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計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域多類型新能源

系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方法

史昭娣 朱寧 陳琦

一、引言

隨著能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程加快，我國大力發(fā)展風(fēng)電[1]、光伏[2]等新能源發(fā)電技術(shù)，未來電力系統(tǒng)將朝著大規(guī)模、高比例新能源電力系統(tǒng)方向發(fā)展[3]。新能源出力自身之間具有互補(bǔ)性，利用新能源總出力與系統(tǒng)總負(fù)荷之間的匹配效應(yīng)可以凸顯新能源出力間的互補(bǔ)效果，平抑新能源出力波動(dòng)性，減小常規(guī)機(jī)組調(diào)峰壓力[4]。

風(fēng)電、光伏的出力功率波動(dòng)性強(qiáng)[5-6]，大規(guī)模接入后會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰帶來挑戰(zhàn)[7-8]。實(shí)際上，風(fēng)電和光伏出力具有互補(bǔ)特性[9]，其主要表現(xiàn)在兩方面：一是新能源資源的廣域平滑效應(yīng)。二是風(fēng)光出力具有時(shí)間上的互補(bǔ)性。

充分挖掘新能源出力互補(bǔ)特性是開展新能源協(xié)調(diào)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，如文獻(xiàn)[10]分析了各類能源的互補(bǔ)效應(yīng)，討論了配置不同容量電源的經(jīng)濟(jì)性和可行性。文獻(xiàn)[11]分析了風(fēng)、光、水資源之間的互補(bǔ)特性，提出了一種包含風(fēng)、光、水、儲(chǔ)的互補(bǔ)性微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[12]研究了新能源出力互補(bǔ)優(yōu)化方法，定量計(jì)算了各類資源容量。上述文獻(xiàn)關(guān)于系統(tǒng)電源出力互補(bǔ)性進(jìn)行了研究，但對(duì)于新能源出力互補(bǔ)性的分析多是與常規(guī)電源一起考慮，未有研究僅考慮新能源出力自身互補(bǔ)性。

研究新能源出力自身互補(bǔ)特征，通常需要提出互補(bǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]。如文獻(xiàn)[14]采用新能源總出力的標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來刻畫新能源出力互補(bǔ)性。文獻(xiàn)[15]定義了由時(shí)間互補(bǔ)、能量互補(bǔ)和振幅互補(bǔ)組成的可再生能源互補(bǔ)性指標(biāo)。文獻(xiàn)[16]采用互補(bǔ)系數(shù)等指標(biāo)描述多能互補(bǔ)系統(tǒng)中電源出力的互補(bǔ)性。以上關(guān)于新能源互補(bǔ)性的研究多注重新能源出力之間的負(fù)相關(guān)性，即假定新能源場(chǎng)站的總出力恒定不變，則認(rèn)為新能源互補(bǔ)效果最好。

由于負(fù)荷具有波動(dòng)性，上述基于負(fù)相關(guān)性的研究中，負(fù)荷波動(dòng)部分會(huì)由常規(guī)可控電源負(fù)擔(dān)。但如果新能源總出力與負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律保持一致，即新能源出力與負(fù)荷之間存在匹配效應(yīng)，那么新能源發(fā)電就可承擔(dān)一部分變化的負(fù)荷，火電機(jī)組更多承擔(dān)基荷并運(yùn)行在較低的水平，從而大幅降低新能源接入系統(tǒng)帶來的常規(guī)電源調(diào)峰壓力。因此，從提高新能源消納方面看，新能源出力與負(fù)荷之間的匹配（源-荷匹配）關(guān)系才更可凸顯新能源互補(bǔ)的效果[17]，此時(shí)互補(bǔ)性表現(xiàn)為新能源總出力與負(fù)荷呈正相關(guān)性。

針對(duì)源-荷匹配效果的描述，已有學(xué)者進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[18]定義了負(fù)荷追蹤度指標(biāo)用以評(píng)價(jià)不同電源互補(bǔ)效果。文獻(xiàn)[19]采用負(fù)荷追蹤系數(shù)描述系統(tǒng)出力跟隨負(fù)荷變化的能力，并用其量化多能互補(bǔ)系統(tǒng)總發(fā)電量與負(fù)荷的匹配程度。文獻(xiàn)[20]以新能源出力與負(fù)荷之差的平方和最小為目標(biāo)，提出了新能源出力追蹤控制算法。上述利用負(fù)荷追蹤能力來描述系統(tǒng)源-荷匹配效果的評(píng)價(jià)方法主要是用于新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，本文借鑒這種方法，將其應(yīng)用于新能源電源優(yōu)化規(guī)劃中，可在規(guī)劃階段充分計(jì)及多類型新能源出力間的互補(bǔ)特性。

