新能源高滲透系統(tǒng)靈活性供給能力評價方法研究

王曉斌，張高航，余忠平，胡志云，辛超山

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引 言

在新型電力系統(tǒng)發(fā)展愿景下，隨著風電、光伏等新能源滲透比例增高，電力不平衡概率增加，系統(tǒng)峰谷差增大，系統(tǒng)靈活性需求加劇，靈活性調節(jié)能力嚴重不足，靈活性供需平衡和新能源消納面臨重大挑戰(zhàn)[1-2]。合理實用的靈活性評價方法對提升新能源消納措施的制定、靈活性資源的配置及新型電力系統(tǒng)的構建意義重大。

國內外相關學者基于不同角度提出了對靈活性不同的定義和理解。文獻[3]認為電力系統(tǒng)靈活性是一定時間尺度及經濟成本約束下，系統(tǒng)響應負荷波動性與不確定性及滿足相應可靠性要求的能力。文獻[4]定義電力系統(tǒng)靈活性是在特定時間尺度下協(xié)調、調配可調功率的資源，并概括電力系統(tǒng)靈活性量化評價方法包含：基于靈活性資源屬性的打分法、基于生產模擬的概率評價方法、區(qū)間評價方法、基于微分方程的動態(tài)域評價方法[5-8]。隨著新能源高比例并網(wǎng)，系統(tǒng)的靈活性需求激增，合理配置和優(yōu)化調度不同類型靈活性資源[9-10]是提升系統(tǒng)靈活性、促進新能源消納的重要手段。文獻[11-12]充分挖掘了需求響應的靈活調節(jié)能力，提出了一種考慮電力系統(tǒng)分時電價與可中斷負荷的靈活性資源優(yōu)化運行方法及優(yōu)化配置方法。該方法有利于提升負荷側運行的靈活性。文獻[13]利用儲能系統(tǒng)優(yōu)化含大規(guī)模風電的電力系統(tǒng)運行，以提高風電消納水平。

為有效解決新能源高占比發(fā)展愿景與隨之增長的靈活性需求的矛盾，學者們考慮納入不同類型靈活性資源協(xié)調電力系統(tǒng)規(guī)劃及運行優(yōu)化。文獻[14-15]提出了在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃與含波動性電源電力系統(tǒng)運行中計及靈活性量化評價指標體系的方法；文獻[16-17]提出了評估機組組合的靈活性指標，并以投資及運營經濟性最優(yōu)為目標構建了考慮不同靈活性機組的電源擴展規(guī)劃模型，研究分析了靈活性評估指標在發(fā)電規(guī)劃與市場運營中的效用。上述關于電力系統(tǒng)靈活性研究的重點在于：均利用源、網(wǎng)、荷、儲側靈活性資源提升系統(tǒng)運行靈活性的方法，較少綜合考慮系統(tǒng)靈活性供需的協(xié)調優(yōu)化與平衡，以及量化評估各靈活性資源對系統(tǒng)靈活性的影響，對于新能源高滲透系統(tǒng)的適用性不高。電力系統(tǒng)不同類型靈活性資源的調節(jié)潛能仍有待挖掘，研究評價新能源高滲透系統(tǒng)靈活性供給能力的方法對提升電力系統(tǒng)整體靈活性、促進新能源消納具有重要意義。

針對新能源高滲透系統(tǒng)激增的靈活性需求，本文結合負荷與新能源的時序波動特性建立系統(tǒng)靈活性需求模型；綜合考慮常規(guī)火電機組靈活性改造和負荷需求響應以及儲能等靈活性資源協(xié)調運行，構建源荷儲靈活性資源供給能力模型；以優(yōu)化系統(tǒng)整體的靈活性為目標，提出新能源高滲透系統(tǒng)靈活性資源供給能力評價指標，在此基礎上，綜合考慮系統(tǒng)靈活性供給和需求的協(xié)調優(yōu)化與平衡，提出新能源高滲透系統(tǒng)靈活性供給能力評價方法；最后以改進IEEE 39 節(jié)點算例系統(tǒng)對比分析并驗證所提評價方法的有效性，以及不同類型靈活性資源對系統(tǒng)靈活性的影響和作用，量化分析不同運行場景下系統(tǒng)的靈活性需求。

