面向新型電力系統(tǒng)的源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡策略研究

朱明偉

（中國電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，海南?？?571100）

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展的重要時(shí)期，各地均開展大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)，可以預(yù)見未來全社會對電力資源的品質(zhì)與供應(yīng)量會提出更高要求，有必要對這方面進(jìn)行詳細(xì)分析。考慮到我國現(xiàn)階段研究重心轉(zhuǎn)移到新型電力系統(tǒng)，可以從這方面入手，關(guān)注源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡相關(guān)內(nèi)容，提升新型電力資源利用效率，保障社會資源的最大化應(yīng)用。

1 電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

新型電力系統(tǒng)的主體內(nèi)容為新能源，通過逐漸減輕對化石能源的依賴，提升非化石能源裝機(jī)容量占比，為光伏、風(fēng)電等新能源技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件。碳達(dá)峰是我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)，新能源技術(shù)將會得到進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用，源網(wǎng)荷儲一體化的電力平衡內(nèi)容將會成為新能源電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。在以往電力平衡分析模式中，主要是在最大負(fù)荷時(shí)刻下，確保電源、負(fù)荷達(dá)到平衡狀態(tài)[1]。但是，在開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)活動時(shí)，這種電力平衡模式將無法滿足新能源技術(shù)應(yīng)用的需求，需要采用更為合適的方法，對電力平衡相關(guān)內(nèi)容展開詳細(xì)分析。可以從擬合曲線角度出發(fā)，對管轄區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷、儲能等進(jìn)行合理分析，明確規(guī)劃邊界內(nèi)容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高水平的源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡。

2 面向新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡的價(jià)值

可以將新型電力系統(tǒng)開展源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡價(jià)值整理為如下內(nèi)容：第一，開展新型電力系統(tǒng)的全社會面規(guī)劃活動，其核心內(nèi)容即為源網(wǎng)荷儲電力平衡，是我國電力系統(tǒng)升級優(yōu)化的主要方向。第二，電力平衡效果會直接影響未來地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，會對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)活動產(chǎn)生直接影響，需要將電力平衡作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要組成部分認(rèn)真對待。第三，需要根據(jù)新型電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，合理分析源網(wǎng)荷儲各種因素，確保源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡設(shè)計(jì)內(nèi)容合理，并以此為基礎(chǔ)，完成未來地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃活動。第四，當(dāng)前使用的電力平衡方法無法有效匹配新型電力系統(tǒng)，需要對新型電力系統(tǒng)做更深入的研究。在投入資源方面，提升投入比例，有效降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，但是也會產(chǎn)生較大的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，有必要對現(xiàn)有電力平衡方法進(jìn)行優(yōu)化處理。

在開展新型電力系統(tǒng)的源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡作業(yè)時(shí)，需要遵循以下幾個(gè)應(yīng)用原則：第一，源平衡。需要分析源側(cè)靈活資源對電網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)生的影響，例如高溫夏季、低溫冬季等各種應(yīng)用場景，需要做好動態(tài)化的電力平衡設(shè)計(jì)。第二，荷平衡。用戶使用電力資源，會產(chǎn)生負(fù)荷尖峰、低谷情況，需要詳細(xì)研究用戶端對電網(wǎng)負(fù)荷造成的實(shí)際影響。第三，儲平衡。以新型電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃，結(jié)合管轄區(qū)域每天負(fù)荷數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。第四，源網(wǎng)荷儲一體化平衡，在通過源荷儲進(jìn)行負(fù)荷的平衡處理后，還需要根據(jù)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模，對運(yùn)行負(fù)荷與最大負(fù)荷的比例關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，以此達(dá)到預(yù)期的源網(wǎng)荷儲一體化平衡標(biāo)準(zhǔn)。