基于以上分析，本文針對(duì)計(jì)及源-荷匹配的廣域多區(qū)域新能源電源優(yōu)化布局問題進(jìn)行研究。首先，為了量化新能源出力與負(fù)荷之間有功功率的匹配能力，從均衡度和一致性兩方面評(píng)價(jià)源-荷匹配特性。其次，基于源-荷匹配思想，建立了多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型。模型以電網(wǎng)新能源發(fā)電量最大和源-荷匹配偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，并采用帶權(quán)極小模理想點(diǎn)法[21]統(tǒng)一兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的量綱，綜合考慮新能源發(fā)電功率約束、新能源限電率約束、新能源裝機(jī)容量約束等，通過引入所提源-荷匹配均衡度約束來保證新能源出力與系統(tǒng)負(fù)荷需求變化特性一致。然后，以各區(qū)域新能源全年出力時(shí)間序列和負(fù)荷序列為模型輸入，對(duì)規(guī)劃模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到各區(qū)域最優(yōu)新能源接入容量，并利用一致性指標(biāo)來評(píng)價(jià)源-荷匹配效果。最后，以我國北方某區(qū)域電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析，算例結(jié)果驗(yàn)證了由源-荷匹配定義新能源出力互補(bǔ)性的合理性，研究內(nèi)容可為廣域新能源多區(qū)域布局規(guī)劃提供參考意見。

四、算例分析

（一）算例介紹

為驗(yàn)證所提計(jì)及源-荷匹配的新能源優(yōu)化布局方法的正確性，本節(jié)以我國北方某相鄰四個(gè)（省級(jí)）地區(qū)電網(wǎng)為測(cè)試系統(tǒng)，研究2030年的新能源規(guī)劃布局問題。四個(gè)地區(qū)分布于總面積125萬平方公里范圍內(nèi)，新能源滲透率達(dá)到30%以上。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，A、C電網(wǎng)均分別與其他電網(wǎng)相連，圖中紅色數(shù)字表示各區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線限值（單位：MW），綠色數(shù)字為直流外送年電量（單位：億kWh）。算例計(jì)算步長為1小時(shí)，源-荷匹配周期設(shè)為1天，即24h。計(jì)算時(shí)段數(shù)8760h，其余主要算例參數(shù)見表1。本文中規(guī)劃水平年的風(fēng)電、光伏序列是基于該地區(qū)歷史出力序列進(jìn)行新能源出力場(chǎng)景生成得到的，負(fù)荷序列是立足這些地區(qū)2021年的實(shí)際負(fù)荷需求序列，假設(shè)負(fù)荷年增長率為5%估計(jì)得到的。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)示意圖

表1 算例參數(shù)

（二）不同規(guī)劃模型結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提模型可深入挖掘新能源出力互補(bǔ)性，本節(jié)對(duì)比了本文模型和傳統(tǒng)模型的規(guī)劃結(jié)果。其中傳統(tǒng)新模型中不考慮源-荷匹配均衡約束。設(shè)置兩個(gè)仿真案例中光熱接入容量均為3.35GW，風(fēng)電和光伏總裝機(jī)為59.87GW，所得結(jié)果如表2所示。

可以看出，對(duì)比傳統(tǒng)方法，考慮源-荷匹配后，本文模型所得D地區(qū)風(fēng)電和C地區(qū)光伏最優(yōu)布局容量分別增長了35.81%和54.3%。從風(fēng)電和光伏總裝機(jī)方面看，本文模型所得風(fēng)電總?cè)萘枯^傳統(tǒng)方法高4.24%，這表明考慮源-荷匹配后，系統(tǒng)更傾向于配置互補(bǔ)性更好的風(fēng)電，光伏由于出力形狀較為固定，容量越大越難以實(shí)現(xiàn)源-荷匹配。此外，在新能源總裝機(jī)一致的情況下，本文模型得到的新能源年度總出力電量為1124.03億kWh，而傳統(tǒng)模型所得新能源年度總出力電量為865.23億kWh，前者相較后者提升29.91%，即考慮源-荷匹配可使新能源滲透率從28.51%增加至37.04%。從新能源限電方面看，考慮源-荷匹配可使新能源總限電率從傳統(tǒng)模型的23.18%降低至本文模型的5.21%?？梢钥闯?，在同樣的裝機(jī)總?cè)萘肯?，考慮源-荷匹配可以充分提升新能源消納能力，減少棄風(fēng)、棄光情況。

表2 不同模型規(guī)劃結(jié)果

圖4 不同模型的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)

