非水可再生能源發(fā)電量消納及指標(biāo)分配的分析與探討

李宏仲付國(guó)范明天張祖平

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海楊浦200090;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京海淀100192)

0 引言

自2015年以來，國(guó)家發(fā)改委和能源局密集發(fā)布了建設(shè)智能電網(wǎng)和滿足可再生能源(renewable energy sources，RES)接入電網(wǎng)的指導(dǎo)意見，目的是提高現(xiàn)有電網(wǎng)消納RES的能力，進(jìn)而提高RES發(fā)電量占比。并明確提出RES發(fā)展戰(zhàn)略，即在2020年和2030年RES占一次能源消費(fèi)比重分別達(dá)到15%和20%[1]。

截止2018年底，我國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電量合計(jì)為5435億k W·h，風(fēng)電和光伏平均利用小時(shí)數(shù)分別為2 095 h和1 115 h；棄風(fēng)率降低為7.2%、棄光率降低為3.0%。并且實(shí)現(xiàn)全國(guó)棄光率、棄風(fēng)率低于國(guó)家能源局規(guī)定的5%、12%的目標(biāo)。整體棄風(fēng)、棄光率呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但在部分區(qū)域仍存在較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。其中，棄風(fēng)、棄光主要集中在風(fēng)光資源充足的地區(qū)例如新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等省份，且時(shí)間集中在夜間低谷負(fù)荷和冬季供暖期。2018年數(shù)據(jù)顯示，上述三省區(qū)棄風(fēng)、棄光電量超過300億k W·h，占全國(guó)總棄風(fēng)、棄光電量比例的90%多，其原因主要是新能源、熱電機(jī)組裝機(jī)容量過大，系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，同時(shí)部分新能源輸電通道外送受限等問題。

本文從更全面的角度研究廣東省非水RES發(fā)電量的最大可消納空間，分析各種制約非水RES發(fā)電量的因素。對(duì)各種制約因素進(jìn)行綜合評(píng)估確定該區(qū)域的非水RES發(fā)電量占比是否達(dá)到國(guó)家能源局分配的指標(biāo)，對(duì)不能滿足的區(qū)域需要進(jìn)行互濟(jì)與調(diào)配。在以上研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上可以開展對(duì)非水RES容量的優(yōu)化配置計(jì)算，獲得電網(wǎng)各個(gè)接入點(diǎn)較為合理的接入容量，進(jìn)一步對(duì)比分析國(guó)家能源局發(fā)布的指標(biāo)。如果不能滿足消納指標(biāo)的需求可以從網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解層面尋求解決方案以及提升消納(接納)能力的具體措施。以上問題的分析計(jì)算從理論上講是一個(gè)時(shí)序的全局優(yōu)化問題，因此求解不是一個(gè)斷面下的最優(yōu)化分析，而是整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的整體最優(yōu)，最后對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析和討論。

1 非水RES發(fā)電量消納分析的邊界條件

目前，已有文獻(xiàn)從制約RES消納的影響因素出發(fā)做了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[2]通過分析傳輸通道的負(fù)載率水平和功率波動(dòng)的劇烈程度評(píng)估提升電網(wǎng)消納能力；文獻(xiàn)[3]綜合考慮網(wǎng)架約束、跨區(qū)電力交換以及系統(tǒng)調(diào)峰容量等因素消納能力評(píng)估模型；文獻(xiàn)[4-5]基于對(duì)電網(wǎng)條件、電源結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等電網(wǎng)特性的分析，考慮電網(wǎng)外送功率約束以及系統(tǒng)的調(diào)峰約束提出了一種消納能力評(píng)估方法。文獻(xiàn)[6]考慮無功對(duì)消納的影響，建立了配電網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[7]通過魯棒調(diào)度解決了大量不確定性風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題；文獻(xiàn)[8]考慮RES不確定性，并使用N-1安全效驗(yàn)發(fā)輸電系統(tǒng)的規(guī)劃方案。靈活性資源是為了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的不確定需求，也是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定的條件。文獻(xiàn)[9]從多時(shí)間尺度建立了電力系統(tǒng)靈活性的供需平衡模型；文獻(xiàn)[10]以系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)范圍量化電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)、儲(chǔ)能裝置、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行方式等全方面的靈活性資源，并基于此建立了消納能力評(píng)估模型。以上文獻(xiàn)只是針對(duì)某一個(gè)或者兩個(gè)因素制約對(duì)非水RES消納的影響。而對(duì)于某一確定的研究區(qū)域而言，制約其消納非水RES發(fā)電量的因素包括：風(fēng)光資源及其時(shí)空分布，可用土地資源，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，地區(qū)負(fù)荷時(shí)空分布特性，電網(wǎng)設(shè)備容量及安全運(yùn)行約束等等。上述因素可以簡(jiǎn)單分為電氣因素和非電氣因素兩大類。每一種影響因素都可以劃出其對(duì)應(yīng)的消納邊界，而最終的非水RES消納量應(yīng)該是各類邊界條件所確定的區(qū)域交集。

