雙碳目標(biāo)下新能源消納能力提升方法研究

溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著當(dāng)今世界人口的過度增長以及石油、煤炭等常規(guī)化石能源日益枯竭，能源危機(jī)已經(jīng)成為世界各國發(fā)展面臨的首要問題。我國已將發(fā)展清潔能源作為應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境惡化的有效手段之一，其中新能源的合理利用成為國內(nèi)外的研究重點(diǎn)，分布式光伏與風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為未來能源發(fā)展的必然方向。如圖1所示，我國新能源并網(wǎng)裝機(jī)和消納總量高速增長，但隨之也帶來很多問題亟需解決[1]。

圖1 我國風(fēng)電和太陽能裝機(jī)容量示意圖

現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究中，針對新能源消納能力提升方面的研究主要集中于兩方面：一方面，對新能源節(jié)點(diǎn)接入的電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)架改造，主要在功角穩(wěn)定下科學(xué)建模后進(jìn)行仿真分析，剖析新能源裝機(jī)容量上升對電網(wǎng)的影響，仿真結(jié)果表明，合理降低系統(tǒng)最小允許負(fù)荷水平是現(xiàn)階段增強(qiáng)電力系統(tǒng)消納光伏電源能力的主要方法，但實(shí)際此類方法并不被電網(wǎng)企業(yè)采納，原因在于一來其與供電企業(yè)的定位和鼓勵(lì)用電促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的愿景不符，二來有新能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)負(fù)荷特性與凈負(fù)荷特性在時(shí)間尺度上并不匹配。因此，降低系統(tǒng)最小允許負(fù)荷實(shí)際上不能有效解決電網(wǎng)對新能源消納能力受限的問題。另一方面，通過改善電網(wǎng)負(fù)荷特征提高電網(wǎng)對分布式新能源的消納能力，改善電網(wǎng)負(fù)荷特征主要可分為儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用與轉(zhuǎn)移負(fù)荷兩個(gè)方面。轉(zhuǎn)移負(fù)荷方法是以用戶需求作為出發(fā)點(diǎn)，將價(jià)格響應(yīng)、激勵(lì)響應(yīng)作為調(diào)節(jié)機(jī)制，爭取最大程度上調(diào)整甚至改變用戶的傳統(tǒng)用電行為，實(shí)際上轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方法并不能提高區(qū)域電網(wǎng)的消納能力，另外，此方法成本過高，因而并不被電網(wǎng)企業(yè)所采用。鑒于此，需要采用儲(chǔ)能技術(shù)解決電力系統(tǒng)對新能源接納能力不足的問題，本文著重對這方面展開分析。

1 新能源消納空間理論分析

假如本地區(qū)的電力系統(tǒng)潮流無發(fā)、輸、配、變、用五個(gè)方面的安全約束，無事故N-1原則下的出力約束，無斷面過載等特殊情況，新能源發(fā)電系統(tǒng)只需滿足發(fā)電機(jī)組與負(fù)荷消耗的動(dòng)態(tài)平衡、區(qū)域電力系統(tǒng)發(fā)電曲線的下限約束、聯(lián)絡(luò)線路上的通道輸送安全約束，并對事故情況留有一定容量的正備用，則理論上新能源最大消納空間位于負(fù)荷曲線與電力系統(tǒng)發(fā)電曲線的下限約束之間，如圖2所示。

圖2 地區(qū)電網(wǎng)新能源消納空間示意圖

本地區(qū)的電力系統(tǒng)在t時(shí)刻可消納新能源最大空間出力的功率約束[2]為：

式中：PDG.i（t）為t時(shí)刻第i臺(tái)分布式新能源注入電網(wǎng)的有功功率；Pf（t）為t時(shí)刻電網(wǎng)中負(fù)荷消耗功率；Pl（t）為t時(shí)刻電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)線外送的有功功率；R+為t時(shí)刻電網(wǎng)中事故正備用留下的有功功率常數(shù)；Pg.i（t）為t時(shí)刻電網(wǎng)中第i臺(tái)常規(guī)機(jī)組的有功功率；m為本地區(qū)的電力系統(tǒng)所有的分布式新能源數(shù)量和；N為本地區(qū)的電力系統(tǒng)所有的常規(guī)機(jī)組的數(shù)量和。

顯然，在考慮最大程度消納新能源的情況下，地區(qū)調(diào)度應(yīng)降低事故正備用，讓調(diào)節(jié)速度快的機(jī)組盡可能參與運(yùn)行，減少常規(guī)機(jī)組開機(jī)。

本地區(qū)電力系統(tǒng)可消納新能源最大空間應(yīng)是功率約束式（1）對時(shí)間的曲線積分：

從積分曲線來看，孤立系統(tǒng)的新能源消納能力主要取決于電源的總體調(diào)節(jié)性能、負(fù)荷電量以及負(fù)荷峰谷差。電源調(diào)節(jié)性能越好，負(fù)荷電量越高，峰谷差越小。儲(chǔ)能調(diào)節(jié)系統(tǒng)在需求側(cè)做出響應(yīng)剛好可以提高上包圍積分曲線，下降下約束曲線，從而擴(kuò)大新能源的消納空間，本文下一節(jié)將針對新能源消納能力進(jìn)行具體分析。

