基于可再生能源高比例消納的供電企業(yè)“323”協(xié)同發(fā)展管理模式研究

錢仲豪 茅 雷 王 謙 張 駿

（國網(wǎng)南通供電公司，江蘇 南通 226006）

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，各種類型的能源相互耦合消納，促進(jìn)了可再生能源的高效利用。多能互補(bǔ)系統(tǒng)以全面調(diào)度管理和系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行手段，使能源管理模式發(fā)生了改變。提高可再生能源利用效率，促進(jìn)可再生能源消納，有助于早日達(dá)成“雙碳”目標(biāo)以及改善各類能源用電負(fù)荷，對改善環(huán)境污染和建設(shè)綠色社會具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、可再生能源高比例消納基礎(chǔ)能力分析

（一）東部沿海城市可再生能源的資源分布特點(diǎn)

在我國東部沿海地區(qū)的可再生能源發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)過程中，相關(guān)地區(qū)和城市的可再生資源儲備豐富，太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電比重逐年上升。截止到2020年，江蘇省光伏發(fā)電裝機(jī)容量已超過一千萬千瓦，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)已達(dá)到九百萬千瓦。近年來，核電已經(jīng)成為東部沿海城市可再生能源發(fā)電主要力量，促進(jìn)了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)方式向低碳化和可再生化轉(zhuǎn)型。

我國東部沿海地區(qū)和城市的可再生資源開發(fā)量較大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在參考低風(fēng)速區(qū)域資源的狀況下，東部沿海城市陸上風(fēng)力資源可開發(fā)量達(dá)到了8.96億千瓦，海上風(fēng)能資源為2.11億千瓦，合計(jì)約為11億千瓦。

東部沿海地區(qū)集中式的光伏發(fā)電站可開發(fā)量為3.6億千瓦，分布式可再生能源裝機(jī)的潛力是5.3億千瓦，把光伏發(fā)電建筑考慮在內(nèi)，則達(dá)到9億千瓦。東部沿海地區(qū)房屋建筑面積約為十萬平方公里，且三十年后總用電量的四分之一將是通過光伏發(fā)電產(chǎn)生的，設(shè)備所需占地安裝面積大約為東部沿海地區(qū)現(xiàn)有房屋面積的25%。目前，中東部已開發(fā)的風(fēng)能資源和太陽能資源占可開發(fā)資源量的比例不足1/10，大多資源還未利用起來?？紤]到生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、潮汐能等?shí)際情況，東部沿海地區(qū)的可再生能源發(fā)展前景較好。

（二）東部沿海城市可再生能源的電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)

1.東部沿海城市可再生能源的電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)

伴隨著西北地區(qū)棄風(fēng)和棄光問題日益尖銳，構(gòu)建負(fù)荷中心可再生能源消納前景道路成為能源發(fā)展的一條途徑。在《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，明確提出要重點(diǎn)推動蘇、浙、粵、閩四省的海上風(fēng)電建設(shè)進(jìn)程。光伏方面，發(fā)展中心也逐步由西部向中東部沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移。風(fēng)能資源和光伏資源為代表的可再生能源會在華東區(qū)域得到進(jìn)一步規(guī)?；l(fā)展。

華東地區(qū)可再生能源發(fā)電的比重較低。滬、蘇、浙、皖和閩四省一市被包含在東部地區(qū)的華東電網(wǎng)的供電區(qū)域。近年來，該電網(wǎng)以長三角城市群為核心，基本形成了受端電網(wǎng)局面。滬、江蘇南部、浙江北部和安徽南部構(gòu)成了華東五百千伏主環(huán)網(wǎng)。被納入華東電網(wǎng)的跨區(qū)直流一共有八回，總額定容量39760MV。

按照華東地區(qū)能源發(fā)展規(guī)劃，到2025年，風(fēng)電和光伏將進(jìn)一步翻倍增長，得到迅猛發(fā)展。隨著可再生能源裝機(jī)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)在未來可能會出現(xiàn)消納壓力。

2.東部沿海城市可再生能源的特性

（1）風(fēng)電出力特性

相關(guān)資料表明，華東電網(wǎng)2019年至2020年8月的風(fēng)力出電范圍在10%～20%的占比最大，在20%～30%的比重則位于第二，在60%以上的情況基本不會發(fā)生。因此，可以推斷出華東地區(qū)秋冬季節(jié)風(fēng)力資源較為豐富，夏季風(fēng)力資源則相對匱乏。

