從靈活性平衡視角的高比例可再生能源電力系統(tǒng)形態(tài)演化分析

魯宗相，李昊，喬穎

（清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

大力發(fā)展可再生能源是當前全球推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵途徑。截至2019年底，全球非水可再生能源總裝機容量1437 GW，年增長率14.7%，其中2019年當年新增光伏115 GW，風電60 GW，是可再生能源電源發(fā)展的主力軍[1]。從國家和地區(qū)來看，丹麥實現(xiàn)了60%的發(fā)電量來自風電和光伏，烏拉圭、愛爾蘭、德國、波蘭、西班牙、希臘都實現(xiàn)了新能源發(fā)電量超過20%，這些實績證明了高比例可再生能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型是一條可行的路徑。

根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計[2]，中國2005年風電裝機容量首次超100萬kW（125萬kW），2009年首次超1000萬kW（1760萬kW），2015年首次超1億kW（12 830萬kW），實現(xiàn)了快速增長。光伏裝機容量的發(fā)展更加迅速，2010年80萬kW，2011年350萬kW，2013年1745萬kW，2017年1.3億kW。然而，從發(fā)電量來看，中國2019年風電、光伏發(fā)電量占總發(fā)電量比率分別為5.5%和3.1%，還處于中低比例可再生能源發(fā)展情景。

對于高比例可再生能源的發(fā)展目標，歐盟、美國、中國分別提出在2050年實現(xiàn)100%、80%和60%的可再生能源發(fā)電量占比的目標[3-5]。在2020年國際能源署（IEA）的能源展望報告中，歐盟、英國、新西蘭等提出了2050年凈零排放的目標[6]；2020年9月，中國提出2060年前實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的承諾。碳中和目標對可再生能源發(fā)展提出了更高的要求，歐洲加速了實現(xiàn)100%可再生能源電力系統(tǒng)目標的進程。對中國而言，如何根據(jù)碳中和的新目標相應(yīng)調(diào)整可再生能源發(fā)展目標，探究深度不確定性（deep uncertainty）條件下中國未來電網(wǎng)的愿景及其發(fā)展演化情景，是一個值得長期研究的問題。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)是指電力系統(tǒng)的組成設(shè)備及其參與者的連接組織形式及交互作用方式。電力系統(tǒng)作為全社會最大的人造系統(tǒng)，其中長期發(fā)展情景，受到政治政策、經(jīng)濟社會、技術(shù)發(fā)展、資源環(huán)境等諸多因素的影響，其動態(tài)演化特征，例如電力系統(tǒng)技術(shù)進步、結(jié)構(gòu)形態(tài)變化、政策取向等，無法采用概率模型描述。因此，基于海量場景，采用情景發(fā)現(xiàn)技術(shù)挖掘有效信息，即全局靈敏度分析（global sensitivity analysis）成為一個值得探索的方法[7]。高比例可再生能源電力系統(tǒng)的演化分析，一方面要關(guān)注可再生能源電源自身的發(fā)展路徑及其與全社會、經(jīng)濟總目標的匹配程度；另一方面也要解析新能源與傳統(tǒng)能源、電網(wǎng)、負荷之間的耦合關(guān)系，在諸多可能情景中發(fā)掘主導因素和加速/減緩某個因素作用力的方法。

1 未來電網(wǎng)演化的特征和驅(qū)動力研判

近年來，全球關(guān)于電力系統(tǒng)藍圖的研究焦點逐步由智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)向能源互聯(lián)網(wǎng)，而其核心在于高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展愿景。

傳統(tǒng)輸變電技術(shù)的發(fā)展側(cè)重在各個裝備及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標的提升，向大機組、大電廠、大系統(tǒng)、高電壓、資金密集、技術(shù)密集、高度信息化的現(xiàn)代化方向發(fā)展；而智能電網(wǎng)的提出，其焦點在于“智能化”，例如智能控制、智能管理、智能分析等，使得電網(wǎng)具有堅強、兼容、優(yōu)化、經(jīng)濟、集成和自愈等關(guān)鍵特征[8]；而在當前電力能源轉(zhuǎn)型的再電氣化、數(shù)字化、分散化關(guān)鍵趨勢導向下[9]，以開放、互動、共建、共享為突出特征的能源互聯(lián)網(wǎng)成為下一階段的愿景[10]，而其關(guān)鍵的發(fā)展特征就是能源低碳化轉(zhuǎn)型驅(qū)動的可再生能源電源的快速發(fā)展。

