基于时序生产模拟的新能源电力电量平衡分析

基于时序生产模拟的新能源电力电量平

衡分析

摘要：鉴于电力系统中新能源发电占比日益增大，本文分析了新能源消费的关键因素、技术措施、国外经验、运行方式等，提出了基于时序生产模拟仿真分析高比例新能源系统功率平衡问题的方法。

关键词：新能源发电；时序生产模拟；电力电量平衡

在比例较高的新能源电力系统中，风电和光伏发电输出的波动性和不确定性对功率平衡有很大的影响。随着中国能源的清洁转型和新能源装机比例的不断提高，在新能源高比例运行的情况下，电力的可靠供应将面临巨大挑战。基于实际运行数据，分析了新能源输出的日波动特征和季节特征，总结了不同时间尺度上的电力平衡问题。

1分析高比例新能源系统日电力平衡

目前，中国已经积累了大量新能源发电的实际运行数据，分析的数据来源于国家电网的实际运行数据。

1.1新能源装机容量或时间尺度越大，新能源产量波动越大

随着新能源装机占比的增加，新能源产量波动越来越大。2018年，国家电网新能源日最大波动达到7996万千瓦，比上年增长2307万千瓦，增长41%。有7个省份新能源产量波动占平均负荷的40%以上。图1为辽宁电网和东北电网在不同时间尺度下风电和光伏出力的波动率。可以看出，随着时间尺度的增加，新能源产出的波动幅度增大。

图1新能源出力波动率

1.2新能源的输出具有区域平滑效应，且波动随着空间范围的扩大而减小

在较大的空间内，风电与光伏、风电与光伏具有一定的互补性。新能源输出

的波动随着空间的扩大而减小。从“三北”地区典型日风电和光伏功率曲线可以

看出，空间范围越大，新能源的波动性越小，具有一定的平滑效应。扩大平衡面

积可以在一定程度上减少对削峰资源总量的需求。

1.3电网净负荷曲线具有典型的“鸭形特征”

虽然新能源输出在负荷中所占比例不断增加，但从白天电力平衡的角度来看，电力负荷在夜间较低，在白天达到峰值。风力发电夜间输出大，白天输出小，具

有明显的抗调峰特性。但光伏发电中午输出量大，夜间无输出，不具备夜间负荷

高峰时的供电支撑作用。这使得电网的净负荷曲线呈现典型的“鸭子曲线”。早

高峰的电力负荷迅速下降阶段,凹谷出现在下午和晚高峰时期迅速上升,带来了巨

大的挑战,电力系统的功率平衡,并提出了更高的要求,灵活的监管能力和快速系

统的爬坡能力。

2高比例新能源系统月度电量平衡分析

2.1新能源月度电量分布与负荷需求不匹配

从负荷需求特征来看，“三北”地区的负荷表现为夏、冬两季为高峰，春、

秋两季为风电高峰期，夏秋季为光伏发电高峰期。虽然风电和光伏发电的月度功

率分布具有一定的互补性，但根据功率平衡分析，风电和太阳能的互补性可以在

一定程度上减少新能源的季节性影响。然而，新能源月度配电与负荷需求并不匹配。夏季负荷功率高，而新能源发电量低，存在季节性功率平衡问题。

2.2负荷高峰时段，新能源对电量平衡的支撑能力不足

根据国家电网2019年夏季高峰期间的实际运行数据，夏季(7、8月)新能源

产量较低，整体电力贡献较小。从最低的一天,新能源电力的日常发电新能源在

那一天只有6.1亿千瓦·h,而电力需求高达174亿千瓦·h·新能源的贡献只有

3.5%的力量,这是远低于年度平均功率。7、8月，新能源发电容量为633亿千瓦时，仅占总用电量的6.1%。新能源对动力平衡的支撑能力不足。

3分析高比例新能源系统中火电运行情况

受电力需求增速放缓和新能源装机比例上升的影响，近年来火电设备平均利

用小时持续下降。2019年，国家电网火电装机9.16亿千瓦，同比增长3.1%。但

受国家煤电停建政策影响，火电装机增长速度明显受到抑制，火电装机占电力装

机的比重逐年下降。在新能源装机比例进一步提高的同时，火电发电小时数将进

一步减少。新能源占比较高的德国、西班牙和丹麦，2018年火电利用率分别为3839、2246和2170小时。

4基于时序生产模拟的未来电力系统平衡问题研究

建立了新能源电力系统时间序列生产仿真模型，定量分析了高比例新能源系

统的功率平衡。该模型将系统负荷与新能源发电出力视为一个时变序列，考虑到

电网运行方式的时序变化特性，并在给定的电力系统运行边界条件下，模拟各种

供电运行条件以及发电量和消耗平衡，从而最终得到电网可以消耗的新能源功率。该模型可用于模拟未来的电力供需情况。

4.1优化目标

考虑到中国清洁能源转型的要求，序贯生产仿真模型的优化目标为新能

源发电量最大化，即各区域各时段新能源总发电量最大，其目标函数为:

式中：N为系统所包含的聚合电网总数；n为某一聚合电网；T表示调度时间的总长度；t为仿真时间步长；Pw(t n,)为聚合电网n在时段t的风电出力；Ppv(t n,)为聚合电网n在时段t的光伏发电出力。

4.2约束条件。

（1）系统旋转备用容量约束。

式中：Pre和Nre分别为正旋转备用和负旋转备用；Pj,max(t n,)和

Pj,min(t n,)分别为聚合电网n中第j类机组的出力上限和出力下限。（2）负荷平衡约束。考虑跨区外送与风电、光伏发电并网后，系统负荷平衡约束为

式中：为电网n第t时段的所有常规机组的总功率之和；Li()t 为第t时段第i条传输线的输电功率。（3）区域间线路传输容量约束。

式中：L i,max和-L i,max分别为第i条传输线传输容量上下限；设定电流参考方向为“流入区域为正方向，流出区域为负方向”。（4）火电启停机约束。

0≤

式中：Y(t)和Z(t)为系统t时段的启动指令和停机指令，考虑到实际调度的情况，每天只对网内机组发出一次调度指令；(n)为聚合电网n第j类机组的总台数。(5)供热机组供热期出力约束。根据对供热机组的定义以及我国热电联