（2）光電出力特性

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，光伏日出力的頂峰時(shí)間段大約集中在11時(shí)至13時(shí)。2020年華東電網(wǎng)光伏電站發(fā)電峰值集中在夏季，而分布式可再生能源在秋季發(fā)電量大。

（3）風(fēng)、光互補(bǔ)特性

風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)夏季低秋冬高，而光伏發(fā)電利用小時(shí)數(shù)夏高秋冬季節(jié)低，故而風(fēng)電和光伏具有互補(bǔ)性。光伏發(fā)電一般集中在正午時(shí)間段，風(fēng)電出力在中午時(shí)段較小，因此微觀上風(fēng)電與光伏出力也具有弱互補(bǔ)性。

（三）東部沿海城市可再生能源電網(wǎng)消納現(xiàn)狀

可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模在總體上呈現(xiàn)較大的上升趨勢，客觀系統(tǒng)評價(jià)電網(wǎng)消納可再生能源的能力是促進(jìn)可再生能源滲透率和保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。電力平衡約束和電網(wǎng)安全約束是可再生能源高比例消納的兩個(gè)核心問題。從電力平衡的視角出發(fā)，以多狀態(tài)概率模型來描繪東部沿海地區(qū)可再生能源的發(fā)電特點(diǎn)，從而提出以電網(wǎng)擬接入的風(fēng)光等可再生能源的裝機(jī)規(guī)模、損電量、消納電量和在無約束情況下，來評估電網(wǎng)的消納能力，然后形成可再生能源消納能力分析模型，為評估東部地區(qū)消納可再生能源的能力探索出切實(shí)的方法。

二、東部沿海城市可再生能源高比例消納的路徑

（一）可再生能源高比例消納的基礎(chǔ)發(fā)展路徑

1.形成高度開放的市場能源體制

堅(jiān)守能源供應(yīng)安全可靠的底線，建立健全能源法治體系。通過允許社會資本以自主的形式參與市場競爭，構(gòu)建出高度開放、良性競爭的能源市場體制。采用市場優(yōu)化配置資源的決定性作用，激發(fā)能源的商品性。完善價(jià)格機(jī)制，引導(dǎo)和鼓勵(lì)形成清潔、節(jié)約、高效的能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式。

2.構(gòu)建互聯(lián)、共享的多元供給體系

以柔性輸電技術(shù)和特高壓交直流輸電技術(shù)為手段，不斷擴(kuò)大可再生能源的輸送途徑和消納范圍，進(jìn)一步發(fā)揮不同區(qū)域間的能源互補(bǔ)性和時(shí)空互補(bǔ)性。在配網(wǎng)層面，促使電動汽車、分布式電源、靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷等可控分布式設(shè)備的主動接入，使相關(guān)方具備生產(chǎn)者和使用者雙重屬性，并通過能源路由器打造各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息交換平臺，促進(jìn)能量在各個(gè)環(huán)節(jié)之間靈活雙向高效流動。

3.引進(jìn)能源新興技術(shù)的革新應(yīng)用

一是開發(fā)利用更先進(jìn)的可再生能源發(fā)電設(shè)備，尤其是在家用和商用方面。二是不斷優(yōu)化和提升智能配網(wǎng)的領(lǐng)域技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展特高壓輸電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源遠(yuǎn)程大容量的優(yōu)化配置?；谙冗M(jìn)電子技術(shù)和信息技術(shù)，發(fā)展具有智能管理、智能故障識別、支持分布式設(shè)備接入等功能的新型智能電網(wǎng)。三是進(jìn)一步發(fā)展電轉(zhuǎn)氣等新型能源技術(shù)，以電能為連接器打通各種能源形式之間相互靈活轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

4.建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制

構(gòu)建“發(fā)、輸、配、用”分層互動的技術(shù)系統(tǒng)，明確基于電價(jià)和激勵(lì)的配用環(huán)節(jié)互動策略；構(gòu)建可再生能源監(jiān)測體系，強(qiáng)化綠色調(diào)度數(shù)據(jù)支撐，強(qiáng)化月度指標(biāo)考核和信息發(fā)布；加強(qiáng)日間預(yù)測和優(yōu)先調(diào)度評價(jià)，加大日內(nèi)運(yùn)行監(jiān)視和智能控制；構(gòu)建綠色調(diào)度評價(jià)指標(biāo)體系，創(chuàng)建一體化的綠色調(diào)度評價(jià)流程，應(yīng)用風(fēng)光優(yōu)先調(diào)度評價(jià)平臺，規(guī)范棄風(fēng)（棄光）電量計(jì)算。