1.1 風(fēng)光資源總量及時(shí)空分布約束

對(duì)某一地區(qū)開展非水RES發(fā)電量的消納分析，首先需要分析該地區(qū)可利用的風(fēng)力、太陽能等資源的總和，然后根據(jù)本地區(qū)風(fēng)力/光伏的平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)估算非水RES的最大可能發(fā)電總量，并除以該地區(qū)目標(biāo)年的用電總量，就可以得到理論上該地區(qū)非水RES發(fā)電量占全社會(huì)總用電量比重指標(biāo)的上限。

以廣東地區(qū)為例，按照《廣東省太陽能光伏發(fā)電發(fā)展規(guī)劃(2014—2020年)》中給出的數(shù)據(jù)[11]，廣東省太陽能年輻照時(shí)數(shù)2 200 h左右，年輻射總量4 200～5 800 MJ/m2。從地域分布來看，汕尾、揭陽、汕頭、潮州、湛江和陽江，全年日照時(shí)數(shù)2 200～3 000 h，年輻射總量5 000～5 800 MJ/m2；珠三角地區(qū)和北部山區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為1 400～2 200 h，年輻射總量4 200～5 000 MJ/m2。

粵東西北地區(qū)尚未開發(fā)利用的土地資源較為豐富，可以合理規(guī)劃此土地資源來建設(shè)地面光伏發(fā)電項(xiàng)目，據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)可建設(shè)約180萬k W的光伏裝機(jī)容量。

除了可利用的閑散土地資源外，還要考慮屋頂光伏的可用面積。根據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，廣東省可以安裝的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的面積約8 000萬m2，其中珠三角地區(qū)約6 000萬m2、粵東地區(qū)約800萬m2、粵西地區(qū)約500萬m2、粵北地區(qū)約700萬m2。由此可得到廣東省可以建設(shè)的屋頂光伏裝機(jī)容量約8 000萬k W，還需考慮全省每年新增的屋頂面積，據(jù)估算，全省每年新增的屋頂面積中10%可用于建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其裝機(jī)容量約30萬k W。

根據(jù)廣東省氣象局《廣東省風(fēng)能資源詳查和評(píng)估報(bào)告》[12]，省內(nèi)年平均風(fēng)功率密度≥200 W/m2，能夠進(jìn)行風(fēng)電開發(fā)的地區(qū)可建設(shè)風(fēng)電裝機(jī)容量約1 900萬k W；其中風(fēng)功率密度≥250 W/m2，能夠進(jìn)行風(fēng)電開發(fā)的地區(qū)可建設(shè)風(fēng)電裝機(jī)容量約1 650萬kW；風(fēng)功率密度≥300 W/m2的地區(qū)擁有更好的風(fēng)能開發(fā)資源可開發(fā)風(fēng)電容量約為1 400萬k W。

基于以上數(shù)據(jù)可知，僅僅考慮風(fēng)光可用資源的條件下，廣東省內(nèi)非水RES的發(fā)電總量約為418.5億k W·h，其中風(fēng)力發(fā)電資源按照年平均風(fēng)功率密度具有開發(fā)潛力的地區(qū)總和計(jì)，可開發(fā)量約為1 900萬k W，年發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)按照1 685 h計(jì)(2015年廣東全省的平均水平)；光伏發(fā)電按照980萬k W計(jì)(含閑散土地光伏裝機(jī)容量180萬kW，屋頂光伏裝機(jī)800萬k W)，年發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)按1 000 h計(jì)。

