基于时序生产模拟的新能源年度消纳能力计算方法及其应用

基于时序生产模拟的新能源年度消纳能力计算方法及其应用

摘要：新能源年度消纳能力计算是提前预估电网新能源消纳空间、优化年度运

行方式安排、做好新能源消纳工作的关键环节。分析了新能源消纳能力计算的研

究现状，提出了基于时序生产模拟的新能源年度消纳能力计算方法，建立了含机

组启停机约束的混合整数规划模型，开发了新能源生产模拟仿真软件，并基于2015年一季度实际数据验证分析，证明了所提方法和模型的准确性和适应性，在

开展新能源富集的“三北”地区年度消纳能力计算实际案例研究的基础上提出了相

关建议。

关键词：新能源；年度；消纳能力；时序；生产模拟；仿真平台

0引言

为提高新能源消纳水平，调度机构在现有技术条件下，开展了有效探索，在

技术和管理2个方面取得了较为明显的成效，确保了新能源的优先消纳。本文从

技术方面研究了一种考虑电网运行边界条件和协调多环节优化电网运行方式的新

能源年度消纳能力评估方法，开发了新能源生产模拟仿真软件，仿真计算结果可

为电网调度运行和政府出台相关政策提供参考及依据。准确计算新能源消纳能力

是提高新能源消纳水平的有效途径。目前，已有很多文献对新能源消纳能力计算

方法进行了研究。

从研究目的来看，主要可归结为2个方面：（1）从电网调度运行角度出发，研究影响新能源消纳的相关因素；（2）从电网规划角度出发，研究一定水平年

电网可接纳的最大的新能源装机容量。从研究方法来看，主要有典型日分析法和

时序仿真分析法2类。典型日分析法通常选取新能源出力最大而负荷最小的极端

情况，分析全网的电力电量平衡情况，以确定电网新能源消纳能力，从新能源出

力特性、负荷特性、机组性能和外送通道等方面分析了电力系统新能源接纳能力

的计算方法。时序仿真分析法通常以月或年为计算时间长度，通过模拟新能源出

力特性和负荷特性时间序列，逐时段模拟电网的电力电量平衡情况，从机组调节

能力、电网输电能力等角度论述了影响风电消纳的关键因素，并建立了电网风电

接入能力问题的优化模型，开展了算例研究与分析；提出利用下降搜索思想对传

统粒子群算法进行改进，并用于求解含风电场电力系统的动态经济调度问题。

1新能源消纳能力计算模型

1.1电网模型

中国省级电网通常包含上百个变电站，成千上万条母线。考虑到全电网物理

模型过于复杂，而实际电网往往为辐射型电网，且新能源场站主要集中接入电网

末端，电网结构设计优化后不会出现很多线路过载的情况。因此，本文提出一种

分区电网用于新能源消纳能力计算，该方法根据电网新能源外送通道受阻情况对

目标电网进行分区，并对分区内的负荷、新能源、常规电源、联络线进行归类。

分区后的电网可有效降低电网的复杂性，提高新能源消纳能力的计算速度，更能

适应时序仿真模拟的实用性要求。其中，区域A、B、C分别为受断面外送能力限

制而存在新能源送出受阻的地区，主网为电网没有新能源受限的其他区域。1.2-1.5节将对电网分区内火电、水电、新能源及电网模型的建模过程进行详细介绍。

1.2火电机组模型

火力发电厂是中国电力系统电源的一个重要成员，对于接纳新能源至关重要。火力发电机组分为专供发电的凝汽式汽轮机组及兼供热的背压式和抽汽式汽轮机

组，其中供热机组对新能源消纳能力影响较大。

1.3水电机组模型

水电厂分为不具备调节能力的径流式水电厂和具备调节水库的可调节水电厂。水电厂运行与水资源密切相关。径流式水电厂发电功率基本上由河流流量决定。

具备调节水库的可调节水电厂没有最低出力限制，但是水库来水量和水库容量是

限制其出力的因素。

1.4新能源模型

时序生产模拟仿真中将新能源发电看作随时间变化的序列，其序列的变化特

性需与所在地区的新能源资源变化特性一致。

2实算分析与验证

为满足电网调度机构对新能源年度消纳能力计算的相关需求，国调中心组织

研发了新能源生产模拟仿真软件，它将系统负荷、新能源发电出力看作随时间变

化的时间序列，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，最终得到一定电网结构、装机

容量和负荷水平下电网可消纳的新能源电力电量。

新能源生产模拟仿真软件是一个通用化的仿真分析平台，可应用于新能源消

纳能力计算、新能源年度计划制定等。为测试新能源生产模拟仿真软件模拟实际

电网运行的准确性，国调中心组织开展了2015年一季度“三北”地区新能源消纳能力的实算工作，即根据实际的火电、水电等常规电源开机原则，以新能源最大化

消纳为目标建立优化模型，使用实际发生的负荷、联络线交换电量及风光资源数据，计算电网的新能源消纳能力，并将计算结果与实际发生情况进行对比分析，

验证仿真计算结果的准确性。

2.1边界条件

电网运行的边界条件是新能源消纳能力计算的重要依据，新能源消纳能力计

算考虑的边界条件主要包括系统备用容量、常规电源开机方式、机组最大最小技

术出力、负荷数据、新能源资源小时数、新能源出力序列和联络线原则。2015年一季度新能源消纳能力实算采用的边界条件如表1所示。

表12015年一季度新能源消纳能力实算边界条件

2.2计算流程

新能源消纳能力计算流程由数据准备、构建电网模型、方式维护、案例创建

和结果查看5部分组成。其中，数据准备包括新能源数据、负荷数据、省间联络

线及断面数据等；构建电网模型按照电网分区情况搭建，并配置各分区内火电、

水电等电源数据；方式维护依据实际电网常规机组运行方式，配置各分区内常规

机组的运行约束；案例创建根据案例计算需求配置相应的计算数据，启动计算并

查看结果。计算新的案例时，若电网模型没有变化，则仅修改案例的运行方式，

可重新启动计算。

2.3实算结果

2015年一季度，“三北”地区（不含蒙西，下同）风电实际发电量为

29.32TW•h，限电量为8.79TW•h；新能源生产模拟仿真软件实算的风电发电量为29.04TW•h，实算的限电量为8.99TW•h。其中，实算发电量偏差为-0.28TW•h，

实算限电量偏差为0.20TW•h。实算结果与实际运行情况基本吻合，表明新能源生产模拟仿真软件能够准确模拟电网运行情况，可作为新能源消纳分析的有效工具。 3结语

本文提出了基于时序生产模拟的新能源年度消纳能力计算方法，建立了含机