含高比例可再生能源电力系统灵活性规划及挑战

０㊀ 引言
当今人类社会面临能源安全和气候变化的严峻 挑战 , 传统能源发展方式难以为继 , 可再生能源大规 模利用 , 推动了能源清洁化 ㊁ 低碳化 ㊁ 智能化发展 , 联 合国 ２ ０ ０ ２ 年约翰内 斯 堡 世 界 环 境 发 展 大 会 将 可 再 ] １ . 高比例可再生 生能源发展纳入其千年发展目标 [ 欧洲专家提 出 ２ ０ ５ ０年在欧洲和北非实现１ ０ ０％ 可 [ ] ２ 再生能源电力 系 统 的 技 术 路 线 图 ; 美国可再生能 源国家实验室在可再生能源电力未来蓝图研究中提 出美 国 ２ ０ ５ ０年将实现８ ０％ 电 力 来 自 可 再 生 能 [ ３] 源 ; 中国相关研究机构发布的« 中国２ ０ ５ ０高比例 能源发电成为全球 广 泛 关 注 的 未 来 电 力 系 统 场 景 .
北美 电 力 可 靠 性 协 会 ( N o r t h Am e r i c a nE l e c t r i c , 则认 为 电 力 系 统 灵 活 性 R e l i a b i l i t o u n c i l N E R C) yC 是系统资 源 满 足 需 求 变 化 的 能 力 . 文 献 [ 指 １ ５] 出在有功平衡中 , 系统灵活性代表其适应负荷波动
生变化时系统的响应能力 . 最初的柔性分析是针对 过 程 系 统 的 实 用 性㊁ 可 操 作 性 而 展 开 的 研 究.
] 文献 [ 基于中国电网实际情况 , 从输电系统 ㊁ １ ７
乏统一 的 定 义 . 国 际 能 源 署 ( I n t e r n a t i o n a lE n e r g y , ) , 认为 电 力 系 统 灵 活 性 代 表 其 在 面 临 A e n c I E A g y
鲁宗相 ,李海波 ,乔 ㊀ 颖
摘要 :未来高比例可再生能源的随机变 化 特 性 将 给 电 力 系 统 运 行 灵 活 性 带 来 前 所 未 有 的 挑 战 , 对 系统的灵活性资源进行规划成为必要的研究工作 . 对含高比例可再生能源电力系统灵活性规划的 研究动态进行评述 , 首先分析了高比例可再生能源电力系统的基本特征 , 给出了电力系统灵活性的 定义 ㊁ 主要灵活性资源类型和灵活性平衡原理 , 然后介绍了灵活性定量评价指标体系 , 最后 , 提出了 电力系统灵活性协调规划的核心内容及求解思路 ㊁ 存在的关键难题及技术解决思路 . 关键词 :高比例可再生能源 ;灵活性评价 ;多时空尺度 ;电力系统规划
从中 国 发 展 现 状 来 看 , 充裕的灵活调节资源已 成为系统运行的必需条件 . 目前的风电装机容量已
率一直居高不下 . 近 ５ 年全国弃风率统计平均值为 东北 ㊁ 华北和西北地区多数大型风电基 地 的 １ ２． ６％ , 弃风的原因各异 , 如内蒙古 ㊁ 冀北和甘肃电网主要是 由于外送通道不足 , 而东北三省严重弃风的主要原
: / D O I １ ０． ７ ５ ０ ０ A E P S ２ ０ １ ５ １ ２ １ ５ ０ ０ ８
第４ ０卷㊀第１ ３ 期 ㊀２ ０ １ ６年７月１ ０日
V o l ． ４ ０N o ． １ ３J u l ０, ２ ０ １ ６ y１
含高比例可再生能源电力系统灵活性规划及挑战
( ) 清华大学电机工程与应用电子技术系 ,北京市 １ ０ ０ ０ ８ ４
收稿日期 : ２ ０ １ ５ Ｇ １ ２ Ｇ １ ５;修回日期 : ２ ０ １ ６ Ｇ ０ １ Ｇ ２ ２. 上网日期 : ２ ０ １ ６ Ｇ ０ ３ Ｇ ０ １. ; 国家科技支撑计划 资 助 项 目 ( 国家电网公 ２ ０ １ ３ B AA ０ １ B ０ ３) / ) . 司科技项目 ( S G T YHT １ ４ Ｇ J S Ｇ １ ８ ８
[ ] １ ９ 部电网独立运行商 ( 分别提供了灵活爬坡 M I S O) 产品 , 即通过调度额 外 的 灵 活 性 容 量 来 满 足 潜 在 的
需求及资源评价 １㊀ 电力系统灵活性定义 ㊁
