng)間的互聯(lián)強(qiáng)度作為重點(diǎn)考慮因素。

上述國(guó)家在應(yīng)對(duì)消納間歇性電源、潮流波動(dòng)頻繁、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加及安全穩(wěn)定控制壓力加大等問(wèn)題時(shí)體現(xiàn)了以下幾點(diǎn)共性思路。

(1) 更加注重風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)。在具有強(qiáng)不確定性的間歇性電源并網(wǎng)后, 由于間歇性電源的出力難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè), 電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)加大。尤其是在電力市場(chǎng)環(huán)境下, 電價(jià)波動(dòng)與需求變化情況更加復(fù)雜, 若決策不慎, 就可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。上述情況是否會(huì)頻繁出現(xiàn), 與系統(tǒng)規(guī)劃密切相關(guān)。因此, 在系統(tǒng)規(guī)劃階段, 就需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理, 適當(dāng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

(2) 更加注重源-網(wǎng)間協(xié)調(diào)發(fā)展與電力網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸電能力。間歇性電源的建設(shè)工期一般比電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工期短, 源和網(wǎng)的建設(shè)不同步可能導(dǎo)致間歇性電源出力就地消納或電能外送困難。很多國(guó)家對(duì)源-網(wǎng)間建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展非常重視, 這個(gè)問(wèn)題在電力市場(chǎng)環(huán)境下尤為重要。我國(guó)雖然還沒(méi)有真正意義上的電力市場(chǎng), 但廠網(wǎng)分開(kāi)后, 如何對(duì)源-網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行協(xié)調(diào)也是一個(gè)值得重視的問(wèn)題。中國(guó)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)在《2012重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)電消納監(jiān)管報(bào)告》中提及, 風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃與輸電系統(tǒng)規(guī)劃、風(fēng)電電源建設(shè)與輸電系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)該保持一致性, 需要落實(shí)風(fēng)力發(fā)電的跨區(qū)消納輸送通道的建設(shè)工作[15]。

(3) 更加注重供電可靠性與供電質(zhì)量。大量間歇性電源接入電力系統(tǒng), 對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)度與控制、發(fā)輸電備用容量等方面提出了更高的要求。在發(fā)電出力具有強(qiáng)不確定性的情況下, 系統(tǒng)安全性與可靠性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn), 這與用戶側(cè)對(duì)供電可靠性要求的不斷提高相背離。為此, 需要對(duì)高滲透率間歇性電源并網(wǎng)后的供電可靠性給予充分重視。另一方面, 伴隨間歇性電源而來(lái)的大量用于控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)的電力電子器件容易引起供電質(zhì)量問(wèn)題, 譬如電壓波動(dòng)與畸變等。在制定間歇性電源入網(wǎng)條件時(shí), 很多國(guó)家都采用了嚴(yán)格的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(4)注重財(cái)務(wù)分析和經(jīng)濟(jì)性分析。電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃涉及的時(shí)間跨度很大。在高滲透率間歇性電源并網(wǎng)的背景下, 電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目是否具有資本回收能力、是否值得投建等問(wèn)題, 對(duì)間歇性電源和電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)展具有重要影響。因此, 在電力系統(tǒng)規(guī)劃階段就非常重視對(duì)工程項(xiàng)目的財(cái)務(wù)與經(jīng)濟(jì)分析, 一般都是針對(duì)項(xiàng)目的整個(gè)生命周期運(yùn)用成本-收益分析法對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行詳盡的分析, 力求發(fā)掘電力設(shè)備的最大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(5)環(huán)保成本意識(shí)逐漸提升。由于間歇性可再生電源是清潔無(wú)污染的, 因而在很多國(guó)家受到重視。為提高間歇性可再生電源在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力, 不少國(guó)家在電力規(guī)劃評(píng)估中引入環(huán)保性指標(biāo)。法國(guó)在進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)考慮環(huán)保成本[16]。澳大利亞則在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)考察風(fēng)電場(chǎng)置信容量的相關(guān)指標(biāo), 旨在評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)真正參與發(fā)電的比重[7]。

2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于前面介紹的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)和共性思路, 在對(duì)計(jì)及間歇性電源高滲透接入的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 有必要在傳統(tǒng)的規(guī)劃方案評(píng)價(jià)體系[17]的基礎(chǔ)上, 增加能夠反映運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、源-網(wǎng)協(xié)調(diào)、供電質(zhì)量、系統(tǒng)靈活性以及環(huán)保性等方面的評(píng)估指標(biāo), 為政府主管機(jī)構(gòu)確定最終的規(guī)劃方案提供技術(shù)支持。