預(yù)計(jì)2020年廣東省總用電量為6 581億k W·h，非水RES的發(fā)電量約為總用電量的6.34%，而且這一數(shù)字還未計(jì)及其他約束條件。從這個(gè)角度來講，顯然單純依靠省內(nèi)的可用風(fēng)光資源是無法實(shí)現(xiàn)54號(hào)文中分配給廣東省的非水RES發(fā)電量占其全社會(huì)總用電量比重7%這一目標(biāo)的。勢(shì)必要通過南方電網(wǎng)范圍內(nèi)其他省區(qū)的互濟(jì)配合才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，下文中將對(duì)此做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

1.2 可利用的裝機(jī)土地資源

風(fēng)力和光伏發(fā)電都要占用一定的土地資源，上一小節(jié)的分析結(jié)果也已經(jīng)清楚表明，如果沒有足夠的可利用的土地面積，風(fēng)光的裝機(jī)容量必然受到極大的限制，這是毋庸置疑的。但是風(fēng)光資源限制和土地資源限制哪一個(gè)更為嚴(yán)格需要根據(jù)具體地區(qū)情況而定，即有可能出現(xiàn)某地區(qū)風(fēng)光資源豐富，但是沒有足夠的可供開發(fā)的土地，反之亦然。

1.3 負(fù)荷時(shí)空分布

我國(guó)現(xiàn)有的傳統(tǒng)電源發(fā)電能力是可以滿足各類負(fù)荷的用電需求的，非水RES發(fā)電量的加入會(huì)擠占傳統(tǒng)電源的發(fā)電量。歸根結(jié)底，非水RES發(fā)出的電量能夠有效利用多少，關(guān)鍵還是要看負(fù)荷水平的。負(fù)荷量大的地區(qū)消納非水RES發(fā)電量的潛力必然更大，但是我國(guó)眾多地區(qū)都存在負(fù)荷水平與可用風(fēng)光資源水平反向分布的情況，即負(fù)荷中心地區(qū)風(fēng)光裝機(jī)困難較大，而風(fēng)光資源豐富、裝機(jī)接入較容易的地區(qū)負(fù)荷量比較小，因而需要將非水RES發(fā)電量輸送至負(fù)荷中心區(qū)域，從而引出了下文要介紹的電網(wǎng)容量約束條件。

1.4 網(wǎng)絡(luò)約束

非水RES發(fā)電量本地消納剩余時(shí)就需要經(jīng)由電網(wǎng)進(jìn)行傳輸，甚至是遠(yuǎn)距離傳輸，那么就必然涉及網(wǎng)絡(luò)約束和設(shè)備容量約束。其實(shí)傳統(tǒng)電源發(fā)電量的傳輸也需要滿足容量約束，但是由于非水RES發(fā)電出力的不可控性，當(dāng)設(shè)備負(fù)載率較高時(shí)，非水RES發(fā)電量的傳輸可能出現(xiàn)阻塞，從而導(dǎo)致其發(fā)電量不能被充分有效的利用。

需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)中某一非水RES接入點(diǎn)而言，設(shè)備容量約束僅僅是刻畫出了某一時(shí)間斷面下網(wǎng)絡(luò)可以接納的非水RES發(fā)電功率上限邊界，并不代表在該接入點(diǎn)接入這么多容量的非水RES是一定合理可行的。

1.5 安全穩(wěn)定約束

隨機(jī)性、波動(dòng)性是非水RES電源的固有特質(zhì)，而且其發(fā)電出力特性是由風(fēng)光資源決定的，在大容量、高密度的儲(chǔ)能裝置問世之前，其出力是不可控的。此類不可控而又帶有隨機(jī)波動(dòng)特性的電源接入后，勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。

非水RES電源接入后，將與傳統(tǒng)電源一起為負(fù)荷供電。換言之，要有效利用非水RES的發(fā)電量，在負(fù)荷總量不變的前提下，傳統(tǒng)電源就要為非水RES“讓路”。顯然，傳統(tǒng)電源出力是有上下限范圍的，因此有可能出現(xiàn)由于出力達(dá)到下限無法“有效讓路”的情況，此時(shí)會(huì)有部分非水RES發(fā)電量無法得到有效利用。另一方面如果非水RES的發(fā)電量向下波動(dòng)，不能滿足負(fù)荷用電需求時(shí)，傳統(tǒng)電源還必須及時(shí)調(diào)整出力予以補(bǔ)充。這就要求電力系統(tǒng)具備能與之相匹配的靈活性資源，其中包括可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力，傳統(tǒng)電源(含抽蓄)的爬坡能力等等，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 非水RES發(fā)電量消納指標(biāo)的合理分配