１． １㊀ 灵活性的定义 灵活 性 也 称 柔 性 , 广义的灵活性是指系统对内 外部不确定因素的 应 变 能 力 , 即内部或外部变量发 G r o s s m a n n 等学 者 认 为 过 程 系 统 灵 活 性 为 : 系 统 在从一种 操 作 状 态 过 渡 到 另 一 种 操 作 状 态 的 情 况 ] １ ２ , 下, 能够调节到满足工艺要求的能 力 [ 从而分为 运行灵活性 ㊁ 检修灵活性 ㊁ 扩建灵活性等定性描述指 标. 然而 在 电 力 系 统 中 , 目前国际上对其灵活性缺
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来减小弃风 ㊁ 弃光的研究 , 其本质也是增加系统的灵 活调节能力 . 可见 , 中低比例可再生能源的现阶段 , 灵活性不足 , 后果会更加严重 , 甚至导致系统无法正
( ) ２ ０ １ ６, ４ ０ １ ３
] １ １ , 因是调峰能力不足 [ 但归根结底都 是 系 统 灵 活 性 . 不足 调峰问题导致弃风的核心原因是电源结构灵
活性不足 , 而外送问 题 导 致 弃 风 的 核 心 原 因 是 电 网 灵活性不足 . 引入储能乃至考虑负荷需求响应机制 灵活性不足导致了 局 部 区 域 局 部 时 段 的 弃 风 ㊁ 弃光 问题 , 未来的高比例可再生能源电力系统场景下 , 若
爬坡需求 , 避 免 因 爬 坡 事 件 导 致 的 价 格 剧 烈 波 动. 中国目前处于电力 市 场 改 革 的 关 键 时 期 , 如何通过 合理的市场设计 , 来释放系统中的灵活性潜力 , 是今 ２ ０] . 后需要研究的重要方向之一 [ 电力 系 统 的 核 心 是 电 力 电 量 平 衡 , 即根据规划
������ 综述 ������
常运行 . 因此 , 未来 高 比 例 可 再 生 能 源 电 力 系 统 开 展灵活性专项规划 具 有 必 要 性 和 重 大 意 义 , 即在规 划阶段对系统可用的灵活性资源类型和潜力进行定 量分析和优化配置 , 从而有效匹配可再生能源电源 的随机 ㊁ 波动特性 , 维持系统安全稳定运行 . 性问题开展综述 , 在充分调研国内外研究现状的基 础上给出电力系统 灵 活 性 的 定 义 , 分析电力系统潜 在的灵活性资源 , 论证了将灵活性定量评价纳入电 力系统规划的必要性 , 最后 , 提出了电力系统灵活性 规划存在的关键难 题 及 技 术 解 决 思 路 , 从而为构建 适应高比例可再生能源接入的未来电力系统规划提 供支撑 . 本文围绕含高比例可再生能源的电力系统灵活
源, 以一定的成本适应发电 ㊁ 电网及负荷随机变化的 能力 . 需要说明的 是 , 本文研究的灵活性主要涉及 但仅考虑故障前后 的 稳 态 情 况 , 并不考虑其动态过 程, 与传统 可 靠 性 ㊁ 安全性的研究范畴相关而不重 叠.
经济调度和运行模 拟 模 型 , 上述定义中的随机变化 , 包括部分简单故障 工 况 ( 如 发 电 机 组 和 线 路 故 障)
[ ] １Βιβλιοθήκη Baidu４
大扰动时通过调整 发 电 或 负 荷 维 持 可 靠 性 的 能 力 , １ ３] . 即对可预见与不可预见的事件快 速 响 应 的 能 力 [
性和不确定性的能 力 , 并且在任何时间尺度中维持 ( ) ] 要求的性能 如可靠性 水平 . 文献 [ 认为灵活性 １ ６ 是在某一时间尺度 和 成 本 约 束 下 , 系统对不确定性 ] 的接纳能力 . 文献 [ 提出电力系统灵活性具有方 １ ７ 向性和一定的时间尺度特性 , 将其定义为 : 经济约束 和运行约束下 , 某一时间尺度内 , 电力系统快速而有 综上 观 点 , 电力系统灵活性的定义应包含以下 即 时 间 尺 度㊁ 灵 活 性 资 源 集㊁ 系统不确定 ４ 个要素 , 性和成本约束 . 本 文 定 义 电 力 系 统 灵 活 性 为 : 在一 定时间尺度下 , 电力 系 统 通 过 优 化 调 配 各 类 可 用 资 １ ４ ８ 效地优化调配现有资源 , 快速响应电网功率变化 ㊁ 控 . 制电网关键运行参数的能力