通過(guò)對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力系統(tǒng)特性進(jìn)行分析, 可將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分為4個(gè)一級(jí)指標(biāo),10個(gè)二級(jí)指標(biāo)以及13個(gè)三級(jí)指標(biāo), 如圖1所示。

圖1 電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.1 Evaluation index system for power network planning

圖1所示的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)分別從不同方面表征電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃項(xiàng)目的特點(diǎn): (1) 經(jīng)濟(jì)性主要從是否具有資本回收能力即經(jīng)濟(jì)上是否可行的角度來(lái)表征規(guī)劃項(xiàng)目, 與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比, 在對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)需要更加謹(jǐn)慎考慮其成本-收益和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn); (2)供電質(zhì)量指標(biāo)用于考察具有高滲透率間歇性電源情況下電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量水平, 間歇性電源由于能源間歇變化、采用電力電子器件進(jìn)行功率控制等原因難以避免惡化供電質(zhì)量, 該項(xiàng)指標(biāo)旨在描述不同的規(guī)劃方案在含有高滲透率間歇性電源時(shí)所引起的系統(tǒng)供電質(zhì)量差異; (3)靈活性用于表征電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)間歇性電源功率波動(dòng)變化的能力; (4)環(huán)保性指標(biāo)則用于描述電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案在環(huán)保方面的貢獻(xiàn)程度, 通過(guò)設(shè)置間歇性電源可置信容量以及污染物減排量2個(gè)二級(jí)指標(biāo), 從環(huán)保角度表征間歇性電源發(fā)電的消納量和減排貢獻(xiàn)。整個(gè)指標(biāo)體系分別從規(guī)劃方案的全生命周期經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施后的供電質(zhì)量情況、未來(lái)可接納間歇性電源的能力以及在環(huán)境保護(hù)方面的貢獻(xiàn)4個(gè)方面來(lái)表征, 較為全面地反映了規(guī)劃人員對(duì)含高滲透率間歇性電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)需求。

3 指標(biāo)含義與計(jì)算

3.1 經(jīng)濟(jì)性屬性指標(biāo)

電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃作為整個(gè)電力系統(tǒng)規(guī)劃的一個(gè)重要組成部分, 其經(jīng)濟(jì)性分析是必不可少的。圍繞待建電力網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目從成本、收益、風(fēng)險(xiǎn)等各個(gè)方面開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性分析, 從而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)劃項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制。這里給出的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括全壽命周期成本(CLCC)、投資收益(PII)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)(ROR)3個(gè)方面。

(1)全壽命周期成本。全壽命周期內(nèi)所發(fā)生的總費(fèi)用主要包括: 系統(tǒng)一次投資成本CIC、系統(tǒng)運(yùn)行成本COC、故障引起的缺供電損失成本CFC、設(shè)備報(bào)廢成本CDC。系統(tǒng)全壽命周期成本計(jì)算如式(1)所示。

CLCC=CIC+COC+CFC+CDC

(1)

CIC指在輸電規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)、改造和調(diào)試期間內(nèi)、正式投運(yùn)前付出的一次性成本, 包括系統(tǒng)運(yùn)行期間更換設(shè)備的投入成本。可按式(2)計(jì)算。

(2)

式中:An為待選電力設(shè)備集合;μk為設(shè)備k的投資建設(shè)成本;Zk為k的0-l決策變量, 若k加入網(wǎng)絡(luò), 則Zk=l, 否則Zk=0;M為系統(tǒng)壽命年限;p為綜合資本成本率, 指考慮了銀行利率、漲價(jià)因素、籌資風(fēng)險(xiǎn)等因素的全部長(zhǎng)期資本的成本率。

COC主要包括能耗費(fèi)、人工費(fèi)、環(huán)境費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)等, 其計(jì)算方法如式(3)所示。

(3)

式中:υk為設(shè)備k的運(yùn)行維護(hù)成本;a為平均售電價(jià);W為系統(tǒng)有功損耗;T為系統(tǒng)年平均供電時(shí)間。

CFC指系統(tǒng)中設(shè)備、元件發(fā)生隨機(jī)停運(yùn)造成電力中斷供應(yīng)所引起的賠償成本, 可按式(4)計(jì)算。

(4)