圖4顯示的是求解兩種模型所得的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)，該參數(shù)描述的是每個(gè)匹配周期內(nèi)新能源總出力占基準(zhǔn)負(fù)荷的比例，其數(shù)值越高，說明新能源出力在系統(tǒng)總出力中占比越高?？梢钥闯觯疚哪Ｐ椭心甓然鶞?zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)變化范圍為0-0.7，平均值為0.32；傳統(tǒng)模型的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)變化范圍為0.1-0.3，平均值為0.2。本文模型所得基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)更高，有利于提升新能源消納水平。

綜上可得，采用本文方法考慮源-荷匹配均衡約束可以深入挖掘新能源出力互補(bǔ)性，有利于提升新能源消納水平，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

（三）靈活性新能源電源接入對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

為了研究靈活性新能源電源接入系統(tǒng)對(duì)多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局的影響，本節(jié)設(shè)置風(fēng)/光組合和風(fēng)/光/光熱組合兩類場(chǎng)景，分別計(jì)算兩類場(chǎng)景下的多能源電力系統(tǒng)容量規(guī)劃結(jié)果。令風(fēng)/光組合光伏裝機(jī)容量與風(fēng)/光/光熱組合光伏與光熱總裝機(jī)容量相等。其余約束條件和計(jì)算邊界均一致。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同場(chǎng)景下的規(guī)劃結(jié)果

可以看出，在新能源總裝機(jī)容量一定下，風(fēng)/光/光熱組合的源-荷匹配一致性指標(biāo)為0.080，而風(fēng)/光組合的源-荷匹配一致性指標(biāo)為0.098。由該指標(biāo)定義可知，越小，說明在該時(shí)段內(nèi)新能源出力與負(fù)荷功率變化趨勢(shì)越接近，源-荷匹配程度越高。此外，風(fēng)/光/光熱組合的新能源出力與負(fù)荷波動(dòng)形狀的年度平均絕對(duì)偏差與風(fēng)/光組合相比降低52.27%，新能源基本不增加電網(wǎng)調(diào)峰難度，同時(shí)風(fēng)/光/光熱組合的新能源總發(fā)電量比風(fēng)/光組合高4.03%，因此可得出結(jié)論：靈活性新能源電源的接入對(duì)提高源-荷匹配具有積極作用。

圖5 不同場(chǎng)景下源-荷匹配效果

圖5所示為兩種場(chǎng)景下新能源出力與負(fù)荷匹配效果對(duì)比，圖中同色系深色表示匹配偏差最大日結(jié)果，淺色表示匹配偏差最小日結(jié)果。當(dāng)新能源總裝機(jī)容量一定時(shí)，從匹配效果方面看，四個(gè)地區(qū)的風(fēng)/光組合和風(fēng)/光/光熱組合均可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)新能源總出力與負(fù)荷形狀的優(yōu)化匹配，可大幅降低電網(wǎng)的調(diào)峰難度。風(fēng)/光組合的匹配效果不及風(fēng)/光/光熱組合，這說明靈活電源的接入有利于源-荷匹配互補(bǔ)。從匹配偏差方面看，風(fēng)/光組合匹配偏差最小日的新能源出力非常低，說明僅靠風(fēng)電和光伏很難完全匹配負(fù)荷波動(dòng)。風(fēng)/光/光熱組合匹配偏差最小日的新能源出力有所提高，光熱接入后，新能源出力與負(fù)荷匹配偏差更小，最優(yōu)可達(dá)到匹配偏差為0的效果，即使是全年匹配偏差最大日，最大新能源功率缺額也未超過5GW，也驗(yàn)證了靈活性新能源電源CSP電站可有效提升新能源出力互補(bǔ)能力。

（四）新能源限電率對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

為了研究新能源限電率對(duì)多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局和源-荷匹配效果的影響，本節(jié)給定CSP電站發(fā)電容量為3.35GW、系統(tǒng)最大新能源限電率由0增加至10%時(shí)，計(jì)算風(fēng)、光最優(yōu)接入容量和源-荷匹配一致性指標(biāo)的情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同新能源限電率下優(yōu)化結(jié)果

可以看出，隨著允許新能源限電率水平的增加，新能源總?cè)萘吭黾?，相比于緩慢增加的光伏容量，風(fēng)電容量增加趨勢(shì)更大，系統(tǒng)優(yōu)化配置的風(fēng)電容量最大近乎于光伏容量的6.5倍，這主要是由兩方面原因造成的：一方面，測(cè)試系統(tǒng)地區(qū)的風(fēng)電資源利用小時(shí)數(shù)高于光伏資源，系統(tǒng)優(yōu)先接納風(fēng)電；另一方面，由于光伏出力具有典型的“晝發(fā)夜?！碧匦?，其出力形狀一般較為固定，由于源-荷匹配均衡約束的限制，電網(wǎng)優(yōu)先接納出力形狀更易匹配負(fù)荷的風(fēng)電。此外，隨著新能源限電率水平的增加，源-荷匹配一致性指標(biāo)隨之增加，由0.057近似線性增長至0.115。可見允許一定棄電可使新能源與負(fù)荷形狀更容易匹配，更好的利用新能源互補(bǔ)特性。