非水RES發(fā)電量消納指標(biāo)分配采用自上而下的原則，從國(guó)家層面→大區(qū)層面→省級(jí)層面→地區(qū)層面，逐個(gè)層級(jí)給出配額指標(biāo)，且需要綜合考慮各個(gè)地區(qū)的電氣量和非電氣量等制約因素，計(jì)算實(shí)際各個(gè)區(qū)域是否能夠有效消納，對(duì)不能有效消納的地區(qū)進(jìn)行區(qū)域間的調(diào)劑和互濟(jì)。

2.1 國(guó)家層面非水RES發(fā)電總量和裝機(jī)容量的整體規(guī)劃目標(biāo)分析

我國(guó)政府在所簽訂的巴黎協(xié)議中，明確提出我國(guó)2020年和2030年消納非水RES發(fā)電量占比將分別達(dá)到9%和15%。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國(guó)家能源局頒布了《關(guān)于建立可再生能源開發(fā)利用目標(biāo)引導(dǎo)制度的指導(dǎo)意見》[1]，規(guī)定了我國(guó)2020年非水RES發(fā)電量占全社會(huì)總用電量比重要在9%以上，并給出了各省的消納指標(biāo)及核算方法。

全社會(huì)用電量年增長(zhǎng)率按4.5%計(jì)，到2020年將達(dá)到7萬億k W·h。根據(jù)發(fā)改委能源研究所2015年4月頒布的方案，2020年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到210 GW，風(fēng)力發(fā)電每年將產(chǎn)生4 200億k W·h的電量，約占全國(guó)總發(fā)電量的6%，由此可得2020年風(fēng)力發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)為2 000 h。而光伏發(fā)電裝機(jī)容量為110 GW，總發(fā)電量為1 500億k W·h，由此可得2020年光伏年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)1 363.6 h。屆時(shí)非水RES總發(fā)電量為5 700億k W·h，計(jì)及棄風(fēng)光率非水RES發(fā)電量占比尚未達(dá)到9%，非水RES的年平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1 781.3 h，這一數(shù)字略顯偏高，說明規(guī)劃方案中所配置的非水RES發(fā)電容量偏小。

2.2 六大分區(qū)非水RES裝機(jī)容量和發(fā)電量的指標(biāo)分析

根據(jù)國(guó)家風(fēng)電發(fā)展十三五規(guī)劃的目標(biāo)，到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到210 GW以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到5 GW以上，風(fēng)電的年最低保障利用小時(shí)數(shù)按1 900 h計(jì)算。表1中給出了我國(guó)各地區(qū)陸上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)總風(fēng)電年發(fā)電量約為3 895億k W·h，再加上原有的風(fēng)力發(fā)電量，可以確保到2020年的4 200億k W·h，約占全國(guó)總發(fā)電量的比重為6%。

表1 2020年我國(guó)各地區(qū)陸上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)Table 1 Development goals of land wind power in china by 2020

根據(jù)太陽能發(fā)展十三五規(guī)劃的目標(biāo)，到2020年底，我國(guó)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到110 GW以上。其中，光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到105 GW以上，光熱發(fā)電裝機(jī)達(dá)到5 GW，太陽能發(fā)電的年最低保障利用小時(shí)數(shù)按1 200 h計(jì)算。2020年太陽能發(fā)電量將增長(zhǎng)到的1 500億k W·h，約占2020年全國(guó)總發(fā)電量的2.14%。此外，在國(guó)能新能〔2016〕54號(hào)文件專欄2中還給出了重點(diǎn)地區(qū)2020年光伏發(fā)電建設(shè)規(guī)模(重點(diǎn)地區(qū)建設(shè)規(guī)模約占總規(guī)模的90%)，見表2。

表2 重點(diǎn)地區(qū)2020年光伏發(fā)電建設(shè)規(guī)模Table 2 Construction scale of photovoltaic power generation in key areas in 2020