式中:ωk為設(shè)備k發(fā)生故障時(shí)的賠償單價(jià);Rk和Tk分別為設(shè)備k發(fā)生故障引起的停電功率期望和停電時(shí)間期望;i為故障統(tǒng)計(jì)年份。

CDC指設(shè)備壽命周期結(jié)束后, 為處理該設(shè)備所需支付的費(fèi)用, 可按式(5)計(jì)算。

(5)

式中dk為設(shè)備k的報(bào)廢成本。

(2)投資收益。投資收益指標(biāo)主要考察規(guī)劃項(xiàng)目的投資回收能力和盈利能力。這里采用規(guī)劃項(xiàng)目的投資回收期Pt和凈現(xiàn)值VNPV2個(gè)子指標(biāo)的綜合指標(biāo)PII, 計(jì)算方法如式(6)所示, 細(xì)節(jié)可參照文獻(xiàn)[18]。

(6)

(3)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。間歇性可再生電源出力的不確定性使得電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)所需考慮的風(fēng)險(xiǎn)因素增多、程度加大。間歇性可再生電源依賴的自然氣象條件復(fù)雜多變, 其發(fā)電控制技術(shù)尚未成熟, 發(fā)電成本又相對(duì)較高而在電力市場(chǎng)中沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 這些因素要求電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員考慮規(guī)劃項(xiàng)目可能遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)。最典型的風(fēng)險(xiǎn)包括停電風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)和政策風(fēng)險(xiǎn)。多種不確定性因素一起作用對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性會(huì)產(chǎn)生很負(fù)面的影響, 停電風(fēng)險(xiǎn)會(huì)較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)明顯增大。另外, 由于激勵(lì)政策變化或市場(chǎng)情況變化等因素可能導(dǎo)致間歇性可再生能源發(fā)電規(guī)模萎縮, 從而造成規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目的利用率過(guò)低,經(jīng)濟(jì)性大幅下降。在本文中, 將運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)ROR定義為停電風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RF、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RM及政策風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RP的綜合, 用式(7)表示:

ROR=RF⊕RM⊕RP

(7)

RF描述電力網(wǎng)絡(luò)故障引起的停電事故的可能性。已經(jīng)有不少評(píng)估停電風(fēng)險(xiǎn)的方法, 例如基于風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值 (value at risk, VaR)和條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值(conditional value at risk, CVaR)的評(píng)估方法[19]。這里采用基于對(duì)電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析, 進(jìn)而采用1～9標(biāo)度法[20]的方式進(jìn)行綜合評(píng)估, 具體細(xì)節(jié)如表2所示。

表2 停電風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)劃分

Table 2 Classifications of outage risk indices

RM描述電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案在未來(lái)市場(chǎng)上由于電能供需變化導(dǎo)致效用降低的可能性。電力網(wǎng)絡(luò)作為電能傳輸媒介, 發(fā)電緊缺或電力需求萎縮都會(huì)使得電力網(wǎng)絡(luò)利用率下降, 拉低其運(yùn)營(yíng)效益。以風(fēng)電和光電為主的間歇性可再生能源開(kāi)發(fā)技術(shù)成熟度差別較大, 尚未進(jìn)入商業(yè)化大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段, 發(fā)電成本相對(duì)高昂, 面對(duì)傳統(tǒng)化石能源發(fā)電技術(shù)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)力不足。另外, 間歇性能源開(kāi)發(fā)規(guī)劃相對(duì)較小, 氣象條件限制下發(fā)電場(chǎng)選址定容的靈活性大。為此, 在對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃時(shí)必須考慮規(guī)劃方案的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。一般難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn), 可采用標(biāo)度法進(jìn)行評(píng)估，如表3所示。

表3 市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)劃分

Table 3 Classifications of market risk indices

RP描述電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案對(duì)未來(lái)激勵(lì)政策變動(dòng)引起效用減低的可能性。目前, 間歇性可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展在很大程度上是由于國(guó)家激勵(lì)政策的作用, 譬如節(jié)能降耗、投資補(bǔ)貼政策等。隨著間歇性可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展, 預(yù)期這些激勵(lì)性政策會(huì)慢慢淡出, 屆時(shí)間歇性可再生能源發(fā)電只能通過(guò)自身優(yōu)勢(shì)獲得持續(xù)發(fā)展。服務(wù)于高滲透率間歇性能源發(fā)電并網(wǎng)的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案不得不考慮政策動(dòng)態(tài)變化可能帶來(lái)的影響。對(duì)政策風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的評(píng)估同樣可采取標(biāo)度法, 細(xì)節(jié)見(jiàn)表4。