1.1 主要國家和地區(qū)的電網(wǎng)藍圖研究動態(tài)

1.1.1 美國

為了解決電力設(shè)施老化和高可靠性供電需求的矛盾，美國電力科學研究院2001年開始“Intelligrid”（智能電網(wǎng)）研究，2003年布什總統(tǒng)要求美國能源部（Department of Energy,DOE）致力于電網(wǎng)現(xiàn)代化（grid modernization），DOE發(fā)布“Grid 2030”報告，至2009年，奧巴馬總統(tǒng)將智能電網(wǎng)提升為美國國家戰(zhàn)略。

2012年美國DOE發(fā)布太陽能發(fā)展藍圖研究報告（Sunshot Vision Study），預測2030、2050年美國的太陽能發(fā)電量可達總發(fā)電量的14%、27%。緊接著，美國可再生能源國家實驗室（NREL）發(fā)布“未來可再生能源電力系統(tǒng)”系列研究報告[4]，提出2050年美國實現(xiàn)80%電力供給來自可再生能源。至此，美國關(guān)于電網(wǎng)智能化的焦點轉(zhuǎn)向了高比例可再生能源電力系統(tǒng)。各個州紛紛開展各自的新能源資源和未來電網(wǎng)發(fā)展預測，尤其是加州電力調(diào)度中心（CAISO）提出光伏為主導的未來低碳電網(wǎng)藍圖，大力鼓勵民眾應(yīng)用太陽能。2015年美國風能協(xié)會（AWEA）發(fā)布美國風電發(fā)展藍圖研究報告，預測2030、2050年美國風能供電量可達20%、35%。隨著風光電源的比例攀升，儲能的發(fā)展得到了關(guān)注。2020年美國儲能協(xié)會（ESA）發(fā)布“100×30：推動清潔電力轉(zhuǎn)型”報告，預測為了適應(yīng)波動電源的快速發(fā)展，2030年美國儲能發(fā)展規(guī)模將達100 GW。麥肯錫咨詢公司發(fā)布“美國2040年電力工業(yè)藍圖”研究報告，提出電力與天然氣系統(tǒng)的融合推動美國2040—2045年實現(xiàn)構(gòu)建100%脫碳的電力系統(tǒng)。

1.1.2 歐盟

2005年歐盟成立“智能電網(wǎng)（smart grids）歐洲技術(shù)論壇”，并在2006年發(fā)布了3份智能電網(wǎng)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件：①“歐洲未來電網(wǎng)的遠景和策略（European Smart Grids Technology Platform:Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future）”；②“戰(zhàn)略性研究議程（Strategic Research Agenda for Europe’s Electricity Network of the Future）”；③“戰(zhàn)略部署文件（The SDD Strategic Deployment Document）”，完整勾勒了歐洲智能電網(wǎng)愿景。隨后，各國開展自己的智能電網(wǎng)建設(shè)探索，應(yīng)對21世紀的各種挑戰(zhàn)和機遇。和美國不同，歐洲智能電網(wǎng)的興起主要是大力開發(fā)可再生能源、清潔能源，以及電力需求趨于飽和后提高供電可靠性和電能質(zhì)量等需求所決定的。

12家歐洲企業(yè)2010年1月13日宣布，將集資4000億歐元，在北非和中東地區(qū)打造超級太陽能發(fā)電廠，供應(yīng)歐洲零二氧化碳排放的清潔電力，到2050年之前，實現(xiàn)供給歐洲15%的電力，此即“沙漠科技太陽能計劃”。同時也提出了“超級智能電網(wǎng)（Super Smart Grid）”愿景，在歐洲和北非建設(shè)100%可再生能源（北非太陽能+北海海上風電）供給、HVDC輸送的全新電網(wǎng)。在保障能源安全、環(huán)境和經(jīng)濟目標驅(qū)動下，可再生能源發(fā)展愿景很快被推高到100%目標，將其作為歐洲低碳經(jīng)濟實現(xiàn)路徑的關(guān)鍵基礎(chǔ)，在2012年歐盟“能源2050路線圖”做了詳細闡述。