由上述數(shù)據(jù)由上述數(shù)據(jù)可知，我國(guó)2020年非水RES發(fā)電量大部分來自于三北地區(qū)，其中陸上風(fēng)電三北地區(qū)的發(fā)電量占66%，而光伏發(fā)電量占比也接近六成。但是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大多位于中東部地區(qū)，這就意味著在經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，負(fù)荷用電量較小的地區(qū)，其RES發(fā)電量反而更大，單純依靠本地負(fù)荷消納掉這部分發(fā)電量是有一定困難的。未來三北地區(qū)的非水RES發(fā)電量不可避免的要通過大容量的輸電通道向中東部負(fù)荷密集區(qū)轉(zhuǎn)移，換言之未來我國(guó)六大區(qū)域之間肯定要開展非水RES發(fā)電量消納指標(biāo)的互濟(jì)與協(xié)調(diào)。

2.3 廣東省非水RES裝機(jī)容量和發(fā)電量指標(biāo)分析

廣東省規(guī)劃建設(shè)的6 GW風(fēng)電和6 GW光伏裝機(jī)容量只能完成2.8%的非水RES發(fā)電量指標(biāo)，另外的4.18%需要從南方五省輸入，而南方五省的RES規(guī)劃容量也不足以完成7%，欠缺1.88%，缺口電量為206.8億k W·h。

前文已經(jīng)提及，在僅僅考慮風(fēng)光可用資源的條件下，廣東省內(nèi)非水RES的發(fā)電總量約為418.5億k W·h，而2020年廣東省內(nèi)總用電量預(yù)計(jì)為6 581億k W·h，非水RES的發(fā)電量占總用電量的比重為6.34%。如果考慮到其他約束條件，廣東省的全社會(huì)用電量非水RES消納占比在3%左右可能更為現(xiàn)實(shí)。而要實(shí)現(xiàn)國(guó)家分配的7%的消納占比目標(biāo)，勢(shì)必要通過南方電網(wǎng)范圍內(nèi)其他省區(qū)的互濟(jì)配合才能實(shí)現(xiàn)。

2.4 非水RES消納指標(biāo)的互濟(jì)與分配

2.4.1 互濟(jì)問題

由前文可知，受到地理環(huán)境、資源條件等多種因素的制約與影響，我國(guó)的非水RES的裝機(jī)量與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、負(fù)荷水平之間存在一種類似于反比例的分布情況。從全國(guó)來看，我國(guó)陸上風(fēng)電三北地區(qū)的發(fā)電量占66%，而光伏發(fā)電量占比也接近六成，非水RES發(fā)電量的配額指標(biāo)小于實(shí)際的消納占比。相對(duì)應(yīng)的，中東部地區(qū)則相反，僅靠本地的非水RES發(fā)電容量難以完成配額指標(biāo)，勢(shì)必需要其他地區(qū)的互濟(jì)。因此，考慮一個(gè)地區(qū)的RES發(fā)電量的指標(biāo)分配，不僅需要考慮更多的定量和定性因素，還要考慮在區(qū)域間或更大范圍的全省、全網(wǎng)乃至全國(guó)范圍內(nèi)的互濟(jì)與調(diào)劑。

以廣東省為例，從圖1可以得出廣東省內(nèi)珠三角地區(qū)負(fù)荷電量占全省的58%，但是非水RES裝機(jī)受到資源限制，容量?jī)H為當(dāng)?shù)刎?fù)荷的3.3%。而粵西、粵北的非水RES容量占比較大，但是負(fù)荷電量卻比較少，所以必然是粵西、粵北、粵東地區(qū)向珠三角轉(zhuǎn)移非水RES的發(fā)電量。

2.4.2 國(guó)家層面分配給各省的指標(biāo)的合理性

如前文所述，就廣東省而言，其本省自身的風(fēng)光資源可利用總量與要求實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)之間存在著一定的差距，肯定是需要通過互濟(jì)來予以實(shí)現(xiàn)的。此類情況是否在其他省區(qū)也存在還需要做進(jìn)一步的分析計(jì)算。