圖7 各地區(qū)某兩日發(fā)電運(yùn)行情況

圖7顯示的是限電率水平為10%情況下某兩日各區(qū)域電源出力運(yùn)行情況，選取的這兩日分別是新能源大發(fā)和小發(fā)場(chǎng)景?？梢钥闯?，在基準(zhǔn)負(fù)荷日調(diào)節(jié)系數(shù)較高的情況下（97.48%），新能源出力幾乎可以滿足系統(tǒng)的總負(fù)荷需求，而在基準(zhǔn)負(fù)荷日調(diào)節(jié)系數(shù)較低的情況下（42.13%），新能源出力也可以滿足系統(tǒng)總負(fù)荷需求的40%以上。并且兩種場(chǎng)景下均可以滿足新能源發(fā)電出力與負(fù)荷變化形狀相一致，需要提供支撐的常規(guī)電源出力變化量較小，因而常規(guī)電源可以更多的承擔(dān)基荷發(fā)電任務(wù)。此外，可以看出，對(duì)應(yīng)每日的基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)，需要的火電出力占負(fù)荷的比例也相對(duì)固定，因此可以在每日第一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)火電啟/停機(jī)狀態(tài)變量進(jìn)行限制，匹配周期內(nèi)火電的運(yùn)行狀態(tài)變量即可固定下來，可以有效降低火電機(jī)組參與優(yōu)化規(guī)劃的0-1變量個(gè)數(shù)，提高模型的求解速度。

（五）新能源隨機(jī)性對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

新能源出力隨機(jī)性對(duì)新能源規(guī)劃具有一定影響，由于本文是從源-荷匹配角度量化新能源互補(bǔ)能力，模型中不包含經(jīng)濟(jì)性約束，因此本節(jié)著重分析新能源資源出力隨機(jī)性對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[25]采用的多場(chǎng)景法，本節(jié)以60組年度8760h新能源出力場(chǎng)景作為規(guī)劃邊界分別求解規(guī)劃模型，所有場(chǎng)景下風(fēng)光規(guī)劃結(jié)果如圖8所示。

圖8 60組新能源出力場(chǎng)景計(jì)算結(jié)果

圖8中虛線為各指標(biāo)期望值，可以看出，各地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量波動(dòng)范圍分別為14.1-14.9GW、7.9-8.7GW、5.2-5.8GW、17.3-20.8GW，光伏裝機(jī)容量波動(dòng)范圍分別為2.6-3GW、2.3-2.5GW、3.9-4.6GW、2.5-2.8GW?？梢钥闯?，單次規(guī)劃結(jié)果具有一定隨機(jī)性，多組規(guī)劃結(jié)果期望值可靠性更高，所得規(guī)劃結(jié)果在60組場(chǎng)景下均收斂于期望值。

五、結(jié)論

本文研究了計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局問題。首先，對(duì)源-荷特性匹配特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次，建立了計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型。最后經(jīng)過算例分析驗(yàn)證所提模型和方法的有效性。主要研究結(jié)論如下：

(1) 從均衡度和一致性兩方面評(píng)價(jià)源-荷匹配特性，可以量化新能源出力與負(fù)荷之間有功功率的匹配能力。將其計(jì)入規(guī)劃模型，可在規(guī)劃過程中充分計(jì)及風(fēng)光出力廣域空間互補(bǔ)特性。

(2) 建立計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型。模型以電網(wǎng)新能源發(fā)電量最大和源-荷匹配誤差最小為綜合目標(biāo)，適用于大規(guī)模區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃，可得到在給定新能源利用率和源-荷匹配偏差約束下的新能源最優(yōu)接入容量。

(3) 由于相比于光伏，風(fēng)電的利用小時(shí)數(shù)更高，因此其廣域的互補(bǔ)特性更強(qiáng)。在規(guī)劃階段計(jì)及源-荷匹配后，系統(tǒng)更傾向于接納風(fēng)電。此外，靈活性新能源電源的接入對(duì)提高源-荷互補(bǔ)性具有積極作用，并在新能源總裝機(jī)一定情況下提升系統(tǒng)新能源發(fā)電量。