面向高比例清潔能源消納的含靈活性資源電力系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選

郭詠濤, 向 月, 劉俊勇

(四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610065)

隨著全球環(huán)境污染與化石能源消耗的加劇,以光伏、風(fēng)力發(fā)電(簡稱風(fēng)電)為代表的可再生能源得到規(guī)?；目焖侔l(fā)展,并將成為未來新型電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的重要支撐.然而,高比例可再生能源接入下光伏、風(fēng)電出力引發(fā)的間歇性和波動性給系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力帶來巨大壓力,常規(guī)電源結(jié)構(gòu)已難以支撐可再生能源發(fā)電的進(jìn)一步涌入,2021年全國棄風(fēng)電量為206.1億kW·h,棄光電量為67.8億kW·h,全國平均風(fēng)光利用率同比雖有增長,但不足1%,改善程度不足[1-2].高比例風(fēng)光資源接入引發(fā)的消納不足問題尚未得到根本性解決,電力系統(tǒng)靈活性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

我國電源結(jié)構(gòu)長期以來以火力發(fā)電(簡稱火電)為主,占全國電源裝機(jī)比例達(dá)到67%,但調(diào)峰能力普遍只有50%左右[3],靈活性調(diào)節(jié)能力與西班牙、丹麥等歐洲國家(火電機(jī)組調(diào)峰能力可達(dá)80%)差距明顯,火電靈活性改造將成為我國打造以高比例可再生能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵.火電靈活性改造的目的在于降低機(jī)組最小技術(shù)出力和提高機(jī)組爬坡率.文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行火電機(jī)組靈活性改造的可行性研究,從暫態(tài)角度分析并對比火電機(jī)組的多策略靈活調(diào)峰手段在運(yùn)行過程中的優(yōu)勢.文獻(xiàn)[5]中構(gòu)建火電機(jī)組靈活性改造的電力系統(tǒng)長期調(diào)度模型,分析火電靈活改造方案對經(jīng)濟(jì)性與消納能力的影響.文獻(xiàn)[6]中基于機(jī)會約束目標(biāo)規(guī)劃理論構(gòu)建運(yùn)行靈活性不足的風(fēng)險(xiǎn)模型,用以分析火電靈活性改造對系統(tǒng)供需匹配與經(jīng)濟(jì)性的改善程度.文獻(xiàn)[7]中構(gòu)建一種火電靈活性改造投資與系統(tǒng)運(yùn)行成本之和最小化的電源擴(kuò)展規(guī)劃模型.文獻(xiàn)[8]中提出靈活性改造廣義成本,包括由機(jī)組改造的成本、深度調(diào)峰市場成本和深調(diào)狀態(tài)發(fā)電成本增量,并采用隨機(jī)生產(chǎn)模擬的方法分析了靈活性改造容量的規(guī)劃方法.

盡管現(xiàn)階段火電靈活性改造已大幅鋪開,靈活性不足問題得到緩解,但在中高比例可再生能源接入下,僅憑火電的靈活性調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)范圍仍難以為繼,需要發(fā)掘其他新的靈活性資源潛力[9].投建儲能成為系統(tǒng)靈活性提升的有效措施之一.文獻(xiàn)[10]中提出一種考慮住宅需求靈活性的優(yōu)化模型,結(jié)果表明以電動汽車[11]、固定電池儲能和熱儲能為代表的儲能類資源最具靈活性的應(yīng)用優(yōu)勢.文獻(xiàn)[12]中提出高比例可再生能源接入下電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,驗(yàn)證了可中斷負(fù)荷與儲能配合對系統(tǒng)整體靈活性的提升效果.

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,在系統(tǒng)滿足高比例清潔能源接入下產(chǎn)生的靈活性需求的同時(shí),應(yīng)必要考慮系統(tǒng)直接減碳所帶來的環(huán)境效益.氣電因其調(diào)節(jié)范圍更廣、爬坡速率更快以及碳排放強(qiáng)度更低的優(yōu)勢,成為支撐電力系統(tǒng)靈活性提升的有效選擇.目前已有許多研究將燃?xì)鈾C(jī)組納入到電力系統(tǒng)的靈活性規(guī)劃方案中.文獻(xiàn)[13]中認(rèn)為風(fēng)電的波動性和不確定性需要更多的上(下)調(diào)備用和爬坡容量,提出以快速響應(yīng)的燃?xì)怆姀S為主要規(guī)劃對象的發(fā)電系統(tǒng)靈活性擴(kuò)展優(yōu)化模型,從規(guī)劃角度展示燃?xì)怆姀S的靈活性優(yōu)勢.文獻(xiàn)[14]中基于靈敏度方法計(jì)算了計(jì)及電-氣互聯(lián)系統(tǒng)安全約束的可用輸電能力,分析天然氣系統(tǒng)耦合下系統(tǒng)的靈活性電源供給是否能夠滿足整體的靈活性需求,以驗(yàn)證引入氣電參與規(guī)劃后對系統(tǒng)整體靈活性的提升效果.文獻(xiàn)[15]中提出以社會福利最大化為目標(biāo)的多階段靈活性擴(kuò)建規(guī)劃方法,規(guī)劃燃?xì)鈾C(jī)組和輸電線路的數(shù)量、位置以及相應(yīng)的連接方式,同時(shí)考慮天然氣輸氣管道參與規(guī)劃,以確保規(guī)劃方案在提升靈活性的同時(shí)安全性和可靠性不會降低.隨著高比例清潔能源的接入,短期上氣電的引入將為電力系統(tǒng)整體靈活性提升發(fā)揮顯著作用.