2.4.3 非水RES指標(biāo)的分配及容量配置分析

由于非水RES是低密度能源，相比傳統(tǒng)電源的配置需要綜合考慮國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product，GDP)水平、GDP增長(zhǎng)率、行政區(qū)域面積、現(xiàn)有電源裝機(jī)、供電人口、供電量、最高負(fù)荷、電量增長(zhǎng)率、“十三五”負(fù)荷增長(zhǎng)率、風(fēng)電光伏利用小時(shí)數(shù)以及110 k V線路負(fù)載率等多種電氣量和非電氣量因素，以最終實(shí)現(xiàn)非水RES配額指標(biāo)在更大范圍(全省各地市間)內(nèi)的調(diào)配。但在制定區(qū)域性配額指標(biāo)時(shí)只需保證總配額不變即可。即采用自上而下的原則，從國(guó)家層面→大區(qū)層面→省級(jí)層面→地區(qū)層面，逐個(gè)層級(jí)給出配額指標(biāo)。

圖1 廣東省2020年供電量及RES配置容量分布Fig.1 Distribution of power supply and RES configuration ca-pacity in Guangdong province in 2020

在此基礎(chǔ)上可以開展對(duì)非水RES容量配置的優(yōu)化分析計(jì)算，給出電力網(wǎng)絡(luò)各個(gè)接入點(diǎn)較為合理的接入容量大小。即根據(jù)電力系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，包括傳統(tǒng)電源情況、網(wǎng)絡(luò)情況和負(fù)荷時(shí)空分布情況，對(duì)某具體系統(tǒng)(220/110 k V以下電壓等級(jí))可以消納的非水RES電量、可以接納的非水RES容量開展自下而上的理論分析，從數(shù)學(xué)理論上講這是一個(gè)時(shí)序的全局優(yōu)化問題，相關(guān)內(nèi)容將在后文予以討論。進(jìn)一步地與自上而下分析計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。如果不能滿足消納指標(biāo)的需求可以從網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解層面尋求解決方案以及提升消納(接納)能力的具體措施

3 非水RES發(fā)電量消納研究與探討

不少專家學(xué)者對(duì)非水RES的選址定容以及消納評(píng)估做了分析研究。結(jié)合相關(guān)研究理論，本文對(duì)如何評(píng)估非水RES的消納及促進(jìn)措施展開了以下內(nèi)容的探討。

3.1 電網(wǎng)可接納非水RES裝機(jī)容量評(píng)估分析

已有文獻(xiàn)從非水RES接入容量的制約因素、潮流分布均衡度和系統(tǒng)運(yùn)行成本相結(jié)合、風(fēng)電光伏與負(fù)荷之間的相關(guān)性等分析合理的接入點(diǎn)與接入容量[13-15]。文獻(xiàn)[16-17]從時(shí)序角度研究RES的出力特性，但是依然僅從電氣方面考慮選址規(guī)劃的影響。因此評(píng)估電網(wǎng)接納非水RES裝機(jī)容量需要全面的考慮電氣量因素和非電氣量因素，且該問題的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)帶有時(shí)序特性的，序貫性的全時(shí)段動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題。

綜上分析，可用某一時(shí)間周期內(nèi)非水RES發(fā)電量的有效利用程度最高作為問題的目標(biāo)函數(shù)，以第1節(jié)消納的邊界條件、網(wǎng)絡(luò)容量約束等為約束條件進(jìn)行求解。其計(jì)算得到的評(píng)估結(jié)果可以用于指導(dǎo)地區(qū)電網(wǎng)中非水RES的接入規(guī)劃方案。

3.2 電網(wǎng)接納非水RES裝機(jī)容量的提升措施

針對(duì)非水RES消納能力評(píng)估，文獻(xiàn)[18]分析風(fēng)電消納過程中各利益相關(guān)方經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)態(tài)評(píng)估風(fēng)電消納；文獻(xiàn)[19-20]考慮風(fēng)電和負(fù)荷的隨機(jī)因素，以消納量最大為目標(biāo)建立消納能力評(píng)估模型。以提升接納能力為主要研究方向，大致分為網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解兩個(gè)層面。網(wǎng)絡(luò)解以設(shè)備容量為研究重點(diǎn)，適用于由于發(fā)生阻塞，非水RES電量無法轉(zhuǎn)移輸出的情況。

