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              风光水火多能源协同 化解清洁能源消纳及运行难题

              信息来源:南方电网报  发布时间2021-12-28

                我国西南地区水风光等资源丰富,经过20多年水电开发,已形成世界上规模最大的水电系统;近10年来,风光新能源也快速发展。在“双碳”目标驱动下,未来新能源必将超过水电成为西南地区占主导地位的电源。在新型电力系统中,为了保证发用电的实时平衡,要求电力系统必须具有较强的灵活调控和快速响应的“柔性”能力。但是由于新能源具有随机性、波动性、间歇性等“不确定性”特点,在大规模新能源并网后,对电力系统“柔性”能力的要求必然会与新能源“不确定性”特点相冲突。因此,未来在水电资源丰富的新型电力系统中,如何充分发挥风光水火等各异质能源系统自身固有的优势和特性,在多种能源系统之间取长补短,实现多种能源优势协调互补,是我国西南地区向新型电力系统转型升级过程中需要思考并解决的现实问题。

                一、西南地区多能源协同互补面临的现实困难

                一是以云南为代表的西南地区在绿色能源发展过程中,风电、光伏和小水电普遍存在“小、散、多、广”特点,这些电源普遍位于电网末端,需要逐级耦合打包送出。由于外送通道不足和薄弱,导致局部窝电严重,消纳困难。

                二是西南地区复杂多变的地理、气候特征,使得各个地区的水风光发电特性复杂多变,严重依赖于气象预报、微地理特征的径流、风、光精确预测,随着新能源规模和比例不断提升,新能源预测不准、掌控能力不足带来的负荷巨大波动,增加了发电计划制定和执行的难度,也给电网的安全运行控制带来很大困难。

                二、新型电力系统下实现多能源协同互补的关键技术

                风光水火能源特点既涉及气象水文条件而具有强烈的混沌特性,又包含多类能源的能电转换而具有复杂的范式,导致多种能源协同互补及灵活调节困难重重。如何在不确定条件下,合理利用可调节水电及火电等可控电源在不同时间尺度下的调节能力,与高不确定性间歇式能源形成协同互补及灵活调节,是有效化解新型电力系统中清洁能源消纳及运行的关键。

                笔者认为应以“增灵活、促消纳”为技术主线,从“互补调度、实时控制、灵活规划、市场策略”四个方面来增强系统灵活性。通过“互补调度、实时控制”充分挖掘系统存量灵活性资源,通过“灵活规划”优化电源布局和网架结构,从根本上增强系统灵活性,通过“市场策略”进一步拓展消纳空间,从而最终实现风光水火多能源协同互补,有效化解清洁能源消纳及运行难题。

                1、建立多类型电源的耦合分区,开展分区发电特性分析,实现多类型电源耦合建模与灵活性提高技术。

                首先要把风光水火等多能源进行分区。在综合考虑网络拓扑结构和历史运行场景基础上,可用聚类的方法,分析多能源的耦合分区原则。

                其次以分区结果为基础,研究耦合分区不同时间尺度下的出力特性,提出一套完备的指标体系,可从随机性、波动性、可靠性和相关/互补性四个方面,描述分区在不同时间尺度下的发电特性。

                最后结合耦合分区和新能源发电预测结果,考虑潜在的新能源波动和灵活性机组的剩余容量,分析得到元件级灵活性。综合考虑电网备用容量、断面传输容量等因素后,评估区域级灵活性资源的供给和需求情况,建立面向多时间尺度、多空间分布的系统运行灵活性供需评估指标体系,并给出发电灵活互补建议。

                2、研究多时间尺度的多级协调控制策略,建立多能源互补协调控制架构体系,实现多种能源协同优化运行。

                首先要建立不同于目前确定性调度的基于概率的日内调度模式,通过一定置信下的区间预测来表征新能源发电出力的不确定性,根据新能源场站出力预测区间进行调度决策,并将新能源允许出力区间下发至各新能源场站。

                然后结合超短期预测信息和计划信息,基于源荷-断面功率的准稳态灵敏度,分析电网未来5分钟的发电态势,在线评估电网的实际调度需求。

                最后以全网总发电成本最小为目标,满足全网安全约束,形成网省地分级协同的最优潮流优化调度方法,充分挖掘利用各级电网各类资源的有功和无功调节能力,消除线路拥塞,促进高比例新能源的安全消纳。

                3、研究多能源电力系统规划新方法,实现系统网源荷储协调灵活规划及多能源协同互补消纳。

                首先应建立面向灵活性的多能源电力系统规划评价指标体系,从电源灵活性与网架灵活性两方面,分别研究汇聚节点灵活性指标、区域级灵活性指标以及系统级灵活性指标,实现多能源电力系统多层级、多维度灵活性指标评估。

                其次研究消纳多种能源的灵活性规划及辅助决策技术,构建考虑灵活性指标与经济性指标的多目标电力系统规划模型,确定电源、网架的选址定容方案。同时要研究规划方案的辅助决策技术,确定可行的规划方案中的最优解。

                最后形成与运行协同的多能源电力系统灵活协调规划技术,以灵活性和新能源消纳率为目标,进行新建电源与新建线路、变电站的最优投产时序优化,实现系统内灵活性与消纳率最优的同时,还要保证各区域级系统之间的潮流流动,防止线路阻塞情况的发生。

                4、研究促进新能源消纳的市场化策略,通过市场手段提高可再生能源的消纳。

                通过建立中长期交易+现货交易+辅助服务的市场体系,促进可再生能源消纳。其中,中长期采用差价合约确保灵活性资源在现货市场能够充分优化调配;现货全电量集中优化,调用所有灵活性资源,保障清洁能源消纳,形成能够反映电能时空价值的分时节点电价,更精准地引导用户在清洁能源消纳困难的时候多用电,提升可再生能源消纳空间;辅助服务市场通过与现货市场联合出清,形成辅助服务价格信号,激发发电侧及用户侧的灵活性资源参与系统调节。

                三、总结与展望

                “双碳”目标下的电力系统转型升级必然要求电网能够接纳越来越多的新能源,而新能源的“不确定”与系统调节的“灵活性”需求之间存在天然的不可调和的矛盾。因此,新能源与现有各种能源之间的协同互补,使能源整体呈现出一定的可控性,是提升新能源消纳的切实可行办法。笔者提出的思路更多还是体现在各种能源的电气层面,然而随着电制气装置、热储能装置、气储能装置等在电网中的大量装备及使用,其他柔性异质能源系统,如天然气系统、供热系统等,不可避免地与电力系统紧密耦合在一起。如何充分发挥各异质能源系统自身固有的优势和特性,在异质能源系统之间取长补短实现多能优势互补,进而形成能源生产多元化、能源输送多样化、能源消费多类化的清洁高效能源系统,将是我们研究的一个方向。

                黄伟 陈汝昌 李秀峰

                (作者黄伟为云南电网公司系统部副总工程师;陈汝昌为云南电网公司系统部副总工程师;李秀峰为云南电网公司系统部副总工程师)

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