跨省互联电网的新能源消纳互济方法研究_姚德全.pdf

2023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-09-24作者简介：姚德全（1989），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力市场、能源规划、电力系统规划。跨省互联电网的新能源消纳互济方法研究姚德全1陈卫中2郑宁敏2陈世勇2郑子墨2（1中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司福建福州3500032闽粤联网电力运营有限公司福建漳州363301）摘要新能源富余电力跨区调配和消纳，是支撑新能源加快发展、落实碳达峰碳中和“全国一盘棋”的重要举措。充分发挥备用、联络型的跨省互联电网的新能源消纳互济作用，有助于提升互联省份的新能源消纳能力。在总结影响新能源消纳因素、消纳空间计算方法的基础上，构建适用于电力备用互联省份的新能源消纳互济调度运行模型，并提出相应的调度运营优化方法。结合闽粤2省互联电网实例，分析了2省未来的新能源消纳能力，按照跨省新能源消纳互济方法，验证了该方法对提升新能源消纳率、促进联网线路功能作用发挥的有效性，可为互联省份提高新能源消纳的调度运营提供指导。关键词互联电网新能源消纳互济调度运营中图分类号：F426.61；X322文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)02008050引言加快能源结构转型升级、促进区域能源协调发展是贯彻新发展理念、构建新发展格局的必然要求，对于落实碳达峰碳中和部署、构建现代能源体系具有重要意义1。为统筹我国资源与负荷分布不均衡、促进新能源消纳，我国已建设多个跨省特高压输送通道，有力支撑新型电力系统建设。随着新能源规模的持续增长，不少学者对新能源跨省消纳进行了思考和研究：文献2分析了我国新能源的发展形势和弃风弃光特点，从电源侧、电网侧和用电侧提出促进大规模新能源消纳的技术措施；文献3-5基于实时电力数据，以新能源跨区消纳为目标，测算跨省送电的消纳优化模型；文献6建立了考虑外送通道的电力系统调度随机模型，分析了外送通道对风电资源跨区消纳的影响；文献7针对多区域互联系统的协调调度问题，提出了1种考虑跨区联络线交易计划的分散调度方法。目前，大部分研究主要基于送受端省份相对明确的潮流输送优化、调节能力提升以及新能源消纳调度运营策略等领域，研究对象着重于单个省份。对于发用电自平衡能力相对较强的电力互联省份，联网线路往往仅发挥应急备用、联络等作用，在促进新能源消纳互济方面仍有挖潜空间。本文结合闽粤联网线路，以福建和广东为例，探索2省新能源消纳互济的调度运营模式，促进提升联网线路发挥社会价值，使新能源电力在更大范围内优化配置。1新能源消纳能力分析1.1新能源消纳制约因素风电、光伏出力可控性较差，具有随机性、波动性，以及难于预测等特点。由于风、光的资源特性，新能源出力存在随机性和波动性。风电日波动最大幅度可达装机容量的80%，且呈现一定的反调峰特性。光伏发电受昼夜变化、天气变化、移动云层的影响，同样存在间歇性和波动性。新能源高比例接入电力系统后，增加了系统调节的负担，常规电源不仅要跟随负荷变化，还需要平衡新能源的出力波动8。新能源出力超过系统调节范围时，必须控制出力以保证系统动态平衡，否则就会产生弃风、弃光。在未来大规模开发新能源的情况下，将对电网运行产生较大的压力。结合文献3-5研究成果，影响新能源消纳的主要制约因素包括新能源出力特性、系统负荷特性、系统调节能力、电网传输调度能力等方面。前三者主要是电力系统依靠自身电源负荷结构与变化特性，实现波动性负荷与电源相匹配的过程，后者则是借助外来电网实现新能源在更大范围内消纳。1.2新能源消纳空间在内部无网络约束的电力系统中，新能源消纳需要满足发、用电动态平衡和系统调节能力下限约束。对于孤立的区域电网，负荷曲线与系统电力装机的最小技术出力形成的空间，叠加抽蓄、储能的最大调节能力，即为理论上新能源的最大消纳空间9，如图1所示。