非網(wǎng)絡(luò)解的實(shí)質(zhì)是調(diào)整負(fù)荷曲線，提高負(fù)荷的時(shí)空分布與非水RES的發(fā)電量時(shí)空分布之間的匹配程度。采用所謂的市場(chǎng)化手段提升接納能力，也應(yīng)歸于非網(wǎng)絡(luò)解范疇，例如發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓等。但是本質(zhì)問題，即具體能夠提升多少還是取決于源、網(wǎng)、荷之間的配合程度。加入經(jīng)濟(jì)性分析，只是為了讓傳統(tǒng)電源發(fā)電方更樂于接受讓路，由被動(dòng)改為主動(dòng)。

3.3 接入非水RES后電網(wǎng)日前24 h的調(diào)度計(jì)劃安排

非水RES接入點(diǎn)及接入容量確定后，根據(jù)負(fù)荷和非水RES出力的時(shí)空特性，可以確定傳統(tǒng)可控電源的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃。從數(shù)學(xué)角度來看，與3.1節(jié)所描述的模型類似，都屬于序貫性的優(yōu)化問題，但是日前調(diào)度時(shí)間間隔短，此外待求解的變量不同，而且求解結(jié)果是一個(gè)多維數(shù)列。

由于3.1與3.3節(jié)所描述的數(shù)學(xué)模型是由一系列斷面組成的序貫性優(yōu)化問題，而且斷面之間是存在關(guān)聯(lián)性。因此，該問題的求解不等同于在每一個(gè)斷面下開展斷面的最優(yōu)化分析，而是整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的整體最優(yōu)。并且從某種程度上可以視為是一個(gè)泛函問題，即傳統(tǒng)電源、非水RES、負(fù)荷特性、網(wǎng)架拓?fù)?，其中任一發(fā)生變化，則最優(yōu)解發(fā)生變化。

從電網(wǎng)規(guī)劃的角度出發(fā)，探討如何調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來盡可能提高非水RES的接納能力，即3.2節(jié)的網(wǎng)絡(luò)解問題。但是難點(diǎn)在于網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模問題，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于離散化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變量，難以直接用某一個(gè)變量或者函數(shù)來描述其結(jié)構(gòu)性質(zhì)。因此，如何建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是此問題優(yōu)化求解過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

最后，考慮到非水RES出力和大多數(shù)的負(fù)荷功率都是隨機(jī)變化的不可控變量，需要采用隨機(jī)化的建模和求解方法。其中，部分研究是以隨機(jī)概率較大的場(chǎng)景為研究分析對(duì)象，分析結(jié)果為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考，然后對(duì)發(fā)生概率小但是產(chǎn)生的情況較為嚴(yán)重的場(chǎng)景進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)不能滿足運(yùn)行約束條件之處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。另外一種思路考慮采用分形、信息熵等數(shù)學(xué)理論，對(duì)源網(wǎng)荷進(jìn)行統(tǒng)一建模，進(jìn)而再開展優(yōu)化分析，該部分內(nèi)容尚待進(jìn)一步細(xì)化研究。

4 結(jié)論

廣東省負(fù)荷需求量比較大，因此開展非水RES消納量的分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)2020年廣東省非水RES發(fā)電量占比6.98%的目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。本文從影響非水RES消納量的制約因素分析2020年廣東省非水RES發(fā)電量消納的邊界條件，評(píng)估出廣東省非水RES最大消納占比，接著對(duì)比國(guó)家能源局頒布的廣東省非水RES發(fā)電量指標(biāo)，結(jié)果表明廣東省非水RES發(fā)電量遠(yuǎn)小于國(guó)家的規(guī)定，需要進(jìn)行區(qū)域間的互濟(jì)與調(diào)劑，以滿足其分配的消納占比。以廣東省為例繼續(xù)分析上層南方五省至全國(guó)的實(shí)際消納空間和消納量不足的應(yīng)對(duì)策略，即按照自下而上的順序探討分配結(jié)果的合理性。針對(duì)以上的分析，本文探討了非水RES的選址定容模型、裝機(jī)容量提升措施、以及接入非水RES后電網(wǎng)日前24 h的調(diào)度優(yōu)化模型，并探討了此數(shù)學(xué)問題的求解思路，為后續(xù)研究工作指出了方向。