3 面向新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡的方法與實(shí)例分析

3.1 基本流程

對于新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡的基本流程，可以從以下幾個(gè)方面展開相關(guān)研究：使用部分電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)負(fù)荷，以此形成疊加總負(fù)荷的效果，這是最為基礎(chǔ)的影響因素。在電網(wǎng)裕度消納中，電廠需要保持正常的發(fā)電出力。需要注意，35kV 及以下的變電站不具有強(qiáng)大的調(diào)峰功能，新能源電站的發(fā)電處理也存在不穩(wěn)定性。這意味著在凈負(fù)荷曲線中，如果在扣除電源側(cè)儲能后，存在特殊情況，需要通過電網(wǎng)裕度處理，避免出現(xiàn)超載情況。使用的電力資源會受到分時(shí)電價(jià)的影響，形成相應(yīng)的自然削峰后的曲線。在電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰后曲線中，需要展開相應(yīng)的電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰處理，需要保證電力企業(yè)在電網(wǎng)側(cè)投資與儲能側(cè)投資達(dá)到效益平衡，并參考調(diào)峰限制條件。結(jié)合必要的激勵(lì)需求，保證削峰值節(jié)約電網(wǎng)投資可以和激勵(lì)費(fèi)用達(dá)到平衡狀態(tài)，形成相應(yīng)的平衡曲線。政府通過主導(dǎo)用電，為整個(gè)新型電力系統(tǒng)提供應(yīng)急保障，參考容載比，滿足整個(gè)區(qū)域的電力供給需求。

3.2 具體方法

新型電力系統(tǒng)的源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡，可以細(xì)分為總負(fù)荷疊加、擬合負(fù)荷曲線、多種應(yīng)用場景電力平衡、分析電力需求等幾個(gè)部分。

3.2.1 總負(fù)荷疊加

總負(fù)荷疊加需要先對正常工作狀態(tài)下的管轄區(qū)域內(nèi)常規(guī)負(fù)荷曲線進(jìn)行合理預(yù)測，再分析應(yīng)用新型電力系統(tǒng)后的負(fù)荷曲線，最后將兩個(gè)通過預(yù)測獲得的負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加處理，即可獲得管轄區(qū)域內(nèi)的總負(fù)荷曲線。總負(fù)荷疊加曲線會在每天的11 ～13 時(shí)、19 ～21 時(shí)產(chǎn)生較大波動，與管轄區(qū)域內(nèi)的用電高峰匹配。在其他時(shí)間段，常規(guī)負(fù)荷曲線+新型電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線形成的疊加負(fù)荷，可以保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2.2 擬合負(fù)荷曲線

擬合負(fù)荷曲線內(nèi)容可以細(xì)分為以下幾個(gè)部分：第一，凈負(fù)荷曲線。需要對源側(cè)靈活資源進(jìn)行充分分析，研究其對電網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)生的影響。比如光伏資源，除夏季、冬季季節(jié)因素，也需要分析晴天、陰天等天氣因素；水電能源需要分析豐水期、枯水期以及不同季節(jié)等因素，做好相應(yīng)的電力平衡工作[3]。夏季擁有充足的光伏資源，冬季光伏資源持續(xù)時(shí)間相對較短。豐水期擁有大量可以轉(zhuǎn)化成電力資源的水資源，枯水期的水資源總量相對較少，應(yīng)對新能源的發(fā)電能力曲線進(jìn)行可靠收集，再將其與總負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加處理，即可獲得管轄區(qū)域內(nèi)的凈負(fù)荷曲線。第二，削峰后負(fù)荷曲線。開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)活動時(shí)，需要通過合適方法提高新能源轉(zhuǎn)化電力資源的效率，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。可以通過在電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)配置足夠的儲能，以此達(dá)到建設(shè)目標(biāo)。用戶側(cè)儲能是根據(jù)電價(jià)高峰值、低谷值的數(shù)值差距，在合適時(shí)間完成充電、放電循環(huán)操作，進(jìn)而提升盈利空間。電網(wǎng)側(cè)儲能需要供電單位以電網(wǎng)負(fù)荷真實(shí)情況，進(jìn)行削峰填谷處理，進(jìn)而達(dá)到平衡負(fù)荷曲線的預(yù)期目標(biāo)。在進(jìn)行源網(wǎng)荷儲電力平衡操作時(shí)，需要將已經(jīng)獲得的凈負(fù)荷曲線做進(jìn)一步分析，即以調(diào)峰處理為前置條件，將用戶側(cè)耗能、電網(wǎng)側(cè)儲能數(shù)據(jù)做擬合化處理，通過疊加作業(yè)即可獲得電網(wǎng)削峰填谷后的負(fù)荷曲線，其外觀特征較為平滑。第三，需求響應(yīng)負(fù)荷曲線。需求響應(yīng)是用戶會根據(jù)電力市場電力資源的價(jià)格信號、激勵(lì)模式等做出及時(shí)響應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)完成電力消費(fèi)模式的改變，對整個(gè)電力市場產(chǎn)生相應(yīng)的影響?？梢愿鶕?jù)用戶響應(yīng)方式的差異，將需求細(xì)化為以激勵(lì)為準(zhǔn)的需求響應(yīng)和以電價(jià)為準(zhǔn)的需求響應(yīng)[4]。將更多新型電力系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)踐作業(yè)中，合理應(yīng)用用戶需求響應(yīng)，對市場電力資源配置進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。將削峰處理后的負(fù)荷曲線和源網(wǎng)荷儲電力用戶激勵(lì)需求響應(yīng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，即可獲得相應(yīng)的平衡曲線。