基于此,提出一種考慮火電靈活性改造、燃?xì)鈾C(jī)組投建以及儲能電站投建的多靈活性資源功率特性的電力系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選模型.首先,從整體規(guī)劃角度構(gòu)建3種靈活性資源的功率特性模型;其次,將系統(tǒng)整體備用容量作為靈活性量化指標(biāo),建立計(jì)及系統(tǒng)能量-備用協(xié)同的電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃方案優(yōu)選模型;最后,通過IEEE 24節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和12節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)作為算例驗(yàn)證所提模型的有效性,并得出電力系統(tǒng)在面向清潔能源消納下考慮經(jīng)濟(jì)性、消納能力、靈活性以及環(huán)境效益的靈活性資源規(guī)劃優(yōu)選方案.

1 靈活性資源功率特性建模

考慮火電靈活性改造、燃?xì)鈾C(jī)組投建以及儲能投建為靈活性規(guī)劃資源,不同靈活性資源主要表現(xiàn)為運(yùn)行出力特性與約束條件的差異性.

1.1 火電靈活性改造

火電靈活性改造后,其特征表現(xiàn)為機(jī)組出力和爬坡范圍發(fā)生改變:

(1)

(2)

1.2 燃?xì)鈾C(jī)組投建

燃?xì)鈾C(jī)組投建后,其特征表現(xiàn)為出力和爬坡范圍相比于常規(guī)火電具有擴(kuò)展:

(3)

(4)

(5)

1.3 儲能投建

儲能投建后,其出力特性表現(xiàn)為充放電過程以及荷電狀態(tài)的描述:

(6)

(7)

2 含靈活性資源電力系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選方法

2.1 優(yōu)選流程

提出一種面向高比例清潔能源消納的含靈活性資源電力系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選方法,主要流程如下.

(1) 場景縮減:為保證規(guī)劃投資成本和運(yùn)行階段總成本在時(shí)間跨度上一致,從全年的風(fēng)、電負(fù)荷時(shí)序數(shù)據(jù)中選取典型場景,優(yōu)化求解各典型場景的日運(yùn)行成本,將各典型日運(yùn)行成本與發(fā)生時(shí)間相乘再求和即可得到全年運(yùn)行成本.

(2) 靈活性資源選擇:選擇規(guī)劃不同的靈活性資源,則優(yōu)化模型中的變量及約束也將有所差異.

(3) 形成規(guī)劃方案/比選規(guī)劃方案:優(yōu)化求解出最終的規(guī)劃結(jié)果后,選取某一典型場景進(jìn)行運(yùn)行模擬以分析不同靈活性資源的日運(yùn)行效果,同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性、消納能力、靈活性以及環(huán)境效益等角度對規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)選,以得到不同靈活性資源規(guī)劃的適用場景.

2.2 模型建立

2.2.1規(guī)劃目標(biāo) 以年化投資成本(Cinv)和年總運(yùn)行成本(Cop)組成的年總成本(C)最小為規(guī)劃目標(biāo),年投資成本考慮待規(guī)劃的靈活性資源初始一次性投資費(fèi)用,由火電靈活性改造成本、燃?xì)鈾C(jī)組投建成本、儲能投建成本組成;年運(yùn)行成本考慮投資了不同靈活性資源后系統(tǒng)年發(fā)電成本、年備用成本、年棄風(fēng)懲罰、年供氣成本、年儲能運(yùn)行成本和年備用不足風(fēng)險(xiǎn)成本之和:

minC=Cinv+Cop

(8)

(9)

(10)

Cop=C1+C2+C3+C4+C5

(11)

(2) 特定資源出力成本C2.Ωgw為氣源集合;Cg為氣源g的單位供氣價(jià)格;Gg,t為t時(shí)刻氣源g的供氣量;Cs為儲能s的單位運(yùn)行成本,包括充電和放電的成本;|Ps,t| 為t時(shí)刻儲能s的充放電功率.