含外送联络线的电力系统，可将联络线功率与负荷曲线等效为孤立的电力系统负荷曲线。若新能源叠加常规电源（含抽蓄等调节性电源）最小技术出力超过负荷功率时，则超出部分则为弃新能源电量；若负荷曲线超出常规电源最大技术出力，则表明系统供电能力不足，存在缺电现象。系统t时刻最大可消纳的新能源电力空间Px（t）可表示如式（1）。Px（t）=L（t）-iGc，i，min=L（t）-i（1-i）Gc，i，max（1）=L（t）-（1-）iGc，i，max研 究 与 探 讨82023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1新能源消纳空间示意图式中：L（t）为系统t时刻的负荷功率；Gc，i，max、Gc，i，min分别为系统中第i台常规机组的最大出力和最小技术出力；i为第i台常规机组的调峰深度；为系统内所有常规机组的平均调峰深度。2新能源消纳互济的跨省调度优化方法2.1跨省新能源消纳的电网调度模型发用电自平衡能力相对较强的联网省份，新能源消纳着重以省内自平衡为主；在省内无法消纳、产生弃新能源电量的情况下，再通过联络线路外送，实现跨省新能源消纳互济10。以A、B两省的系统总运行成本经济最优为目标，考虑各类型机组的运行成本及环境成本，并对弃新能源电量设定惩罚成本，以促使新能源消纳，建立的调度运行目标函数见式（2）。F1=tm1i=1a1，iGc1，i（t）+n1i=1b1，iP1，i（t）-EW（t）+c1S1（t()）F2=tm2i=1a2，iGc2，i（t）+n2i=1b2，iP2，i（t）-EW（t）+c2S2（t()）式中：F为系统总运行的成本，F1、F2分别为两省的系统运行成本。i为机组编号，m1，n1分别为A省常规电源、新能源机组（或者场站）的总数；a1，i，b1，i，分别为A省常规电源、新能源第i台机组的单位电量运行成本；Gc1，i（t）、P1，i（t）分别为A省常规电源、新能源第i台机组对应t时刻的发电出力；W（t）为t时刻外送功率，外送电时定义为正值，E为外送电度电成本，考虑两省互为联络时，两省外送/购电成本相同。S1（t）为A省t时刻弃新能源功率，c1对应为惩罚性弃电成本。同理，下标为2的对应为B省的机组参数。各电源类型中，火电机组除了运行成本外，还需要考虑其碳排放的环境治理成本；核电、水电运行成本不考虑碳排放成本；新能源运行成本主要为人工及运维成本，为促使新能源消纳，计算过程中可简化取0值。由此，目标函数可简化为式（3）。minF=tm1i=1a1，iGc1，i（t）+m2i=1a2，iGc2，i（t）+c1S1（t）+c2S2（t()）（3）式中：弃新能源电力功率与新能源消纳空间有关，新能源发电出力超出消纳空间的部分为弃新能源电力。结合式（1）可知，新能源弃电功率为式（4）。S（t）=max（P（t）-Px（t），0）=max P（t）+（1-）iGc，i，max-L（t）-W（t），()0（4）调度运行的约束条件主要包括系统运行约束、常规机组的发电约束2个方面：系统运行约束主要包括电力平衡、负荷备用、输电联络线等方面约束；常规机组约束主要包括机组功率约束、爬坡速度、启停时间等方面约束11。结合约束条件可计算出满足系统新能源消纳的跨省联合调度的运行方式。2.2跨省调度运营优化方法以新能源省内就地消纳为主、满足系统运行成本最优并可通过联网线路实现消纳互济的运营思路，进行优化联网线路的跨省调度方案，主要步骤如下：（1）建立省级电力系统运行模型。包括2省的电源规模与结构、电力需求及负荷特性、各类电源运行的技术经济指标，跨省区输电规模及方向（为简化计算，可将2省联络线外的其他外来电与负荷进行等效处理）。（2）省内机组运行计划初步安排。预测次日最高负荷，根据次日常规机组检修、开停机情况、以及电力市场交易情况、各电源出力计划，按照电网调度运行模型优化目标，安排2省电网机组的组合和经济调度开机容量。（3）计算2省日内新能源消纳空间。根据当前新能源出力、超短期功率预测、负荷水平及常规机组运行工况，计算未来时刻省内及邻省的备用和调峰容量，预判2省电网的新能源消纳空间。