表4 政策風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)劃分

Table 4 Classifications of policy risk indices

3.2 供電質(zhì)量屬性指標(biāo)

電力網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量指向受電端提供合格、可靠電能的能力和程度, 一般包括供電可靠性和電能質(zhì)量2個(gè)主要方面。供電可靠性指系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí), 在輸變電元件容量、母線電壓和系統(tǒng)頻率等處于允許范圍內(nèi), 考慮元件計(jì)劃停運(yùn)以及合理的非計(jì)劃停運(yùn)條件下, 向用戶提供全部所需電力和電量的能力。高滲透率間歇性能源發(fā)電會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響, 其出力的波動(dòng)性與不確定性對(duì)電流和電壓的影響尤甚。因此, 本文在考慮供電質(zhì)量指標(biāo)設(shè)置時(shí), 兼顧了供電可靠性與電能質(zhì)量, 從時(shí)間、概率、質(zhì)量多方面進(jìn)行考核。定義了持續(xù)供電能力、電能質(zhì)量、輸電充裕度3個(gè)二級(jí)指標(biāo), 以及7個(gè)相應(yīng)的三級(jí)指標(biāo), 具體如圖1所示。供電質(zhì)量指標(biāo)類所包括的各項(xiàng)指標(biāo)的含義及計(jì)算方法可參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義[21], 這里不再贅述。

3.3 靈活性屬性指標(biāo)

電力網(wǎng)絡(luò)的主要功能是按調(diào)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)電力輸送。 電力網(wǎng)絡(luò)是否具有靈活性, 歸根到底取決于其能否實(shí)現(xiàn)電能靈活輸送。電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)功率輸送變化的能力越強(qiáng), 可接納間歇性電源的能力就越大, 電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性則越高。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為電力系統(tǒng)中的“靈活資源”能夠增加電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性, 這些“靈活資源”包括常規(guī)機(jī)組備用、聯(lián)絡(luò)線輸電能力、儲(chǔ)能能力以及需求側(cè)響應(yīng)等多個(gè)方面。文獻(xiàn)[22]則把靈活性定義為系統(tǒng)響應(yīng)凈負(fù)荷 (凈負(fù)荷指由非間歇性電源供電的負(fù)荷) 變化的調(diào)配資源能力; 在評(píng)估時(shí)同樣把文獻(xiàn)[10]所描述的“靈活資源”納入考慮范圍。文獻(xiàn)[10]和[22]對(duì)靈活性的定義雖然不完全一致, 但在評(píng)估靈活性時(shí)所考慮的內(nèi)容則非常相似。因此, 這里把靈活性指標(biāo)具體化為接納間歇性電源能力、靈活響應(yīng)能力這2個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

用于表征長(zhǎng)期靈活性程度的接納間歇性電源最大能力指標(biāo)是針對(duì)間歇性可再生電源大規(guī)模并網(wǎng)而提出的新指標(biāo), 目前尚無(wú)明確定義, 也沒(méi)有權(quán)威部門認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)接納間歇性電源能力的相關(guān)研究[23-25], 這里將接納間歇性電源的最大能力定義為常規(guī)機(jī)組備用、聯(lián)絡(luò)線輸送能力、需求側(cè)管理能力、其他調(diào)峰能力如儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的總和, 可按如式(8)計(jì)算。

γALL=γR+γT+γD+γO

(8)

式中γALL,γR,γT,γD,γO分別為系統(tǒng)最大調(diào)峰裕度、機(jī)組備用容量、聯(lián)絡(luò)線最大輸送能力、最大需求側(cè)管理容量和其他調(diào)峰能力。