可再生能源系统主要有以下特征 : ① 基本取消了 基 , 荷 发电厂 ( 核电 除 外 ) 常 规 火 电 机 组 在 日 内 启 停, 可再生能源承担了较大的电力需求 , 并通过水电厂 ㊁ 燃气电 厂 灵 活 调 节 实 现 对 新 能 源 波 动 性 的 互 补 ; 如０ 渗透 ② 常规电源在大多数时刻 ( ９: ０ ０到１ ９: ０ ０) , 率较低 ( 不足５ 甚 至 在 中 午 光 伏 满 出 力 时 段, ０％ ) 全部电力需求几乎 全 部 由 新 能 源 承 担 , 火电接近技 术下限出力运行 , 下调潜力几乎用尽 ; ③ 系统内的电 力电子接口电源 比 例 剧 增 , 系 统 惯 性 大 幅 下 降. 这 些特征对电力系统 的 影 响 是 根 本 性 的 , 整个电力系 ] ５ . 统规划和运行机制必须进行革新 [ 经突 破 １ 太阳能发电装机容量也突破 ０ ０ GW, 处 于 世 界 领 先 地 位, 但 是 中 国 的 弃 风㊁ 弃光 ３ ０TW,
[ Ｇ ８] , 弃风 率 甚 至 超 过 ２ 而欧洲大多数国家及美 ０％ ６ ] ９ Ｇ １ ０ .中国 不 同地 区 国的弃风率 能 保 持 在 ５％ 以 下 [
可再生能 源 发 展 情 景 暨 路 径 研 究 » 报 告 提 出, 中国 [ ] ４ , 年要实现 电力来自可再生能源 届时风 ２ ０ ５ ０ ６ ０％ 电和太阳能发电装机容量将分别达到 ２３ ９ ６GW 和 , 包 ２６ ９ ６GW 发电量占比分别为 ３ ５． ２％ 和２ ８． ３ ５％ , 括水 电 等 在 内 的 可 再 生 能 源 发 电 量 占 比 将 达 到 ８ ５． ８％ . 高比 例 可 再 生 能 源 接 入 的 未 来 电 力 系 统 中 , 风 电和太阳能将成为电力供应的重要支柱 , 其风 ㊁ 光资 例可再生能源发展 情 景 暨 路 径 研 究 » 报告中给出了 源的随机性和波动性 , 导致电力系统本征特性改变 , 需要重新探讨其规划和运行机制 .« 中国 ２ ０ ５ ０ 高比 ２ ０ ５ ０ 年高比例 可 再 生 能 源 场 景 下 典 型 日 全 国 发 电 ) , 机组调度曲线 ( 见附录 A 图 A 可以看出 , 高比例 １
资源及其平衡原理 １． ２㊀ 灵活性需求 ㊁ 电 力 系 统 灵 活 性 需 求 主 要 来 源 于 负 荷 的 波 动. 在可再生能源接入 时 , 电源波动性也会产生灵活性 需求 , 而且随着可再生能源发电比例的增加 , 这部分 需求剧增而成为影响系统灵活性的关键 . 虽然 国 内 外 学 者 对 灵 活 性 的 定 义 存 在 偏 差 , 但 [ １ ３] 关于灵活性资源的认识基本一致 . 电 I E A 认为 , 力系统灵活性资源主要包括常规发电厂 ㊁ 储能 ㊁ 互联 电网和需求侧 , 这是 最 早 出 现 对 灵 活 性 资 源 进 行 梳 理的成果 , 但是存 在 较 大 的 局 限 性 . 文 献 [ 则认 １ ５] 为除了上述灵活性 资 源 外 , 还应该考虑风电光伏等 波动性电源提供灵 活 性 的 可 能 性 , 并指出合适的电 力市场设计能够反映当前系统的灵活性水平及存在 的不足 , 能够给出灵活性资源投资的信号 . 配电系统和输电及配电系统双端灵活性资源的角度 进行分类 , 提出了 ３ 类 共 ７ 种 灵 活 性 资 源 . 但 是 该 分类将可再生能源 整 体 作 为 灵 活 源 , 将电动汽车简 单归入配电环节 , 与实际经验有一定偏差 , 且上述分 类虽然较为全面 , 但是忽略了市场设计和制度的灵 活性 , 由于体制障碍或不合适的市场设计 , 电力系统 中物理上可用的灵活性也许无法释放 . 美国一些运 营商在电 力 市 场 提 供 灵 活 性 方 面 进 行 了 很 好 地 尝 [ ] １ ８ 试, 如加州电网独立运行商 ( 和美国中西 C A I S O)