歐洲輸電運營商聯(lián)盟（ENTSO-E）從2010年開始，每2年滾動更新未來10年電網(wǎng)規(guī)劃（TYNDP）。2018年的TYNDP報告指出[11]，到2040年歐洲電網(wǎng)可再生能源裝機將達到極高占比，滿足75%的負荷需求；需要建立泛歐洲電力系統(tǒng)及電力市場交易體系；加強電網(wǎng)建設(shè)，包括各國內(nèi)部網(wǎng)架及跨國聯(lián)絡(luò)線路，從而降低電價，提升電網(wǎng)安全性并實現(xiàn)高比例可再生能源消納。2019年10月啟動的TYNDP2020工作，目前已經(jīng)完成了規(guī)劃需求分析[12]，其認為歐洲電網(wǎng)規(guī)劃面臨3方面的新需求：①在凈零（net-zero）排放要求下，全歐洲需要統(tǒng)籌提出一個全新的電網(wǎng)方案，在“電+氣”的更大范圍實現(xiàn)平衡；②歐洲電網(wǎng)需要適應(yīng)未來低慣量特性的全新電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、全新穩(wěn)定機理以及新的靈活性供需平衡原理；③進一步提升海上風電的發(fā)展規(guī)模需要一個智能優(yōu)化的規(guī)劃方案。

1.2 未來電網(wǎng)演化的特征和驅(qū)動力總結(jié)

總結(jié)關(guān)于高比例可再生能源電力系統(tǒng)藍圖的研究，在未來電網(wǎng)演化的驅(qū)動力和關(guān)鍵特征方面有了全新的觀點。

首先是未來電力系統(tǒng)演化的主要驅(qū)動由內(nèi)部技術(shù)驅(qū)動主導變?yōu)橥獠繅毫ν苿訛橹?。從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)到智能電網(wǎng)的發(fā)展，技術(shù)是其發(fā)展的第一驅(qū)動力，聚焦在電力系統(tǒng)及其裝備的技術(shù)升級方面。在化石能源枯竭的預期判斷和氣候變化的現(xiàn)實威脅下，實現(xiàn)全社會的低碳化轉(zhuǎn)型成為能源發(fā)展的核心動力，在可持續(xù)發(fā)展目標的導向下，大力開發(fā)可再生能源成為近乎唯一的選擇。對中國而言，綜合考慮發(fā)電能源資源稟賦、水資源條件、生態(tài)環(huán)境承載力以及能源消費總量和強度“雙控”等因素，尤其在經(jīng)濟增速換擋、資源環(huán)境約束趨緊的新常態(tài)下，非化石能源將逐步成為能源需求增量的供應(yīng)主體。未來較長時期，中國能源基本格局將從“以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展”，逐漸過渡到以非化石能源為主體。

其次是風電、光伏等波動電源主導的未來電力系統(tǒng)的供需平衡，需要源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)多向互動、額外的靈活資源支撐乃至多類型能源系統(tǒng)耦合等綜合技術(shù)方案方可實現(xiàn)。NREL對未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的基本運行特性進行了分析。圖1（a）和圖1（b）是報告中給出的高峰負荷日和低谷負荷日的源荷平衡曲線[4]。

圖1 典型負荷日的逐小時供需平衡仿真曲線Fig.1 Hourly dispatch stacks for the typical days

事實上，國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）和其他機構(gòu)的研究得到類似的結(jié)果曲線。在風電、光伏等波動電源主導的場景下，其自身平衡能力嚴重不足帶來了巨大的儲能需求，甚至無法在電力系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)平衡而需要擴展到多能源系統(tǒng)的綜合平衡。事實上，歐洲輸電運營商聯(lián)盟的TYNDP2020規(guī)劃工作首次嘗試將電力和天然氣系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃，就是這一觀點的實踐。

2 高比例可再生能源場景下的靈活性平衡

2.1 高比例可再生能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標

安全、可靠、靈活、經(jīng)濟是電力系統(tǒng)關(guān)注的4個關(guān)鍵性能指標（key performance index，KPI）。在現(xiàn)有研究體系中，安全、可靠和經(jīng)濟3項指標都很好地構(gòu)建了量化指標體系，但靈活性長期停留在定性描述的層面。

在高比例可再生能源接入的未來電力系統(tǒng)愿景中，風電和光伏發(fā)電將成為電力供應(yīng)的重要支柱，其出力的隨機性和波動性，導致電力系統(tǒng)本征特性改變，“基荷”發(fā)電廠基本消失，常規(guī)火電機組在日內(nèi)快速啟停，并通過水電廠、燃氣電廠、儲能等靈活資源調(diào)節(jié)彌補可再生能源隨機波動性。