針對(duì)間歇性電源輸出功率短時(shí)波動(dòng)頻繁的特點(diǎn), 采用靈活響應(yīng)能力指標(biāo)來(lái)表征電力系統(tǒng)在短時(shí)通過(guò)快速輸送電力來(lái)達(dá)到平抑功率波動(dòng)的能力。為進(jìn)一步表征這種能力, 本文設(shè)置了15min響應(yīng)資源不足概率等三級(jí)指標(biāo)。文獻(xiàn)[26-27]中以爬坡資源不足期望(insufficient ramping resource expectation, IRRE)作為評(píng)估靈活性的主要指標(biāo)之一, 且主要以發(fā)電機(jī)組的爬坡能力作為靈活資源的主要來(lái)源。在實(shí)際電力系統(tǒng)中, 靈活資源有多種可能的來(lái)源[10,22]。15min響應(yīng)資源不僅涵蓋了文獻(xiàn)[26]述及的靈活資源, 還包括了其他靈活資源 (如需求側(cè)響應(yīng)資源等), 并將時(shí)間尺度定為15 min?？梢曰诳捎渺`活性概率分布計(jì)算IRRE[27], 這種方法需要預(yù)先計(jì)算系統(tǒng)中每種靈活性資源的概率分布函數(shù), 通過(guò)臨界點(diǎn)計(jì)算不同時(shí)間尺度、不同方向和靈活性資源下的爬坡資源不足期望。計(jì)算每種靈活資源的方法較為復(fù)雜, 且未考慮電力系統(tǒng)生產(chǎn)的時(shí)序特性等。本文提出一種基于生產(chǎn)序列的方法來(lái)計(jì)算響應(yīng)資源不足概率, 細(xì)節(jié)如下所述。

假設(shè)在某一時(shí)間尺度t下的生產(chǎn)序列為Nt, 可計(jì)算出系統(tǒng)在時(shí)刻i的全部可用靈活響應(yīng)資源At,i, 若此時(shí)系統(tǒng)所需的靈活響應(yīng)資源容量為Yt,i, 則在時(shí)刻i系統(tǒng)響應(yīng)資源不足評(píng)估值Ft,i可用式(9)計(jì)算。

(9)

然后, 統(tǒng)計(jì)尺度t下的生成序列Nt在每一時(shí)段的系統(tǒng)響應(yīng)資源不足評(píng)估值, 可得到t下的系統(tǒng)響應(yīng)資源不足概率ρt為

(10)

3.4 環(huán)保性屬性指標(biāo)

間歇性可再生電源大量并網(wǎng)引起的環(huán)保效益應(yīng)該作為評(píng)價(jià)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的一個(gè)重要方面。在不同的電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下, 系統(tǒng)能夠消納的間歇性可再生電源規(guī)模也會(huì)有差異; 而且, 間歇性電源出力的時(shí)效不同所產(chǎn)生的環(huán)保效益也就不同。在對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí), 可將間歇性電源可置信容量和污染物減排量作為主要評(píng)估指標(biāo)。

間歇性電源可置信容量指標(biāo)描述間歇性電源等效為常規(guī)電源時(shí)的裝機(jī)容量, 可反映間歇性電源的年均利用率。間歇性電源可置信容量愈大, 說(shuō)明清潔能源的貢獻(xiàn)率愈大, 環(huán)保效益愈加顯著。對(duì)于可置信容量, 現(xiàn)有文獻(xiàn)中有多種定義, 例如可采用基于有效載荷能力(effectiveloadcarryingcapability,ELCC)[28](即間歇性電源接入系統(tǒng)后承載負(fù)荷的能力)進(jìn)行計(jì)算, 具體如式(11)所示。

Gcc=GELCC=ΔL

(11)

式中:Gcc和GELCC分別為間歇性電源的可置信容量和有效載荷能力; ΔL為接入該間歇性電源后系統(tǒng)承載的新增負(fù)荷。采用這種方法可直接描述間歇性電源發(fā)電效用[28]。

所謂的污染物指化石燃料燃燒發(fā)電時(shí)所產(chǎn)生的硫化物、碳化物或氮化物等對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響的排放物。污染物減排量可采用年均減少排放量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 這里采用式(12)進(jìn)行計(jì)算。

Pu=κQ

(12)

式中:Pu為等效污染物排放量;κ表示單位發(fā)電量排放的污染物數(shù)量;Q表示發(fā)電總量。

含高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括多維度、多種類指標(biāo)。評(píng)估過(guò)程主要分為2步: 首先對(duì)已滿足基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的候選方案集進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估計(jì)算; 然后由決策專家根據(jù)其專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)給出各指標(biāo)權(quán)重, 然后加權(quán)計(jì)算得出各方案的綜合評(píng)價(jià)值并排序, 進(jìn)而得到最優(yōu)方案。