(12)

式中:M為一年中電負(fù)荷和風(fēng)電出力典型場景的集合;Dm為第m類典型場景所包含的時(shí)間.

2.2.2約束條件 約束條件分為普通約束條件和靈活性資源功率特性約束條件.

(1) 普通約束條件.

常規(guī)火電機(jī)組出力和爬坡約束:

(13)

(14)

風(fēng)電出力約束:

(15)

節(jié)點(diǎn)功率平衡和線路傳輸容量約束:

(16)

(17)

備用約束:

(18)

(19)

天然氣系統(tǒng)約束:

(23)

(2) 靈活性資源功率特性約束條件.

當(dāng)選擇火電靈活性改造時(shí),則需要額外添加約束條件式(1)～(2).當(dāng)選擇投建燃?xì)鈾C(jī)組時(shí),則需要額外添加約束條件式(3)～(5).當(dāng)選擇投建儲能時(shí),則需要額外添加約束條件式(6)～(7).

3 算例分析

3.1 算例描述

為驗(yàn)證所提模型的有效性和可行性,采用IEEE 24電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和12氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,如圖1所示,其中天然氣系統(tǒng)的引入用于供給新增燃?xì)鈾C(jī)組天然氣能量以支撐其轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電.電力系統(tǒng)包括10個(gè)火電機(jī)組 G1～G10,4個(gè)風(fēng)電場W1～W4,待規(guī)劃的4個(gè)儲能裝置EES1～EES4.電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)候選的燃?xì)鈾C(jī)組 Gas-G1～Gas-G4進(jìn)行連接.12節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)包含3個(gè)氣源N1～N3、10條天然氣管道和4個(gè)天然氣負(fù)荷.表1展示了待規(guī)劃的靈活性資源安裝容量與位置,另外還包括特定選取的待靈活性改造火電機(jī)組.典型場景選取如圖2所示,其中風(fēng)電裝機(jī)容量設(shè)置為 1 800 MW,在所有場景中均超過負(fù)荷峰值(場景基準(zhǔn)值設(shè)置為2 500 MW)的52%,屬于高比例風(fēng)電接入系統(tǒng).

表1 待規(guī)劃靈活性資源參數(shù)

圖1 IEEE 24節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和12節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)規(guī)劃仿真系統(tǒng)Fig.1 Topology of IEEE 24-bus power system and 12-node natural gas system

圖2 選取的負(fù)荷和風(fēng)電典型場景Fig.2 Selected typical scenarios of load and wind power

3.2 仿真結(jié)果

利用前文所述規(guī)劃方法,對于式(20)的非線性項(xiàng),采用文獻(xiàn)[16]中的增量分段線性法將其線性化處理,則上述問題可轉(zhuǎn)換為一易于求解的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型.在MATLAB仿真平臺上使用求解器Gurobi進(jìn)行求解,最終規(guī)劃結(jié)果如表2所示.

表2 不同靈活性資源規(guī)劃結(jié)果Tab.2 Planning results of flexible resources

3.2.1經(jīng)濟(jì)性分析 表3展示了不同靈活性資源規(guī)劃方案的各項(xiàng)成本對比.3種方案采用的靈活性規(guī)劃策略均能使系統(tǒng)的年總成本降低,并由原來的 2.676 5 億元分別減少至 1.710 5億、1.662 0億 和 1.674 9 億元.系統(tǒng)的年總運(yùn)行成本組成如表4所示.可以看到,引入新的靈活性資源后系統(tǒng)的發(fā)電成本下降明顯,原因在于系統(tǒng)此時(shí)能夠接納更多的風(fēng)電,從而使得部分相對昂貴的常規(guī)火電機(jī)組發(fā)電減少.不同方案在規(guī)劃前后具有相近的備用供給成本,這是因?yàn)轭A(yù)設(shè)的負(fù)荷及風(fēng)力波動靈活性需求量基本一致,而當(dāng)采用了不同的靈活性規(guī)劃方案后,系統(tǒng)的備用不足風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)電消納水平均有不同程度的消除和改善.