未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的特性變化使得KPI的關(guān)注點發(fā)生變化，靈活平衡能力成為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的核心，而電網(wǎng)、電源、負荷的多向交互影響使得電力系統(tǒng)運行特性呈現(xiàn)多元化趨勢。因此，基于概率方法的靈活性評價技術(shù)體系、定性和定量因素的耦合評價、負荷需求響應(yīng)能力評價都成為當前研究的熱點。目前關(guān)于靈活性定量定義[13]、評估方法[14]、靈活性專項規(guī)劃[15-17]和基于靈活性的優(yōu)化運行[18-20]等方面的研究都有了很大的進展。

2.2 基于靈活性平衡的電網(wǎng)演化方法

電力系統(tǒng)的發(fā)展演化受到技術(shù)成熟度、能源資源價格、技術(shù)發(fā)展?jié)摿?、社會發(fā)展速度等諸多不確定性因素的影響，演化路徑的發(fā)展具有很強的不確定性。傳統(tǒng)基于人為設(shè)定多場景的方法難以保證所設(shè)場景的典型性，故本文采用可以考慮路徑發(fā)展深度不確定性的全局靈敏度方法對電力系統(tǒng)演化路徑進行研究。

全局靈敏度方法的基本思想是考慮影響演化路徑的多重不確定性因素，采用一定的抽樣方法從多種不確定性因素的分布范圍中抽出海量樣本，并且將每組樣本作為一組路徑演化的邊界條件輸入到電力系統(tǒng)演化模型中。之后，電力系統(tǒng)演化模型生成海量的演化路徑，這些演化路徑將被進一步統(tǒng)計和分析。而本文對傳統(tǒng)全局靈敏度方法進行拓展，將靈活性因素嵌入傳統(tǒng)方法中，包括在多重不確定性因素中考慮靈活性相關(guān)因素以及在電力系統(tǒng)演化模型中考慮靈活性資源及靈活性平衡，以便在結(jié)果中分析靈活性資源在系統(tǒng)演化中的作用。

所考慮的靈活性因素包括技術(shù)成熟度、能源資源價格、技術(shù)發(fā)展?jié)摿?、社會發(fā)展速度等，共計20項，如表1所示（表中最后一列標記該因素是否為靈活性相關(guān)因素），各種因素隨時間發(fā)展而變化的取值范圍參考文獻[21-25]。

本文采用考慮靈活性平衡的電力系統(tǒng)源、荷、儲協(xié)同規(guī)劃模型進行電力系統(tǒng)演化分析，除了常規(guī)的電源可以投資外，所考慮的待投資靈活性資源包括火電機組的靈活性改造（降低最小技術(shù)出力）、多類型儲能（鋰電池、壓縮空氣儲能、抽水蓄能）、兩種需求側(cè)響應(yīng)（負荷轉(zhuǎn)移型和負荷削減型）。火電方面，在規(guī)劃中考慮了火電的爬坡、啟停等靈活性能力，水電以最大、最小、預期出力的“三段式”出力進行考慮，在出力區(qū)間內(nèi)認為其具有充足的爬坡能力，儲能和需求側(cè)響應(yīng)的建?？紤]了功率調(diào)節(jié)和能量搬運的能力。規(guī)劃框架為基于典型日的雙層優(yōu)化，上層為投資決策，下層為典型日的小時級運行模擬，以運行成本與投資成本最小為目標進行優(yōu)化。此建模框架考慮了各環(huán)節(jié)的靈活性能力，可以反映系統(tǒng)在小時級尺度及日尺度的靈活性平衡，且系統(tǒng)整體建模為多節(jié)點系統(tǒng)，可以考慮系統(tǒng)在空間上的靈活性平衡。具體的規(guī)劃模型參考文獻[25]。

表1 電力系統(tǒng)演化發(fā)展的不確定性因素Table1 Uncertain factors in the power system transition

3 算例分析

本章以中國西北電網(wǎng)為例，展示高比例可再生能源發(fā)展的演化路徑。

西北地區(qū)電力系統(tǒng)是中國典型的可再生能源源端系統(tǒng)。截至2020年6月，西北地區(qū)風電裝機達5347萬kW，光伏裝機達4680萬kW，新能源裝機占總裝機的35.9%，且未來仍將持續(xù)增長。