1 新能源高滲透系統(tǒng)靈活性建模

1.1 靈活性需求建模

圖1 為我國新疆某區(qū)域某月電網(wǎng)新能源、負荷與凈負荷的實際運行曲線。由圖1 可看到：隨著新能源大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)凈負荷曲線呈小時級波動變化愈加強烈，“尖峰”“低谷”現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，在600~700 h 等部分時段出現(xiàn)較大“峰谷差”；同時小時級波動變化率明顯變大，在250~300 h、400~450 h 等多個時段出現(xiàn)極度陡峭的爬坡現(xiàn)象。當凈負荷的隨機波動超出常規(guī)電源機組的爬坡容量或者最小技術出力的調節(jié)范圍時，將會出現(xiàn)棄新能源或切負荷的風險，而且此類風險會隨著新能源滲透比例的提升而顯著增加。因此，新能源高滲透系統(tǒng)需要更加充裕的調節(jié)容量和更加靈活的應變速度及響應能力。

圖1 新疆某區(qū)域電網(wǎng)新能源、負荷與凈負荷實際運行曲線

圖2 所示為不同新能源滲透率下的系統(tǒng)日凈負荷曲線。由圖2 可以看到：新能源占比為30%時，11~19 h凈負荷波動較大，系統(tǒng)調峰壓力驟增，常規(guī)機組無法滿足靈活性需求；當新能源占比提升至50%時，系統(tǒng)靈活性不足時段擴大至10~20 h、6.5~8 h 兩個時段。因此，新能源高滲透系統(tǒng)需要通過常規(guī)火電機組靈活性改造、合理配置儲能、挖掘負荷調節(jié)潛力等手段提升系統(tǒng)靈活性[18]。

本文將新能源高滲透系統(tǒng)的靈活性需求FNE，t表征為應對凈負荷PNL，t不確定變化所需要的系統(tǒng)調節(jié)能力[19]，公式如下：

根據(jù)凈負荷功率波動的變化方向，可以將靈活性需求分為向上、向下靈活性需求，如下所示：

式中：PNL,t和PNL,t+1分別為系統(tǒng)t時刻和t+1 時刻的凈負荷功率；Δt為調度時段間隔；ΔPNL,t=PNL,t+1-PNL,t表征t~t+1 時段的凈負荷時序波動變化量。

1.2 靈活性資源供給能力建模

本文將電力系統(tǒng)中多時間尺度上存在功率調節(jié)作用的資源定義為靈活性資源[20]。在新能源高滲透系統(tǒng)中，常規(guī)機組、負荷需求響應等靈活性調節(jié)資源調峰空間較小，爬坡速度也難以滿足需求，故針對常規(guī)機組，可通過靈活性改造提升其靈活性調節(jié)能力，儲能系統(tǒng)具有雙向調節(jié)特性，亦可作為靈活性調節(jié)資源。

Δt時段內，系統(tǒng)向上靈活性供給能力FupSU,t和向下靈活性供給能力FdnSU,t的計算公式如下：

式中：Ng、Nf、Ns、NTL、NIL分別表示常規(guī)火電機組、靈活性改造火電機組、儲能系統(tǒng)、可轉移負荷、可中斷負荷的數(shù)量；FupG,g,t、FupFG,f,t和FdnG,g,t、FdnFG,f,t分別為Δt時段火電機組靈活性改造前后可供給的上、下調功率；Pg,t和Pg,max、Pg,min分別為常規(guī)火電機組Δt時段內的出力和最大、最小允許發(fā)電功率；Pf,t和Pf,max、Pf,min分別為靈活性改造后火電機組Δt時段內的出力和最大、最小允許出力；Rupg、Rupf和Rdng、Rdnf分別為火電機組靈活性改造前后的向上、向下爬坡速率；FupS,s,t、FdnS,s,t為儲能s可供給的上、下調功率；Ps,t、PC,s,max、PD,s,max分別為Δt時段內儲能s的功率和最大允許充、放電功率；Es,t和Es,max、Es,min分別為Δt時段內儲能s的電量及其上、下限；ηC、ηD為儲能系統(tǒng)的充、放電效率；FupTL,m,t、FupIL,n,t和FdnTL,m,t分別為Δt時段內可轉移負荷、可中斷負荷可提供的上、下調功率；PTLm,t、PTLm,max、PTLm,min是Δt時段內可轉移負荷的轉移功率及其上、下限；PILn,t、PILn,max是Δt時段內可中斷負荷的中斷功率及其上限。

2 新能源高滲透系統(tǒng)靈活性供給能力評價指標

根據(jù)靈活性的方向性特征，本文從系統(tǒng)整體靈活性優(yōu)化的角度，借鑒節(jié)點運行靈活性[15]思想，定義系統(tǒng)靈活性供給能力評價指標。

2.1 系統(tǒng)最大向上/向下靈活性供給能力

時段t內，系統(tǒng)在靈活性資源供給能力與運行約束下的最大向上/向下靈活性供給能力MMUFSC,t、MMDFSC,t，反映系統(tǒng)在各模擬運行時段可提供的最大靈活性供給容量。