3.2.3 多情景電力平衡

新能源轉(zhuǎn)化成電力資源的效率會受到天氣、季節(jié)等多種因素影響，這導(dǎo)致在開展電力平衡活動中，會出現(xiàn)部分無法有效預(yù)測的突發(fā)問題，可能會降低電力平衡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為避免出現(xiàn)這種情況，需要對多個(gè)應(yīng)用場景進(jìn)行合理分析，將電力平衡數(shù)據(jù)的極端情況，作為各個(gè)應(yīng)用場景的電力平衡邊界內(nèi)容，確保在后續(xù)的新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，即使遇到極端情況，也可以達(dá)到電力平衡的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 電力需求

電力需求需要考慮以下幾種情況：第一，變電容量。需要在明確平衡曲線最大負(fù)荷值基礎(chǔ)上，將其作為計(jì)算負(fù)荷數(shù)據(jù)，保證擁有合適的容載比，確認(rèn)在不同電壓等級條件下，電網(wǎng)系統(tǒng)需要的變電容量。第二，輸送通道。以平衡曲線最大負(fù)荷值作為計(jì)算負(fù)荷，根據(jù)220kV、10kV 線路輸送限額，明確對外輸出、對內(nèi)輸入的通道數(shù)量。第三，中壓饋線。將網(wǎng)格負(fù)荷總量、分布式電源裝機(jī)數(shù)量作為分析標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)平衡曲線最大負(fù)荷值計(jì)算負(fù)荷，再研究網(wǎng)架接線方法以及選擇的線路輸送限額，進(jìn)而確認(rèn)滿足網(wǎng)格負(fù)荷需求的中壓饋線實(shí)際情況[5]。

3.3 實(shí)例分析

選擇某工業(yè)生產(chǎn)較為發(fā)達(dá)的城市作為新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡的實(shí)例分析內(nèi)容，并從多場景電力平衡、110kV 電力平衡、10kV 電力平衡幾個(gè)角度切入。