（二）可再生能源高比例“三個(gè)協(xié)調(diào)”的系統(tǒng)創(chuàng)新路徑

1.源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化

將“源-網(wǎng)-荷-儲”配套解決方案囊括在內(nèi)的運(yùn)營方案即為“源網(wǎng)荷儲”一體化系統(tǒng)?！霸?網(wǎng)-荷-儲”四者之間通過多形式的交互感應(yīng)與協(xié)調(diào)運(yùn)作，有助于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)功率的動態(tài)平衡，精準(zhǔn)控制可中斷的用電負(fù)荷和儲能設(shè)備，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，改善可再生能源并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)產(chǎn)生的波動性等問題。

2.電網(wǎng)政企協(xié)調(diào)機(jī)制

圖8a展示了Loppa高地西部、Bj?rn?ya盆地內(nèi)的氣煙囪分布的地震反射雜亂特征，覆蓋面積達(dá)36 km2，終止于白堊紀(jì)地層的頂部。Bj?rn?yrenna斷裂復(fù)合帶（BFC）（圖1）小的氣煙囪位于斷裂的右側(cè)（圖8a）；推測氣體沿著這些斷層向上遷移。Polheim子臺地識別出一個(gè)超大氣煙囪（圖8b），寬大約為12 km，覆蓋面積達(dá)130 km2，顯現(xiàn)聲學(xué)假象特征。

加強(qiáng)政企協(xié)同，橫向和政府部門積極對接，掌控好政府能源部門對可再生能源發(fā)展項(xiàng)目的規(guī)劃和政策，形成定期溝通機(jī)制和常態(tài)合作關(guān)系，在電網(wǎng)規(guī)劃、資源規(guī)劃、項(xiàng)目工程建設(shè)、能源接入等方面展開全方位合作，促進(jìn)政府主導(dǎo)的可再生能源規(guī)劃方案與電網(wǎng)規(guī)劃的融洽對接。

3.電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化

構(gòu)建電力能源利用效果模型，提升可再生能源消納；搭建能源系統(tǒng)智能管理平臺，從能源定時(shí)監(jiān)測、能源信息輸出、能效研判、能源數(shù)據(jù)預(yù)測、能源調(diào)度、能源平衡、需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)等多方面優(yōu)化能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度。

三、東部沿海城市可再生能源高比例消納的發(fā)展策略

（一）實(shí)行風(fēng)光資源大規(guī)模開發(fā)的時(shí)序配合管理

在東部沿海城市可再生能源發(fā)電項(xiàng)目容量規(guī)模和站址優(yōu)選已確認(rèn)后，確?？稍偕Y源的合理配置，制定優(yōu)化目標(biāo)、構(gòu)建優(yōu)化模型、選擇解決方法，對該區(qū)域的可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)掘和實(shí)施，設(shè)計(jì)出一套最合理的時(shí)間順序協(xié)調(diào)決策方案。

以多目標(biāo)決策理論和方法為出發(fā)點(diǎn)，以安全、綠色、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性為基本原則，以區(qū)域內(nèi)二氧化碳排放量最小和煙塵廢氣排放量最低、煤炭使用率最小和效益成本最優(yōu)為決策的目標(biāo)函數(shù)，以電量保障約束、裝機(jī)容量規(guī)模約束、備用容量可靠性約束、污染物排放量約束、電源結(jié)構(gòu)下上界約束、機(jī)組出力約束和最早投運(yùn)年限約束等為約束條件。

優(yōu)化模型應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先、生態(tài)效益高、化石能源消耗最低為目標(biāo)，在滿足電力需求和負(fù)荷的前提條件下，參謀能源供給狀況和環(huán)境保護(hù)效益約束條件，以及經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境三者協(xié)調(diào)發(fā)展的最終目的。以南通市為例，針對電網(wǎng)承載力開展計(jì)算，以可再生能源承載力評估計(jì)算結(jié)果為指導(dǎo)，合理開展可再生能源規(guī)劃評審，科學(xué)有序引導(dǎo)可再生能源接入，優(yōu)先考慮規(guī)劃綠色區(qū)域、避免扎堆接入黃色區(qū)域、積極調(diào)整疏導(dǎo)紅色區(qū)域，促進(jìn)可再生能源高比例消納。

