基于柔性计算的高比例新能源环境下的电力电量平衡

基于柔性计算的高比例新能源环境下的电力电量平衡

商同毅

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摘要：在对电力系统进行规划设计时，电力电量的供需平衡是必须考虑的问题之一。电力系统规划中的电力电量平衡问题主要研究电力系统的源网荷储如何相互配合运转，合理分配各发电站所的装机容量和发电量，以应对发电机组的出力波动、系统预安排停电与检修计划、故障时的切机切负荷等多种情况。本文主要分析基于柔性计算的高比例新能源环境下的电力电量平衡。

关键词：新能源；电力系统规划；柔性；电力电量平衡

引言

传统的电力电量平衡着眼于系统参数的刚性边界，采取简化的约束，如网络的直流潮流方程，或直接考虑电源总容量大于总负荷，根据网络负荷特性、接线模式及负荷预测等条件进行平衡。而随着新能源在电网中得到越来越广泛的应用，其发电的间歇性和波动性为系统规划带来了更多不确定性问题，我国新能源行业近年来发展迅猛，风电、光伏装机容量居于世界领先位置。

1、柔性描述

柔性是电力系统的一种固有属性，通常用以描述系统的可控程度。柔性表征结构确定的系统适应参数变化，并针对参数变化作出控制与调整的能力。对于一个实际的电力系统，其各项系统参数并不是确定不会变化的。根据系统外部环境，如温度、湿度等，或内部环境如扰动、故障等的不同，系统参数时刻都在一定范围内发生变化，这种变化即体现了电力系统的柔性。柔性是系统内、外部环境综合作用的结果，是系统不确定性的体现。

2、柔性分类

电力系统中的柔性基于其柔性参数的不同特性可以进行分类，其中一种分类方式为根据该不确定性参数是否可以进行主动控制，将其分为可控柔性和不可控柔性。在电力系统源网荷储各环节中，负荷的柔性由需求侧实际情况决定，是不可控柔性；储能装置提供的柔性是可控柔性，可以根据实际需求调整其储备电力及供电的计划；电源在规划阶段不考虑各种运行约束条件，对于不同的电源种类，传统能源机组的柔性是可控柔性，可以按需进行有计划的发电任务，并且主动控制其提供的电量。相应地，新能源的柔性是不可控柔性，风机、光伏的发电受天气情况影响存在间歇性与不确定性，其发电量不能进行自由控制。配电网络中的柔性可以分为两种情况：在配电网络正常运行情况下，进行目标为转移负荷、增加输电能力的倒闸操作等，此时的柔性是确定性的，也是可控的；当故障发生时，某些线路停电，造成配电网络的输电能力降低。因为故障是不确定的，此时的网络输电能力变化是对系统不利的，因此也是不可控柔性。因为配电网络的不可控柔性是一种不正常状态，所以在此不考虑故障状态配电网络，只考虑其可控柔性部分。综上所述，系统中的新能源、负荷柔性是不可控柔性，储能装置、配电网络和传统能源机组是可控柔性。

3、电力电量柔性平衡方法

3.1基于时序模拟的年度交易电量协调优化分解方法

生产仿真方法通过逐段模拟电力系统的中长期实际运行状况，并在每段时间内添加约束条件，确保系统运行的安全性，从而更准确地确定电网和系统中各种设备的运行方式，从而保证了整个周期的电力和电力平衡。一方面，考虑到每月或每年的优化周期，优化周期较长，难以找到最优解，影响计算效率。同时，考虑到传统设备在实际生产和运行中每周循环的启动停止规则，引入每周性能优化作为每月性能优化与日常性能平衡之间的过渡环节，并在每个时间段内对系统安全运行设置限制。以月交易性能的初始分布值为优化参数，以周为周期，不时优化常规单位的启动停止状态和新能源输出，从月交易性能的初始值中减去周交易力的优化结果，更新要优化的参数，优化下一周期；每周滚动优化建立了每月贸易绩效与最新运行极限之间的关系，确保每月贸易绩效按时间平衡力量，确保每月贸易计划的安全性和日常调度水平的可执行性。另一方面，已完成的月交易权可从年度总交易权中扣除，以获得可作为累计优化整体交易权的剩馀交易权，并可通过月间累计计算完成月分解和执行年电力分解，确保年交易权的顺利完成。考虑到参与年度交易的新能源的不同类型和优先次序，将代表不同交易优先次序的优先因素引入优化模型，确保系统中新能源的最大消耗，同时完成各类交易性能的分解，以满足新能源的个性化交易要求。