（4）制定日前联络线运行计划。结合新能源出力预测曲线比较，分析是否存在新能源出力超过新能源消纳空间的情况。针对新能源出力超出新能源消纳空间的情况，安排通过联网线路进行外送。结合联网线路的输送功率限制、新能源出力盈余情况，得出联网线路的日前电力输送计划。（5）优化省内机组安排。根据联网线路的日前联络线功率（2）研 究 与 探 讨92023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK计划、弃电功率，计算出2省考虑联络线功率交换及弃电功率后的等效负荷曲线。结合省内机组计划初步安排情况，进一步优化2省电网的机组组合和经济调度。（6）实时调整联网线路的运行功率。结合2省风电日内消纳的空间计算，优化省内机组出力方式，实时调整联网线路的运行功率，保障新能源电力在2省范围内消纳。3闽粤新能源消纳互济分析以闽粤联网为例，开展对闽粤新能源消纳互济模式研究。广东和福建同处于沿海地区，电源装机结构、负荷特性等相似但又有所不同，随着新能源大幅开发，存在新能源消纳不足的现象。2022年在建的闽粤联网线路功能定位为“互补余缺、互为备用、紧急事故支援”，在物理上实现了闽粤互联，为2省新能源消纳互济创造了条件。3.1闽粤新能源消纳能力分析结合闽粤2025年的规划电源结构，按照满足闽粤负荷预测需求的情况，安排日机组开停机计划，并结合新能源出力情况进行调节电源出力，以满足负荷与电源出力匹配，实现清洁电源消纳。在规划的电源方案、负荷时点出力曲线中，按照新能源预测出力进行初步优化全省机组安排，满足负荷需求的情况下，2省的负荷曲线及开机的常规电源最大最小技术出力如图2、图3所示。由初步测算的运行结果可知，图2、图3中的负荷曲线均在常规电源最小技术出力、最大技术出力的范围内，表明全省开机方式可以满足负荷消纳需求。在考虑叠加新能源出力后，全省最小的电源出力曲线在部分时段会超过负荷曲线，表明由于新能源随机出力的特性，电网存在新能源消纳能力不足的情况，需要考虑需求侧响应存储、外送、弃电等方式予以解决。分析出现新能源消纳不足的情况，主要出现在负荷低谷时段叠加风电出力大发的现象。选取2025年、2030年数据进行计算，若不考虑发挥闽粤联网线路的清洁电源互济作用，则图3广东省2025年负荷与电源出力曲线图图2福建省2025年负荷与电源出力曲线图研 究 与 探 讨102023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇闽粤 省新能源消纳互济优化表项目 年福建省 广东省 年福建省 广东省全省用电量 亿 新能源总发电量 亿 摇省内消纳电量 亿 摇互济消纳电量 亿 摇新能源盈余电量 亿 新能源消纳率 新能源消纳互济总电量 亿 书书书表 摇闽粤 年及 年新能源消纳情况表项目 年福建省 广东省 年福建省 广东省全省用电量 亿 新能源总发电量 亿 摇其中：省内消纳电量 亿 摇摇 摇新能源盈余电量 亿 新能源消纳率 图5联网线路2030年新能源消纳互济输送潮流图图4联网线路2025年新能源消纳互济输送潮流图福建、广东2025年、2030年新能源消纳情况如表1。测算结果表明，福建及广东省电力系统调节能力较强，全年存在0.1%0.4%左右的弃新能源电量，满足电力系统运行的弃电要求。3.2新能源消纳互济的优化运营测算为进一步降低新能源弃电情况，结合闽粤联网线路的输送能力及消纳水平，低谷时段可通过外送互济，提升新能源消纳率。例如福建省存在弃电时，而广东省具备新能源消纳空间，则考虑福建盈余新能源电力送往广东省消纳；若同时出现消纳不足的情况，则通过联合优化调度，满足新能源消纳的最大需求。按照跨省电网调度运营优化模型，以促进清洁能源消纳为目标，对2025年、2030年闽粤2省出现电力盈余的情况进行联合优化调度，发挥闽粤联网清洁电源互济作用见图4和图5。经优化后，测算的结果见表2。通过优化调度联网工程满足新能源消纳后，2025年、2030年闽粤联网工程互济的总电量分别约为1.42、1.04亿kWh；福建省2025年、2030年新能源消纳率分别由99.81