表3 不同靈活性資源規(guī)劃方案的成本對比

表4 不同靈活性資源規(guī)劃方案的年運(yùn)行成本組成

分析在某典型日下各方案的運(yùn)行成本,該典型日需求曲線如圖3所示,相應(yīng)的成本組成如圖4所示.可知,通過3種靈活性資源規(guī)劃后系統(tǒng)的日運(yùn)行成本均有不同程度下降,且棄風(fēng)率從20.99%分別下降到14.42%、13.38%和14.35%不等,表明系統(tǒng)可再生能源消納能力增強(qiáng),運(yùn)行靈活性提升.對比3種方案可知,盡管方案2新增了天然氣源的供氣成本(藍(lán)色柱),但在方案2下系統(tǒng)充分利用了風(fēng)電成本低的優(yōu)勢即機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電成本最低,在能量供應(yīng)足夠的基礎(chǔ)上降低了高成本的機(jī)組出力,由此使得日運(yùn)行總成本最低,經(jīng)濟(jì)性最好.另外,備用供給一定程度上反映了系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)電和負(fù)荷不確定性的能力.相比初始狀態(tài),采用3種規(guī)劃方案均消除了備用不足的風(fēng)險(xiǎn)成本,表明新增靈活性資源系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對不確定性帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn).

圖3 某典型日的負(fù)荷與風(fēng)電曲線Fig.3 Profiles of load and wind power in a typical day

圖4 某典型日各規(guī)劃方案的運(yùn)行成本組成Fig.4 Breakdown of cost in different flexible resource planning schemes in a typical day

3.2.2備用容量供給分析 備用容量反映了系統(tǒng)在應(yīng)對高比例清潔能源接入下的靈活性供給情況.分析各方案在某典型運(yùn)行日的備用容量供給情況,如圖5～8所示.通過火電靈活性改造、投建燃?xì)鈾C(jī)組以及投建儲能均能提供足夠的備用容量使系統(tǒng)各時(shí)段備用需求得到滿足,即無上下調(diào)備用缺額現(xiàn)象.方案2和3通過新增不同的靈活性資源(燃?xì)鈾C(jī)組和儲能)均能減輕常規(guī)火電機(jī)組的備用壓力,表現(xiàn)為圖6～8中的淺藍(lán)色部分減少,綠色部分增多.向下靈活性不足是造成棄風(fēng)的主要原因,本文優(yōu)先考慮系統(tǒng)向下靈活性對可再生能源消納的影響.對比3種方案各時(shí)段的備用供給組成可知,相比于傳統(tǒng)火電機(jī)組,燃?xì)鈾C(jī)組能夠提供的下調(diào)容量更多,且下調(diào)范圍更大,應(yīng)對高比例可再生能源接入情景下的消納優(yōu)勢更明顯.

圖5 某典型日系統(tǒng)初始狀態(tài)下的備用容量供給情況Fig.5 Reserve provision of initial state in a typical day

圖6 某典型日火電靈活性改造后系統(tǒng)的備用容量供給情況(方案1)Fig.6 Reserve provision of flexibility reformation scheme in a typical day (Scheme 1)

圖7 某典型日投建燃?xì)鈾C(jī)組后系統(tǒng)的備用容量供給情況(方案2)Fig.7 Reserve provision of gas-fired unit construction scheme in a typical day (Scheme 2)

圖8 某典型日投建儲能后系統(tǒng)的備用容量供給情況(方案3)Fig.8 Reserve provision of electrical energy storage installation scheme in a typical day (Scheme 3)

3.2.3靈活性規(guī)劃方案綜合評估及優(yōu)選 結(jié)合文獻(xiàn)[17-18]中的靈活性評價(jià)方法,并引入發(fā)電機(jī)組碳排放因子,即每單位發(fā)電量所對應(yīng)的二氧化碳排放量對規(guī)劃方案碳排總量進(jìn)行計(jì)算.不同規(guī)劃方案的靈活性評估結(jié)果以及性能對比如表5和6所示.

表5 各靈活性資源規(guī)劃方案靈活性評估結(jié)果

以1 h為時(shí)間尺度,從靈活性、風(fēng)電消納水平、經(jīng)濟(jì)性以及碳排放的角度對各方案予以綜合評估.

在高比例清潔能源接入背景下,棄風(fēng)棄光現(xiàn)象主要與系統(tǒng)的下調(diào)靈活性直接相關(guān),此處作為主要分析點(diǎn).可知,無論是改造、燃?xì)膺€是儲能方案,加入規(guī)劃不同類型的靈活性資源后系統(tǒng)整體下調(diào)靈活性充裕度均得到提升,分別為從 2.768 3 MW/min提升至 2.774 4、2.777 6 和 2.777 4 MW/min;3種規(guī)劃方案的下調(diào)靈活性不足度也有所降低,甚至在儲能方案中得到了完全消除;從下調(diào)靈活性充足率看,不同方案從初始狀態(tài)的87.60%分別上升至95.87%、97.03%和100%,表示系統(tǒng)靈活性不足風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間明顯縮短,說明無論從數(shù)量還是時(shí)間上靈活性資源規(guī)劃能夠有效降低靈活性不足帶來的風(fēng)險(xiǎn).