3.2综合推进电力需求侧与供给侧管理

电力是供求的动态平衡，需要从两个方面同时启动才能取得更好的效果。从供给面来看，随着特高压电网的建设，省际和跨地区的交易性能大幅提高，因此，以省外能源为边界条件后，无法在省内平衡电力。有必要将省外的电力投入省内的电力供应和需求，提高经济原理，制定优化省内电力平衡的总体方案。根据2019年广东电力市场年度报告，2019年全省电网装机容量为1.26亿千瓦，电网最大负荷为1.22亿千瓦。该省的发电和接收量为6516亿千瓦小时，其中接收到197.09亿千瓦小时。与广东省的装机容量和电网的最大负荷相比，部分电力接收省份的装机容量明显大于电网的最大负荷。虽然不能简单地认为这些超出能力的固定成本以及运行和维护成本是冗馀的电力平衡成本，但至少提出了较大范围的平衡成本优化问题。本文比较了2020年10月开始部分省份的装机容量和最大负荷，其中部分省份的装机容量与最大负荷之间的差异值得关注。国外电力需求的管理非常详细和专业，内容非常丰富，手段和方法很多。中国电力需求侧的控制相对落后。从权力平衡的角度来看，我们主要应该做以下工作。第一，我们应该改变观念，把用户参与DSM看作是包括用户自身在内的社会的有效和有用的经济手段，甚至是用户自身的责任，而不是对用户的利益造成某种损害。例如，优先考虑发电和电力消费的概念过分强调发电或电力消费的权益，在一定程度上否定了供需双方的管理。第二，有必要针对主要的实质性问题。一些省级电力负荷一旦达到新的高峰，就开始规划新的发电项目。无论新负荷的规模和持续时间如何，实际上除了通过提高峰值电价或采用可中断电价来控制负荷外，还可以通过增加全省电价和综合电源管理来解决短期最大负荷所造成的潜在电力短缺或供电可靠性问题。网络、负载和存储等。在这些途径中，有必要找到最经济的。

3.3以分时供电成本为依据完善峰谷分时电价政策

由于发电企业的发电和电力曲线的刚性以及用户的用电量和需求曲线的刚性，不可能实现这样理想的电力平衡。在这种情况下，有必要改进和实施基于分时供电成本的高点和低点价格政策。峰谷使用时间电价政策甚至包括电力现货市场定价机制，即通过建立真正的电力或电力成本保障机制，形成旨在实现电力和电力之间不理想平衡的激励和约束制度，并尽可能恢复电力而非电力生产和消费的客观规律。

3.4不同方法分解效果的对比及分析

本文比较了各种方法的分解效果，从新能源月交易性能是否超过网络接受能力这一问题出发，以此作为评价标准，并以新能源超额性能为关键指标，评价月交易性能是否超过网络接受能力。如果其值为正值，则表示分解后的新能源交易性能不超过电网验收能力；如果其值为负值，则表示分解后的新能源贸易能源超过了电网的能力，贸易绩效没有得到有效执行。以2019年2月每月交易电流每星期的分解、该方法的分解以及按负荷比、产生能量比和平均分配方法的分配方法为例。可见，传统分解方法根据发电容量、负荷比和平均分布得到的第一周和第二周的分解功率超过了新能源实际产生的所有功率，新的能量过剩功率为负值，不考虑电网的新能耗水平。但是，该方法产生的周转量小于消耗电流，剩馀电流大于0，证明了该方法的有效性。

结束语

为了解决含高比例新能源网络中大幅增加的不确定性因素和不可控网络参数问题，本文对电力系统中源网荷储各参数提出了柔性的描述，并定义了线性柔性的四则运算法则，将该运算过程与实际网络运行的场景结合阐述了其物理意义，在此基础上将其应用于系统规划的电力电量平衡计算中。算例表明柔性运算方法能够实现电力电量平衡计算。

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