2.2 系統(tǒng)已有向上/向下靈活性供給能力

系統(tǒng)在時段t既有或已發(fā)生的凈負荷波動變化量MEUFSC,t、MEDFSC,t公式如下：

2.3 系統(tǒng)可用向上/向下靈活性供給能力

系統(tǒng)于Δt時段內最大向上/向下靈活性供給能力與已用向上/向下靈活性供給能力的差值MAUFSC,t、MADFSC,t表示為：

圖3 以系統(tǒng)向上靈活性供給能力評價指標MMUFSC,t、MEUFSC,t和MAUFSC,t為例表明各指標之間的關系，其中灰色實心圓和實線分別表征系統(tǒng)t時段的實際運行點和凈負荷曲線。由式（3）可得到系統(tǒng)t時段凈負荷的向上爬坡功率ΔPupNL,t，由于該時段系統(tǒng)最大向上靈活性供給能力MMUFSC,t>ΔPupNL,t，因此該時段的已用向上靈活性供給能力MEUFSC,t數(shù)值上等于該向上爬坡功率；而該時段的可用向上靈活性供給能力MAUFSC,t等于系統(tǒng)最大向上靈活性供給能力MMUFSC,t減去已用向上靈活性供給能力MEUFSC,t的差值。

圖3 系統(tǒng)向上靈活性供給能力評價指標關系圖

3 新能源高滲透系統(tǒng)靈活性評價指標計算模型

3.1 目標函數(shù)

本文從系統(tǒng)整體靈活性優(yōu)化角度出發(fā)，在各靈活性資源供給能力約束、運行約束、系統(tǒng)功率平衡等約束條件下，以模擬時段內系統(tǒng)靈活性供給能力最大為目標，確定各時段系統(tǒng)的最大向上/向下靈活性供給容量，如式（11）所示：

3.2 約束條件

1）靈活性資源供給能力約束：如式（5）和式（6）所示。

2）t時段系統(tǒng)已用向上/向下靈活性供給能力理論上不應超過系統(tǒng)凈負荷向上/向下爬坡功率，公式如下：

3）功率平衡約束。

4）電源機組出力約束。

式中：δg,t、δr,t、δf,t分別表征常規(guī)火電、新能源和靈活性改造火電機組的運行狀態(tài)。

5）火電機組爬坡及啟停約束。

式中：xf,t是表征火電機組靈活性改造與否的決策變量；Pf,min、P?f,min為火電機組靈活性改造前后的最小允許發(fā)電值；ΔPf+、ΔPf+?和ΔPf-、ΔPf-?分別為火電機組靈活性改造前后的上、下爬坡變量；ΔP-g、ΔP+g和Mong、Moffg依次表征常規(guī)火電機組的最小、最大爬坡極限和最短啟、停時間；Tfm,oinn、Tfm,oinn?和Tfm,oinff、Tfm,oinff?代表火電機組靈活性改造前后的最小啟、停時間。

6）可轉移負荷運行約束。

式中：PTLm,t為可轉移負荷m的調用轉移容量；δin,m,t、δout,m,t和PTLin,m,t、PTLout,m,t分別為時段t可轉移負荷m的轉入、轉出轉移狀態(tài)和轉移容量。

7）可中斷負荷運行約束。

式中：PILn,t為可中斷負荷n的調用中斷容量；δILn,t和TILn,max分別為Δt時段內可中斷負荷n的調用狀態(tài)和最大可中斷時間。

8）儲能運行約束。

式中：cs,t、ds,t表征儲能的充、放電狀態(tài)；Es,t=0和Es,t=T表示儲能s初、末狀態(tài)的存儲能量。

4 算例分析

本節(jié)基于改進的IEEE 39 節(jié)點10 機組系統(tǒng)設置算例，常規(guī)火電機組的裝機容量總共為1 662 MW，預留最大負荷的5%作為備用容量，詳細參數(shù)見文獻[21]?；趫鼍胺治龇ㄟx取典型日場景，其負荷及新能源出力數(shù)據(jù)如圖4 所示。保持負荷不變，設置新能源滲透比例從0%逐步提升至50%，得到系統(tǒng)的靈活性需求變化如圖5所示。

圖4 負荷及新能源某典型日數(shù)據(jù)

圖5 不同新能源滲透率下系統(tǒng)靈活性需求變化

以新能源滲透率30%的運行場景為例，參考文獻[21]分別配置靈活性改造火電機組300 MW、可中斷負荷100 MW、儲能系統(tǒng)100 MW，切負荷與新能源棄電損失成本分別取1 293.48 元/MW 和646.74 元/MW，通過Matlab R2017b 軟件調用CPLEX 求解器實現(xiàn)求解。通過設計5 種情景的運行模擬方案，對比分析源、荷、儲不同類型靈活性資源的供給能力及其對系統(tǒng)靈活性的影響。