（二）可再生能源開發(fā)的技術(shù)方法及裝備管理與電網(wǎng)融合應(yīng)用

1.虛擬電廠

組成虛擬電廠的主體呈現(xiàn)出規(guī)?；c多樣化的特點(diǎn)，其運(yùn)作方式也更為復(fù)雜，使得認(rèn)知主體和調(diào)度管理的難度也更大。首先，虛擬電廠中各個(gè)主體的不穩(wěn)定性較大，難以實(shí)現(xiàn)精確的物理模型構(gòu)建。其次，用戶的多方行為、多種終端間的耦合極大地降低了虛擬電廠參與能量管理、參與市場交易的可行性。在這種情況下，擬用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式對實(shí)現(xiàn)參與主體的精準(zhǔn)認(rèn)知與合理調(diào)度、市場交易決策的制定具有明確的指向性。

2.激勵(lì)模型應(yīng)用

分布式能源由于自身容量約束和功率限制，一般無法直接參與電力市場的各品種交易，受自身功率輸出的不穩(wěn)定性影響，在電力市場交易中的競爭力較弱且承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)成本較高。為有效防范可再生能源偏差考核風(fēng)險(xiǎn)，針對可再生能源較大的特點(diǎn)，構(gòu)建完備的可再生能源上、下調(diào)服務(wù)鼓勵(lì)機(jī)制，激勵(lì)發(fā)用電兩側(cè)積極參與市場化交易，減少系統(tǒng)供需平衡偏差，以提升電力市場活力，促進(jìn)自由交易。

（三）電力市場激活電網(wǎng)靈活性的管理模式

1.調(diào)整日前市場

省間增量交易、需求側(cè)響應(yīng)交易、調(diào)頻輔助服務(wù)、省內(nèi)電能量交易這4個(gè)交易品種被包含在日前市場內(nèi)。首先，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)邊界數(shù)據(jù)來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，并組織好省間增量交易和需求側(cè)響應(yīng)交易，然后把交易結(jié)果作為省內(nèi)電能量市場交易的邊界數(shù)據(jù)。其次，利用好安全約束機(jī)組組合算法，以合適的購電成本為目標(biāo)確定燃煤機(jī)組的開停方式。再次，組織調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易，并根據(jù)調(diào)頻市場出清結(jié)果，對發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力進(jìn)行修正。最后，通過SCED模型對日前發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行校正，以獲得實(shí)時(shí)出清結(jié)果。日內(nèi)機(jī)組組合則用于銜接日前市場和實(shí)時(shí)市場，以適應(yīng)可再生能源預(yù)測偏差、負(fù)荷預(yù)測偏差對電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

2.輔助服務(wù)市場設(shè)計(jì)方面

堅(jiān)持以中長期交易為主、現(xiàn)貨交易（輔助服務(wù)交易和電能量交易）為補(bǔ)充的原則，鼓勵(lì)和推動可再生能源保障性電量以外的部分積極參與市場競爭，逐步擴(kuò)大可再生能源參與市場競爭電量的交易比重，從而促進(jìn)東部沿海城市電網(wǎng)可再生能源消納水平的提升。

3.零售市場設(shè)計(jì)方面

用戶根據(jù)自身需求和售電公司在“去中心”化的電力交易平臺上簽訂交易合同。隨著非市場化用戶數(shù)量的逐步減少，市場化用戶和個(gè)性化售電套餐的不斷增多，將使更多需求側(cè)的靈活性資源能夠參與到系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)中，更靈活的零售電價(jià)對需求的調(diào)節(jié)作用也更為明顯。

四、結(jié)語

高效地開發(fā)和利用可再生能源是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重大戰(zhàn)略性舉措。優(yōu)化可再生能源并網(wǎng)接入和調(diào)度運(yùn)行，規(guī)范可再生能源參與市場化交易，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可再生能源發(fā)展中存在的突出問題，有助于保證可再生能源得到高效的利用，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。供電公司可再生能源高比例消納協(xié)同發(fā)展管理工作的推進(jìn)，將促進(jìn)多能融合協(xié)同發(fā)展管理策略逐步成型，使可再生能源開發(fā)的技術(shù)方法及裝備水平管理得到質(zhì)的提升，并為可再生能源高比例消納協(xié)同發(fā)展管理提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，助力管理攻關(guān)，提升電網(wǎng)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。