根據(jù)文獻[5]，設(shè)定西北地區(qū)2050年新能源裝機占比達到80%。設(shè)定負荷的年均增速在3%～5%。風、光資源潛力參考文獻[21]。采用2.2節(jié)的方法進行海量演化路徑生成與分析。其中，假設(shè)不確定性的參數(shù)在對應(yīng)區(qū)間內(nèi)呈均勻分布，采用蒙特卡洛法進行隨機抽樣。共進行抽樣500次，對應(yīng)生成了500條演化路徑。

圖2和圖3給出了系統(tǒng)源荷儲各環(huán)節(jié)配置容量的演化路徑，其中實線表示海量規(guī)劃結(jié)果的中位數(shù)，陰影部分表示規(guī)劃結(jié)果的分布范圍?？梢钥闯?，風電和光伏是系統(tǒng)裝機容量的主要增長點，且在發(fā)展后期光伏容量將逐步超過風電；火電的比重逐步下降，水電容量基本穩(wěn)定。靈活性資源配置方面，隨著時間推移，電池儲能將成為最主要的靈活性資源。

圖2 電源結(jié)構(gòu)演化路徑Fig.2 Transition path of generation mix

圖3 靈活性資源演化路徑Fig.3 Transition path of flexibility mix

圖4展示了基于規(guī)劃結(jié)果計算的碳排放演化路徑，實線和陰影部分分別表示中位數(shù)和分布范圍?？梢钥闯?，碳排放在2030—2035年左右達峰，與中國中長期戰(zhàn)略相符。

圖5展示了系統(tǒng)新能源電量滲透率的演化路徑，其中淺藍色的線表示每一個規(guī)劃結(jié)果對應(yīng)的新能源滲透率變化路徑，深藍色的線表示所有路徑的中位數(shù)?？梢钥闯?，系統(tǒng)的新能源滲透率呈上升趨勢，但在驅(qū)動因素的不同取值下，滲透率演化路徑具有明顯差異。

同時，本文統(tǒng)計了在不同路徑下系統(tǒng)靈活性資源的發(fā)展趨勢，這里以關(guān)注度較高的儲能為對象進行分析，探究其在系統(tǒng)演化中的出現(xiàn)以及成為主導靈活性資源的2個“里程碑”情況，其中“主導”是指電池儲能容量在所有靈活性資源中占比超過50%。具體地，本文統(tǒng)計了在生成的海量規(guī)劃結(jié)果中，2個里程碑出現(xiàn)時的滲透率情況，即計算了不同滲透率時里程碑出現(xiàn)頻次的占比。從圖6可以看出，出現(xiàn)最多的情景是，儲能將在新能源容量滲透率為45%左右時介入系統(tǒng)，并在容量滲透率為65%左右時成為主導的靈活性資源。

圖4 碳排放演化路徑Fig.4 Transition path of carbon emission

圖5 新能源滲透率演化路徑Fig.5 Transition path of renewableenergy penetration

圖6 電池儲能在系統(tǒng)演化中的里程碑Fig.6 Milestones of battery storage in the transition

4 結(jié)論

中長期電力系統(tǒng)愿景及其演化規(guī)律的分析是指導行業(yè)發(fā)展的重要前導性研究，本文通過廣泛的國內(nèi)外調(diào)研和海量場景仿真，對中國高比例可再生能源電力系統(tǒng)的形態(tài)演化進行了分析，主要分析結(jié)論如下。

在國際能源清潔化轉(zhuǎn)型驅(qū)動下，電力系統(tǒng)不斷推高可再生能源電源比例成為一個主流的發(fā)展趨勢，而風電、光伏為主的波動電源的快速發(fā)展，使得系統(tǒng)靈活性成為規(guī)劃和運行的核心問題，靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展是未來情景演化的關(guān)鍵因素。

本文采用全局靈敏度方法，考慮影響演化路徑的多重不確定性因素，抽樣形成海量樣本進行電力系統(tǒng)演化仿真，可以有效模擬系統(tǒng)中長期發(fā)展情景。

西北電網(wǎng)的案例分析表明，風電、光伏為主的可再生能源發(fā)展路徑，可以實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和技術(shù)的綜合目標。電池儲能將成為中高比例可再生能源情景下的主要靈活性資源，在最多數(shù)的情境中，儲能將在新能源容量滲透率為45%左右時介入系統(tǒng)，并在容量滲透率為65%左右時成為主導的靈活性資源。