1）情景1：僅考慮常規(guī)火電機組提供靈活性；

2）情景2：基于情景1 考慮靈活性改造火電機組；3）情景3：基于情景1 考慮可中斷負荷；

4）情景4：基于情景1 考慮儲能系統(tǒng)；

5）情景5：綜合考慮源、荷、儲靈活性資源協(xié)調優(yōu)化。

4.1 系統(tǒng)靈活性供給能力評價結果分析

基于上述靈活性供給能力評價指標對系統(tǒng)不同情景下的運行方案進行評估，可以得到不同情景下系統(tǒng)各時段靈活性供給能力及評價結果，如圖6、表1 所示。

表1 不同情景下的系統(tǒng)靈活性供給能力評價結果 MW

圖6 不同情景下的各時段系統(tǒng)靈活性供給能力

根據(jù)圖6 與表1 可知：由于具有強隨機波動性的新能源高比例滲透，情景1 系統(tǒng)的最大向下靈活性供給無法滿足系統(tǒng)的凈負荷波動，導致系統(tǒng)在時段3 h 的可用靈活性供給能力為0，意味著該時段很可能會發(fā)生失負荷風險；而情景2 通過靈活性改造火電機組、情景3 通過引入需求響應，使系統(tǒng)全天可用靈活性供給能力有所提高，但該時段的向下靈活性需求仍有部分無法滿足，切負荷風險依舊存在；情景4 引入儲能系統(tǒng)后，系統(tǒng)全天最大及可用靈活性供給能力均大幅增加，說明儲能的靈活性供給水平更高，而相應運行成本也隨之增高；綜合考慮，源、荷、儲靈活性資源的情景5 中系統(tǒng)整體及各時段靈活性供給能力均最優(yōu)。

4.2 不同類型靈活性資源作用分析

以系統(tǒng)運行成本和棄新能源、切負荷風險成本等總成本最優(yōu)為目標，得到不同情景下系統(tǒng)各時段實際靈活性調節(jié)能力與各項成本，如圖7、表2 所示。

表2 不同情景下的系統(tǒng)各項成本 萬元

圖7 不同情景下的各時段系統(tǒng)實際靈活性調節(jié)能力

由圖7 和表2 可以看到：相較情景1，情景2 通過靈活性改造火電機組300 MW，使系統(tǒng)的向上、向下靈活性供給能力分別提高636.18 MW、154.52 MW；情景3 引入可中斷負荷，能夠在10 h、19~20 h 的負荷用電高峰時段削減一些非必需負荷來提供向上靈活性供給，使系統(tǒng)向上靈活性供給能力整體增加153.48 MW，但由于其受最大可中斷容量的限制且無法提供向下靈活性供給，系統(tǒng)的棄新能源風險成本及總成本略有增加；情景4 通過調動儲能在峰/谷荷時段放/充電，使系統(tǒng)向上、向下靈活性供給能力均顯著提升，系統(tǒng)棄新能源、切負荷風險成本則大幅降低，說明儲能可以有效減緩系統(tǒng)的靈活性調節(jié)壓力；情景5 協(xié)調靈活性改造火電機組、可中斷負荷與儲能優(yōu)化系統(tǒng)運行，在增強系統(tǒng)整體靈活性供給能力的同時使系統(tǒng)經濟性更優(yōu)。

5 結 論

本文針對新能源高滲透系統(tǒng)靈活性需求特性，建立了源、荷、儲各類型靈活性資源的供給能力模型；以優(yōu)化系統(tǒng)整體的靈活性為目標，提出新能源高滲透系統(tǒng)靈活性資源供給能力評價指標；進而提出了新能源高滲透系統(tǒng)靈活性供給能力評價方法，以協(xié)調平衡系統(tǒng)靈活性供給和需求；最后通過算例仿真驗證并分析了所提評價指標，以及靈活性改造火電機組、可中斷負荷與儲能對系統(tǒng)靈活性的影響和效用。結果表明，所提指標能夠幫助系統(tǒng)協(xié)調靈活性資源的配置和運行，綜合考慮源荷儲靈活性資源協(xié)調優(yōu)化能夠實現(xiàn)系統(tǒng)整體靈活性供給能力優(yōu)化的同時，使系統(tǒng)經濟性更優(yōu)。

然而系統(tǒng)的靈活性需求會隨著新能源裝機占比提高而增加，本文所提方法僅考慮典型日運行工況下的系統(tǒng)靈活性供給能力和新能源消納能力，后續(xù)仍需對更長和更細時間尺度下的系統(tǒng)靈活性進行深入研究。