在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái), 隨著間歇性可再生能源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步與電能消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整, 含高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)將趨于增多。本文所發(fā)展的針對(duì)含高滲透率間歇性可再生電源的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)體系, 考慮了高滲透率、多不確定性、高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn), 能夠量化表征候選規(guī)劃方案在經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量、靈活性、環(huán)保性等方面的優(yōu)劣程度, 旨在比較全面地評(píng)估規(guī)劃方案應(yīng)對(duì)規(guī)模化間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的綜合能力, 從而指導(dǎo)規(guī)劃方案的綜合評(píng)估與決策。

4 算 例

基于文獻(xiàn)[29]中針對(duì)巴西南部46節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)制定的2個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案(詳見(jiàn)表5)，來(lái)說(shuō)明所提出的指標(biāo)和方法。從表5可以看出，這2個(gè)備選規(guī)劃方案是在考慮增加2個(gè)容量較大風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的背景下，運(yùn)用不同的規(guī)劃方法得到的。方案I是在考慮了風(fēng)險(xiǎn)控制策略的情形下得到的，其充裕度較高，支路潮流越限概率小，但投資成本較高。方案II是在僅以投資成本最小為目標(biāo)時(shí)得到的，其投資成本小，網(wǎng)絡(luò)容量充裕度較低，支路潮流越限概率較大。

本文所采用的規(guī)劃評(píng)價(jià)原始數(shù)據(jù)參見(jiàn)附錄。對(duì)備選規(guī)劃方案的初步評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。

本文旨在探索電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃評(píng)價(jià)體系, 為此算例中主要說(shuō)明了該評(píng)價(jià)體系能夠計(jì)算并區(qū)別不同規(guī)劃方案的各方面特征和優(yōu)劣, 以便為決策者提供進(jìn)行方案優(yōu)選的相關(guān)數(shù)據(jù)。算例中并未指出應(yīng)該最終選擇那個(gè)方案, 這是由于沒(méi)有把各類指標(biāo)最終歸納為一個(gè)綜合指標(biāo)。由于各類不同指標(biāo)的特征和量綱不同, 如何形成一個(gè)綜合性指標(biāo)仍然是一個(gè)很有爭(zhēng)議的問(wèn)題, 盡管已經(jīng)提出了多種方法。一個(gè)比較認(rèn)同的做法是把各類指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果交給決策者綜合權(quán)衡, 由其確定最終的方案。

決策者可根據(jù)實(shí)際需要和決策偏好等因素, 對(duì)表6中所提供的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮, 從中選取最優(yōu)方案。為說(shuō)明所提出的評(píng)價(jià)體系能夠表現(xiàn)并區(qū)別不同規(guī)劃方案的多方面特征的優(yōu)劣, 下面對(duì)所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明和分析。

(1) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在文獻(xiàn)[29]中, 方案I的初始投資成本為4.63億美元, 高于方案II的初始投資成本4.15億美元約11.6%; 但是,通過(guò)對(duì)方案經(jīng)濟(jì)效益的綜合評(píng)估后發(fā)現(xiàn), 方案I由于其高可靠性和有功線損率低的特點(diǎn)使得年均運(yùn)行成本及故障引起的缺供電損失成本大大降低, 最終導(dǎo)致全壽命周期成本反而比方案II低。另外, 較高的可靠性水平有助于保證穩(wěn)定的供售電總量, 因此方案I在年均效益方面優(yōu)于方案II, 且其凈現(xiàn)值也高于方案II。該評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)[29]是一致的。

在運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)方面, 在用式(7)計(jì)算時(shí), 選取運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)等于3個(gè)子項(xiàng)指標(biāo)乘積的立方根。其中, 3個(gè)子項(xiàng)指標(biāo)是由專家根據(jù)其專業(yè)知識(shí)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)給出的 (在這里作為給定值)。所得到的方案I和方案II的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分別為3.915和4.160, 可見(jiàn)這2個(gè)規(guī)劃方案在運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)方面的差別并不明顯。得益于較低的停電風(fēng)險(xiǎn), 方案I的總體運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)比方案II略低?？筛鶕?jù)實(shí)際情況對(duì)3個(gè)子項(xiàng)指標(biāo)分別乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù), 以反映規(guī)劃評(píng)價(jià)人員對(duì)3個(gè)子項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)偏好程度。

表5 46節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的2個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案

