新能源电力系统电力电量平衡问题研究

新能源电力系统电力电量平衡问题研究
内蒙古通辽 028200
摘要：现阶段，国内外学者对新能源电力系统比例高的研究主要针对现有新
能源装机容量的消耗。

有新能源消纳关键因素分析、新能源消纳技术措施、国外
高比例新能源消纳经验、直流联络线运行方式优化提升新能源消纳、区域电网协
调消纳等等，而受限于实际数据，对未来更高新能源装机占比的电力电量平衡问
题开展深入分析的研究较为少见。

事实上，相对于消纳问题，电力平衡是电网安
全运行的关键，这对于未来中国高比重的新能源电力系统是一个巨大的挑战。

关键词：新能源；波动特性；时序生产模拟；电力电量平衡；
高比例新能源电力系统中风电和光伏发电出力的波动性、不确定性给电力电
量平衡带来较大影响。

随着我国能源清洁转型和新能源装机占比的不断提升，高
比例新能源运行场景下电力的可靠供应将面临巨大挑战。

基于实际运行数据，分
析了新能源出力的日波动特性与季节特性，总结了不同时间尺度上电力电量平衡
存在的问题。

一、分析高比例新能源系统日电力平衡
目前，我国已经积累了大量的新能源发电实际运行数据，所进行分析的数据
均来源于国家电网的实际运行数据。

1.
新能源装机或时间尺度越大，新能源出力波动越大。

随着新能源装机占比的
不断提升，新能源出力波动越来越大，2018年国网新能源日最大波动达到7996
万kW，较上一年增加2307万kW，增长41%。

日内新能源出力波动占平均负荷比
例超过40%的省份有7个。

图1为辽宁电网和东北电网在不同时间尺度内的风电、光伏出力波动率，可以看出新能源出力的波动随时间尺度的增加而增加。

图1新能源出力波动率
2.新能源出力具有区域平滑效应，波动性随空间范围的扩大而减小。

在较大空间范围内，风电之间、光伏之间以及风电和光伏之间呈现一定的互补性，新能源出力的波动性随空间范围的扩大而减小。

“三北”地区某一典型日风电、光伏的功率曲线，可看出空间范围越大，新能源波动率越小，呈现一定的平滑效应，扩大平衡区在一定程度上可以减少对调峰资源总量的需求。

3.电网的净负荷曲线具有典型的“鸭型特征”。

虽然新能源出力占负荷比例不断增加，但从日内电力平衡角度看，用电负荷夜间为低谷、白天为高峰，风电夜间出力高、白天出力低，具有明显的反调峰特性，而光伏发电中午出力高，在夜间无出力，在晚负荷高峰时，不具备电力支撑作用。

这使得电网的净负荷曲线呈典型的“鸭型曲线”，用电负荷早高峰阶段快速下降，午间出现凹谷，晚高峰时段快速上涨，给电力系统的电力平衡带来极大挑战，对于系统的灵活调节能力和快速爬坡能力提出了更高要求。

二、高比例新能源系统月度电量平衡分析
1.新能源月度电量分布与负荷需求不匹配。

从负荷需求特性来看，“三北”地区负荷表现为夏、冬高峰，风电为春、秋高峰，光伏发电为夏、秋高峰。

虽然风电、光伏发电月度电量分布具有一定的互补性，按电量平衡分析，风光互补可在一定程度上减少新能源季节性的影响。

但新能源月度电量分布与负荷需求不匹配，夏季负荷电量高，而新能源发电量低，存在季节性电量平衡难题。

2.负荷高峰时段，新能源对电量平衡的支撑能力不足。

以2019年国网迎峰度夏时期的实际运行数据进行具体分析，夏季(7、8月份)新能源出力低、整体电量贡献小。

从新能源电量最低日来看，该日新能源日发电量仅为6.1亿kW·h，而用电需求高达174亿kW·h，新能源仅贡献了
3.5%的电量，远低于全年平均电
量。

而7、8月份，新能源发电量633亿kW·h，仅占总用电量的6.1%，新能源
对电量平衡的支撑能力不足。

三、分析高比例新能源系统中火电运行情况
受电力需求增长放缓、新能源装机比重不断提高等因素影响，近几年火电设
备平均利用小时数持续下滑，2019年国网火电装机容量为9.16亿kW，同比增长3.1%，但受国家煤电停、缓建政策影响，火力发电装机容量增速得到明显遏制，
火电装机容量占电力装机容量的比重呈逐年下降态势。

在新能源装机占比将进一
步提升的情况下，火力发电小时数将进一步减少。

新能源占比较高的德国、西班牙、丹麦2018年火电利用小时数只有3839、2246和2170 h。

四、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序生产模拟模型，量化分析了高比例新能源系统电
力平衡问题。

模型将系统负荷、新能源发电出力看作随时间变化的序列，计及电
网运行方式时序变化特性，在给定的电力系统运行边界条件下，时序模拟各种电
源运行状况和发用电平衡，最终得到电网可消纳的新能源电力电量。

该模型可用
来模拟未来的电力供需场景。

1.优化目标。

考虑到我国电力清洁转型要求，时序生产模拟模型的优化目标
为新能源发电量最大，即各区域所有时段新能源功率总和最大，其目标函数如下：
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。

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。

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；S j.max(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产发展的实际状况，分别对背压式热电联产火电机组和抽汽式热电联产火电机组进行数学建模。

背压式热电联产火电机组的发电出力与热出力呈线性关系：
抽汽式热电联产火电机组的工况曲线则更为复杂，其线性约束公式如下式所示：
（6）新能源出力约束。

式中：指时刻t时装机容量一定时的风电理论出力；指时刻t时装机容量一
定时的光伏理论出力。

总之，新能源大规模高比例接入电网，其随机波动性对电网的电力电量平衡
问题产生了巨大的影响。

建立了考虑新能源随机性与波动性的电力系统时序生产
模拟模型，并对未来新能源高比例情形下存在的电力平衡问题进行量化研究，以
适应电网电力电量平衡的新格局。

结果表明，在未来新能源装机继续增长的情况下，除了现有的弃风弃光问题以外，还会同时产生新的电力短缺问题。

电力短缺
主要发生在夏季和冬季，集中在负荷晚高峰时段。

通过增加火电装机容量可以缓
解此问题，但火电的利用小时数将继续下降。

在一定的合理弃电率水平下，减少
火电装机容量的同时需采用可控负荷或增加储能等措施来保证电力电量供应。

所以，为了保障高比例新能源系统的电力供应，在未来的电网规划中，要优化电源
结构与布局，在提高新能源发电占比的同时统筹安排其他常规以及调峰电源建设，以满足用电需求；同时应大力发展可控负荷等需求侧响应方法以及储能等手段，
通过源荷匹配以保障电力供需平衡。

参考文献：
[1]汪波．新能源电力系统电力电量平衡问题研究.2019.
[2]白俊，中国实现高比例可再生能源发展路径研究．2018.。