由評估結(jié)果可知,無論是從促進(jìn)風(fēng)電消納、成本降低還是碳排放量減少,若不考慮改造技術(shù)能夠就地完成的便捷性,燃?xì)夥桨妇鶠楦鳡顟B(tài)下的最優(yōu)選擇.從促進(jìn)風(fēng)電消納的角度來看,與燃煤機(jī)組相比燃?xì)鈾C(jī)組具有更低的最小技術(shù)出力和更高的爬坡率,意味著其具有更寬的可調(diào)范圍和更快的響應(yīng)速度來適應(yīng)相鄰時(shí)間下風(fēng)電功率的快速波動.從環(huán)保的角度來看,燃?xì)庖?guī)劃后系統(tǒng)的年總碳排放量顯著下降,相比于改造和儲能兩種規(guī)劃方案分別降低了18.94%和18.75%,原因在于引入單位碳排放強(qiáng)度更低的燃?xì)鈾C(jī)組改變了系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu),一定程度上分擔(dān)了原有系統(tǒng)單純依靠燃煤機(jī)組發(fā)電的壓力,最終使得碳排放總量減少.

然而,燃?xì)夥桨敢簿哂幸欢ǖ木窒扌?主要體現(xiàn)在下調(diào)靈活性的風(fēng)險(xiǎn).下調(diào)靈活性與棄風(fēng)率直接相關(guān),即下調(diào)靈活性充裕度指標(biāo)值越大,棄風(fēng)越少.從表6中結(jié)果可知,燃?xì)夥桨鸽m然棄風(fēng)率最小,但是卻出現(xiàn)了下調(diào)靈活性不足的情況,表現(xiàn)為不足度不等于0以及充足率不等于100%,這表明燃?xì)庖肟赡軙?dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)下調(diào)靈活性供應(yīng)不足的風(fēng)險(xiǎn),并以此風(fēng)險(xiǎn)為代價(jià)來促進(jìn)更多的風(fēng)電消納,類似情況也在改造方案中出現(xiàn).上述現(xiàn)象說明僅依靠靈活性出力源的固有技術(shù)特性可能難以保證系統(tǒng)在安全前提下的靈活性運(yùn)行.若從所有規(guī)劃場景的安全運(yùn)行與風(fēng)險(xiǎn)消除考慮,儲能方案是更好的選擇,表現(xiàn)為與燃?xì)夥桨赶嘟牡统杀竞蜅夛L(fēng)率,但未出現(xiàn)靈活性不足的風(fēng)險(xiǎn).

表6 各靈活性資源規(guī)劃方案全年棄風(fēng)率、碳排放以及規(guī)劃總成本對比

4 結(jié)語

提出一種面向高比例清潔能源消納的含靈活性資源電力系統(tǒng)規(guī)劃方案優(yōu)選方法.首先分析火電靈活性改造、燃?xì)鈾C(jī)組投建以及儲能投建3種靈活性資源的功率特征,其次建立計(jì)及系統(tǒng)能量-備用協(xié)同的電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃方案優(yōu)選模型,最后通過算例仿真驗(yàn)證所提模型的可行性和有效性,并進(jìn)一步從經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可再生能源發(fā)電消納能力和碳排放水平等角度對3種靈活性規(guī)劃方案予以優(yōu)選.仿真結(jié)果表明:在未來高比例清潔能源接入下,火電靈活性改造、燃?xì)鈾C(jī)組投建、儲能投建3種靈活性規(guī)劃方案能夠應(yīng)用于不同的場景,并呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢.總體來看,燃?xì)鈾C(jī)組引入能夠促進(jìn)更多的風(fēng)電消納、降低總成本以及減少碳排放,各方面展現(xiàn)的效果最佳,但其下調(diào)靈活性不足風(fēng)險(xiǎn)無法完全消除;火電靈活性改造是目前最普遍的靈活性提升方式,但想要達(dá)到與燃?xì)鈾C(jī)組相近的風(fēng)電消納效果與下調(diào)靈活性充裕水平,需要花費(fèi)更多成本;儲能引入的優(yōu)勢在于能夠完全消除系統(tǒng)下調(diào)靈活性不足的風(fēng)險(xiǎn),但風(fēng)電消納水平和經(jīng)濟(jì)性不及燃?xì)鈾C(jī)組方案.