Table 5 Two alternative planning schemes of 46-bus system

(2)供電質(zhì)量與輸電能力充裕度。在供電質(zhì)量類別的評(píng)價(jià)指標(biāo)方面, 方案I和方案II的電壓水平指標(biāo)值比較接近, 但在其余指標(biāo)方面有較明顯的差別。

在對(duì)持續(xù)供電能力這一項(xiàng)的評(píng)價(jià)中, 方案I的失負(fù)荷概率 (LOLP) 比方案II的略大, 這是由于方案I比方案II消納了更多間歇性發(fā)電功率, 間歇性發(fā)電出力波動(dòng)性的負(fù)面影響導(dǎo)致了方案I的失負(fù)荷概率增加。但在電量不足期望和切負(fù)荷平均時(shí)間方面, 方案I的指標(biāo)值都比方案II的小, 電量不足期望和切負(fù)荷平均時(shí)間這2個(gè)指標(biāo)說(shuō)明了方案I發(fā)生失負(fù)荷事件的嚴(yán)重程度比方案II的小, 事故后恢復(fù)的速度也相對(duì)較快。

在輸電能力充裕度這一項(xiàng)的評(píng)價(jià)中, 從3個(gè)三級(jí)指標(biāo)的對(duì)比可以明顯看出方案I的輸電能力充裕度較方案II更高, 這與投建線路的多寡密切相關(guān)。

(3)靈活性。在靈活性方面, 從長(zhǎng)期來(lái)看, 方案I接納間歇性可再生能源發(fā)電出力的最大能力比方案II的高出216.41 MW (這約占方案II最大接納能力的20%), 這主要是因?yàn)榉桨窱投建的線路多于方案II, 因而輸電靈活性更高; 但方案I的15 min響應(yīng)資源不足概率指標(biāo)值比方案II的高, 這是因?yàn)槭芟抻谙到y(tǒng)的15 min靈活響應(yīng)能力, 方案I中輸電靈活性提升幅度不足以滿足接納更多可再生能源發(fā)電功率時(shí)的增量波動(dòng), 為此方案I在接納比方案II更多的可再生能源發(fā)電出力時(shí), 出現(xiàn)15min響應(yīng)資源不足現(xiàn)象的概率更大。決策者可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)候選方案的長(zhǎng)期和短時(shí)靈活性進(jìn)行充分權(quán)衡后, 對(duì)方案的靈活性指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估。

(4)環(huán)保性。在環(huán)保性方面, 方案I中風(fēng)力發(fā)電發(fā)揮的作用較方案II更大; 方案I中風(fēng)力發(fā)電年均可置信容量達(dá)228.94 MW, 約占風(fēng)電總裝機(jī)容量的13%, 年均發(fā)電量為2.00×106MW·h, 減排污染物約3萬(wàn)t。

5 結(jié) 語(yǔ)

如何對(duì)含高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電的電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案進(jìn)行適當(dāng)評(píng)價(jià)事關(guān)電力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展, 是一個(gè)值得研究的重要問(wèn)題。本文首先概述了在風(fēng)電和光電方面發(fā)展比較領(lǐng)先的國(guó)家在電力系統(tǒng)規(guī)劃評(píng)價(jià)方面的研究情況, 然后構(gòu)造了包括經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量、靈活性和環(huán)保性的評(píng)價(jià)架構(gòu), 并提出了包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、接納間歇性電源出力能力、靈活響應(yīng)能力、輸電能力充裕度、間歇性電源可置信容量等相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。最后, 采用包含大型風(fēng)電場(chǎng)的、修改的巴西南部46節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的2個(gè)規(guī)劃方案對(duì)所發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明, 不同規(guī)劃方案對(duì)間歇性可再生電源接入電力系統(tǒng)的適應(yīng)能力不同, 系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也就不同, 因此在確定電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案時(shí)需要在經(jīng)濟(jì)性與對(duì)間歇性電源并網(wǎng)的適應(yīng)性方面適當(dāng)折衷。

需要指出, 本文只是做了些探索性的、初步的研究工作, 尚有很多問(wèn)題有待研究或進(jìn)一步深入研究。

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黃裕春 (1987), 女, 碩士, 主要從事電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估、新能源并網(wǎng)規(guī)劃方面的研究；

文福拴 (1965), 男, 通信作者, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事電力系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)恢復(fù)、電力經(jīng)濟(jì)與電力市場(chǎng)、智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車等方面的研究工作；