3.3.1 多場景電力平衡

對夏天、冬天兩個(gè)季節(jié)以及晴天、陰天兩種天氣情況進(jìn)行兩兩組合，分享多場景電力平衡情況。夏季晴天，光伏發(fā)電主要在白天，而每天電力系統(tǒng)出現(xiàn)的最大負(fù)荷時(shí)間約在21 時(shí)，電儲能發(fā)電等形式會對最大負(fù)荷進(jìn)行削減。2035 年夏季晴天最大負(fù)荷約為525MW，削減后約為498MW；夏季陰天，需要考慮電儲能放電等形式對負(fù)荷的削減作用，2035 年夏季陰天最大負(fù)荷約為525MW。如果將空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷下調(diào)至5%，最大負(fù)荷會降低至500MW，削減后約為473MW；冬季晴天，需要考慮供暖調(diào)控等形式對尖峰負(fù)荷的削減作用，2035 年冬季晴天最大負(fù)荷約為351MW，削減后約為259MW；冬季陰天，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷會有所上升，以5%計(jì)算，電儲能放電等形式會對尖峰負(fù)荷進(jìn)行削減，2035 年冬季陰天最大負(fù)荷約為369MW，削減后約為328MW。通過分析以上數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)即使對負(fù)荷進(jìn)行削減，夏季負(fù)荷仍擁有最大數(shù)值，夏季晴天最大負(fù)荷會在21時(shí)出現(xiàn)，可以通過集裝箱儲能的靈活資源，對尖峰負(fù)荷進(jìn)行削減，削減后的最大負(fù)荷可以控制在498MW 左右。

3.3.2 110kV 電力平衡

可以在負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對110kV 電網(wǎng)直供負(fù)荷進(jìn)行分析，并合理分析35kV 電壓等級等因素的影響，對當(dāng)?shù)?10kV 公用電網(wǎng)供電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測[6]。如果不將靈活資源削峰填谷操作納入分析內(nèi)容，在2035 年，當(dāng)?shù)?10kV電網(wǎng)供電負(fù)荷將達(dá)到320.92MW。如果通過靈活資源，進(jìn)行削峰填谷處理，在2035 年，當(dāng)?shù)?10kV 電網(wǎng)供電負(fù)荷會下降至293.71MW。因此，本研究區(qū)域需要增加110kV變電容量約164200MVA。在110kV 電力平衡中，最大負(fù)荷可達(dá)526MW，110kV 及以上的用戶負(fù)荷為70MW，35kV 及以下常規(guī)電源負(fù)荷為0MW，儲能發(fā)電出力為27.2MW，靈活資源總負(fù)荷為27.2MW。

3.3.3 10kV 電力平衡

因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域采用雙環(huán)網(wǎng)接線網(wǎng)架模式，采用YJV22-300 的主干電纜。盡管單回10kV 線路可以輸出6.92MW，為滿足線路校驗(yàn)基本需求，需要以主干電纜供電的3.46MW最大負(fù)荷為準(zhǔn)，對單回10kV 線路進(jìn)行平衡處理。除此之外，也需要將變電站供電水平納入平衡處理工作。在110kV 變電站投入應(yīng)用的10 ～15 年，會將容量控制在2×50MVA水平，并采用24 個(gè)10kV 間隔。假設(shè)變電站擁有約65%的長期運(yùn)行負(fù)載，重載設(shè)定為80%，即10kV 線路平均負(fù)荷需要維持在2.5 ～3.2MW。這就需要在完成新型電力系統(tǒng)建設(shè)后，將10kV 線路平均負(fù)荷調(diào)整到這個(gè)范圍，才能充分發(fā)揮變電站供電性能，實(shí)現(xiàn)管轄區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定供電，提升供電經(jīng)濟(jì)水平[7]。因此，單回10kV 線路最大負(fù)荷需要以3.46MW 作為參考標(biāo)準(zhǔn)，并將10kV 線路平均負(fù)荷控制在2.5 ～3.2MW。如果是單回20kV 線路，可以以10kV 線路負(fù)荷的2倍設(shè)定線路負(fù)荷。在不研究彈性資源的前提下，本研究區(qū)域在2035 年的10kV 電網(wǎng)供電負(fù)荷約為392.55MW，需要用到132 ～159 回的10kV 線路。

4 結(jié)語

新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲一體化電力平衡涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中需要以現(xiàn)階段電力系統(tǒng)運(yùn)行情況為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一套內(nèi)容詳細(xì)的電力平衡系統(tǒng)，確保各種策略可以有效落實(shí)，進(jìn)而提升資源的利用效率，為后續(xù)高效應(yīng)用新型電力系統(tǒng)打下扎實(shí)基礎(chǔ)。