2 配置儲(chǔ)能系統(tǒng)下的新能源消納能力分析

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究通過常規(guī)機(jī)組為系統(tǒng)提供備用調(diào)節(jié)容量來解決風(fēng)光等新能源出力波動(dòng)的問題，從而提高新能源的消納能力；或研究在源側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，抑制新能源出力波動(dòng)的同時(shí)，使得新能源具有一定的可控性，從而提高片區(qū)對可再生新能源的消納水平。本文利用儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)特的電源和負(fù)荷雙重屬性，通過降低負(fù)荷峰谷差，跟蹤新能源發(fā)電，平抑新能源并網(wǎng)波動(dòng)，來提升地區(qū)電網(wǎng)對新能源的消納能力。在新能源出力功率高于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為儲(chǔ)存負(fù)荷將多余功率進(jìn)行存儲(chǔ)，減少棄光棄風(fēng)，從而提高新能源的利用率；而在新能源發(fā)電不足時(shí)，儲(chǔ)能可充當(dāng)電源，將原本儲(chǔ)存的能量釋放出來，為饋線上的負(fù)荷供電。

在進(jìn)行安全性運(yùn)行約束條件計(jì)算時(shí)，分布式新能源和并網(wǎng)的配電網(wǎng)有功功率應(yīng)滿足系統(tǒng)運(yùn)行的功率平衡約束，假定其公式如下：

式中：PDG.i、QDG.i為分布式新能源注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率；n為某一節(jié)點(diǎn)上所有的分布式新能源數(shù)量和；PDW、QDW為電網(wǎng)注入的有功功率和無功功率；PL、QL為電網(wǎng)負(fù)載有功功率和無功功率；PLoss、QLoss為電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗。

配電網(wǎng)中大量的分布式新能源并網(wǎng)使得配網(wǎng)的消納能力受到了一定的限制，存在如母線電壓越限、饋線載流量越限等風(fēng)險(xiǎn)，故電壓的安全性運(yùn)行約束條件為[3]：

式中：Ui、UN為節(jié)點(diǎn)電壓值與電網(wǎng)電壓額定值；Uimin、Uimax為節(jié)點(diǎn)電壓值最小值與最大值；α為電壓偏移系數(shù)，一般取7%。

10 kV饋線以及升壓變壓器的載流量需防止并網(wǎng)線路長時(shí)間過載運(yùn)行，故電流的安全性運(yùn)行約束條件為：

式中：Ii、IiE為線路負(fù)載電流值與線路負(fù)載電流額定值；Si、SiE為變壓器負(fù)載容量與變壓器負(fù)載容量額定值。

儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤節(jié)點(diǎn)電壓的變化進(jìn)行無功功率的動(dòng)態(tài)輸出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓Ui大于儲(chǔ)能電壓上限Ui.cnmax時(shí)應(yīng)該減少輸出的無功功率；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓Ui小于儲(chǔ)能電壓下限Ui.cnmin時(shí)應(yīng)該增大輸出的無功功率；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓處于儲(chǔ)能電壓上限與下限之間時(shí)，儲(chǔ)能輸出的無功功率QCN維持設(shè)定值QSD不變。故儲(chǔ)能無功功率的安全性運(yùn)行約束條件為：

儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤節(jié)點(diǎn)電壓的變化率dUi進(jìn)行有功功率PCN的動(dòng)態(tài)輸出，且儲(chǔ)能放電功率與充電功率需要保持一定的平衡，一定時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)也需滿足要求，故儲(chǔ)能有功功率的安全性運(yùn)行約束條件為：

式中：dUqdi.cn為儲(chǔ)能電壓變化率啟動(dòng)閾值；WF、WC為儲(chǔ)能放電與充電平均功率；TF、TC為儲(chǔ)能放電與充電周期；ηF、ηC為儲(chǔ)能放電與充電效率。

從調(diào)度SCADA系統(tǒng)中獲取某地區(qū)6月—9月的負(fù)荷數(shù)據(jù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電曲線，代入上式進(jìn)行條件約束，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電主動(dòng)消納曲線，如圖3所示。圖3中前兩個(gè)時(shí)段未計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)；后兩個(gè)時(shí)段按照調(diào)度指令主動(dòng)消納電能，降低網(wǎng)架重載運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，獲取當(dāng)前電網(wǎng)的模型和各項(xiàng)出力數(shù)據(jù)進(jìn)行電量平衡計(jì)算與配電網(wǎng)潮流計(jì)算，然后判斷是否滿足安全性運(yùn)行約束條件，不滿足時(shí)下發(fā)指令調(diào)整儲(chǔ)能進(jìn)行充放電參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。不難發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能技術(shù)能平穩(wěn)有效地抑制地區(qū)負(fù)荷的峰谷差，提高新能源最大利用發(fā)電效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、用電在時(shí)空上的解耦，有效緩解電力供需之間的矛盾。

圖3 雙碳目標(biāo)下儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電主動(dòng)消納曲線

3 結(jié)語

我國明確提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，而電力降碳是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵因素，因此當(dāng)前的首要任務(wù)就是推動(dòng)發(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)型，減少火力發(fā)電，提倡水電或新能源的并網(wǎng)接入。但現(xiàn)階段的電網(wǎng)非正常運(yùn)行方式下，新能源機(jī)組常常因其出力的間接性、隨機(jī)性或故障區(qū)段未供電面臨主動(dòng)或被動(dòng)制約出力，導(dǎo)致片區(qū)內(nèi)可再生能源利用率大打折扣的問題。本文針對以上現(xiàn)狀及問題提出在發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的措施，融合SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)給出一種基于儲(chǔ)能調(diào)節(jié)模式的電網(wǎng)新能源消納方法，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)曲線分析。結(jié)果表明，儲(chǔ)能參與電網(wǎng)新能源消納調(diào)節(jié)，可使電網(wǎng)消納分布式電源發(fā)電的能力得到明顯提高。