楊甲甲 (1989), 男, 碩士, 主要從事新能源參與電力市場(chǎng)、計(jì)及新能源接入影響的電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究；

劉衛(wèi)東 (1975), 男, 博士研究生, 高級(jí)工程師, 主要從事電網(wǎng)規(guī)劃和技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究；

俞敏 (1968), 女, 高級(jí)工程師, 造價(jià)工程師, 主要從事電網(wǎng)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究；

曾平良 (1962), 男, 博士, 國(guó)家“千人計(jì)劃”專家, 主要從事電力系統(tǒng)分析與規(guī)劃、新能源和電動(dòng)汽車接入、電力系統(tǒng)可靠性方面研究。

(編輯： 張小飛)

附 錄

1 經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)

假設(shè)新投建設(shè)備的壽命均為20年, 綜合資本成本率為7 %, 平均售電價(jià)格為53元/( MW·h)。其他經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)如表A1所示。其中, 年均維護(hù)成本率和折舊率2項(xiàng)指標(biāo)由專家根據(jù)其專業(yè)知識(shí)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等方面給出; 有功損耗是根據(jù)電力系統(tǒng)潮流仿真計(jì)算得到的; 年均綜合效益是對(duì)備選方案進(jìn)行模擬運(yùn)營(yíng)的仿真計(jì)算所得到的。

表A1 2個(gè)備選規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

Table A1 Economic data of the two alternative planning schemes

注: 年均維護(hù)成本率為每年維護(hù)成本與初始投資成本的占比; 折舊率與之類同。

2 可靠性數(shù)據(jù)

假設(shè)該系統(tǒng)的年最大負(fù)荷預(yù)測(cè)值為6 880 MW, 負(fù)荷波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差取為最大負(fù)荷預(yù)測(cè)值的2%, 某時(shí)間段的負(fù)荷需求曲線如圖A1所示。發(fā)電機(jī)組的可靠性數(shù)據(jù)以國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)發(fā)布的發(fā)電設(shè)備可靠性指標(biāo)[30]為主要依據(jù)。假設(shè)線路平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間為8 450 h/a, 平均修復(fù)時(shí)間為25 h。

圖A1 某時(shí)間段的負(fù)荷需求曲線Fig. A1 The load demand curve in a time period

3 其他數(shù)據(jù)

假設(shè)單位發(fā)電量排放的污染物為14.5 kg/( MW·h)。風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)與文獻(xiàn)[29]中一致。圖A2顯示了風(fēng)速變化及風(fēng)電場(chǎng)出力的部分曲線。

A Preliminary Investigation on Power Network Planning Evaluation System with High-Penetration Intermittent Generation

HUANG Yuchun1,2, WEN Fushuan1,3, YANG Jiajia1,LIU Weidong4, YU Min4, ZENG Pingliang5

(1. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou 510310, China;3. Department of Electrical & Electronic Engineering, Institut Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan BE1410, Brunei;4. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Economic Research institute, Hangzhou 310008, China;5. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

This paper firstly summarized the achievements and experiences of power system planning evaluation in countries with leading development in wind power and photovoltaic power. Then, the interactions between grid-connected intermittent generations(IGs) with high penetration and power network planning were analyzed, and on this basis, the comprehensive evaluation index system of power network planning was preliminarily studied, which could characterize large-scale IGs after grid-connected. Based on traditional index system, some indicators such as the risk assessment, the maximum integration capacity of IGs, the transmission capability, the credible capacity of IGs, and the pollutants emission reduction, were used to evaluate the power network planning schemes of IGs after large-scale grid-connected from aspects of economics, power supply quality, flexibility, environmental friendliness, etc. Finally, two alternative power network planning schemes in southern Brazil 46-node system were applied to demonstrate the proposed evaluation index system. The analysis results show that the adaptability degree of IGs integrations into a power system has significant impact on the IGs accommodation capability and operation risk of the power system. Therefore, during determining power network planning scheme, it is necessary to make a compromise between the economics and adaptability of grid-connected IGs.

intermittent renewable generation; high penetration; power network planning; comprehensive evaluation; index system

圖A2 風(fēng)速變化及風(fēng)電場(chǎng)出力曲線Fig. A2 The curves of wind speed variation and wind farm output

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477151, 51361130152); 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目(5211DS14000X)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0144-10

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.022

2015-06-11

2015-08-22

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51477151, 51361130152); State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Project (5211DS14000X).