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計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域多類型新能源

系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方法

史昭娣 朱寧 陳琦

一兩個角度入手、引言

隨著能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程加快建強保護，我國(guó)大力發(fā)展風(fēng)電[1]、光伏[2]等新能源發(fā)電技術(shù)生產效率，未來電力系統(tǒng)將朝著大規(guī)模使命責任、高比例新能源電力系統(tǒng)方向發(fā)展[3]。新能源出力自身之間具有互補(bǔ)性使用，利用新能源總出力與系統(tǒng)總負(fù)荷之間的匹配效應(yīng)可以凸顯新能源出力間的互補(bǔ)效果合規意識，平抑新能源出力波動(dòng)性，減小常規(guī)機(jī)組調(diào)峰壓力[4]有效性。

風(fēng)電創新內容、光伏的出力功率波動(dòng)性強(qiáng)[5-6]，大規(guī)模接入后會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊廣泛關註，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰帶來挑戰(zhàn)[7-8]善於監督。實(shí)際上，風(fēng)電和光伏出力具有互補(bǔ)特性[9]就能壓製，其主要表現(xiàn)在兩方面：一是新能源資源的廣域平滑效應(yīng)更合理。二是風(fēng)光出力具有時(shí)間上的互補(bǔ)性。

充分挖掘新能源出力互補(bǔ)特性是開展新能源協(xié)調(diào)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)更優美。已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究各方面，如文獻(xiàn)[10]分析了各類能源的互補(bǔ)效應(yīng)，討論了配置不同容量電源的經(jīng)濟(jì)性和可行性合作關系。文獻(xiàn)[11]分析了風(fēng)著力提升、光、水資源之間的互補(bǔ)特性傳遞，提出了一種包含風(fēng)融合、光、水相關性、儲(chǔ)的互補(bǔ)性微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置方法完成的事情。文獻(xiàn)[12]研究了新能源出力互補(bǔ)優(yōu)化方法，定量計(jì)算了各類資源容量最深厚的底氣。上述文獻(xiàn)關(guān)于系統(tǒng)電源出力互補(bǔ)性進(jìn)行了研究協同控製，但對(duì)于新能源出力互補(bǔ)性的分析多是與常規(guī)電源一起考慮，未有研究?jī)H考慮新能源出力自身互補(bǔ)性品質。

研究新能源出力自身互補(bǔ)特征利用好，通常需要提出互補(bǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]深入各系統。如文獻(xiàn)[14]采用新能源總出力的標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來刻畫新能源出力互補(bǔ)性。文獻(xiàn)[15]定義了由時(shí)間互補(bǔ)系列、能量互補(bǔ)和振幅互補(bǔ)組成的可再生能源互補(bǔ)性指標(biāo)作用。文獻(xiàn)[16]采用互補(bǔ)系數(shù)等指標(biāo)描述多能互補(bǔ)系統(tǒng)中電源出力的互補(bǔ)性。以上關(guān)于新能源互補(bǔ)性的研究多注重新能源出力之間的負(fù)相關(guān)性慢體驗，即假定新能源場(chǎng)站的總出力恒定不變著力增加，則認(rèn)為新能源互補(bǔ)效果最好。

由于負(fù)荷具有波動(dòng)性科技實力，上述基于負(fù)相關(guān)性的研究中處理，負(fù)荷波動(dòng)部分會(huì)由常規(guī)可控電源負(fù)擔(dān)。但如果新能源總出力與負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律保持一致在此基礎上，即新能源出力與負(fù)荷之間存在匹配效應(yīng)助力各行，那么新能源發(fā)電就可承擔(dān)一部分變化的負(fù)荷，火電機(jī)組更多承擔(dān)基荷并運(yùn)行在較低的水平提供有力支撐，從而大幅降低新能源接入系統(tǒng)帶來的常規(guī)電源調(diào)峰壓力應用。因此，從提高新能源消納方面看品率，新能源出力與負(fù)荷之間的匹配（源-荷匹配）關(guān)系才更可凸顯新能源互補(bǔ)的效果[17]，此時(shí)互補(bǔ)性表現(xiàn)為新能源總出力與負(fù)荷呈正相關(guān)性不斷發展。

針對(duì)源-荷匹配效果的描述積極影響，已有學(xué)者進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[18]定義了負(fù)荷追蹤度指標(biāo)用以評(píng)價(jià)不同電源互補(bǔ)效果緊密協作。文獻(xiàn)[19]采用負(fù)荷追蹤系數(shù)描述系統(tǒng)出力跟隨負(fù)荷變化的能力越來越重要，并用其量化多能互補(bǔ)系統(tǒng)總發(fā)電量與負(fù)荷的匹配程度。文獻(xiàn)[20]以新能源出力與負(fù)荷之差的平方和最小為目標(biāo)發揮重要作用，提出了新能源出力追蹤控制算法醒悟。上述利用負(fù)荷追蹤能力來描述系統(tǒng)源-荷匹配效果的評(píng)價(jià)方法主要是用于新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，本文借鑒這種方法高質量，將其應(yīng)用于新能源電源優(yōu)化規(guī)劃中技術先進，可在規(guī)劃階段充分計(jì)及多類型新能源出力間的互補(bǔ)特性。

基于以上分析延伸，本文針對(duì)計(jì)及源-荷匹配的廣域多區(qū)域新能源電源優(yōu)化布局問題進(jìn)行研究認為。首先，為了量化新能源出力與負(fù)荷之間有功功率的匹配能力新趨勢，從均衡度和一致性兩方面評(píng)價(jià)源-荷匹配特性反應能力。其次，基于源-荷匹配思想學習，建立了多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型結構重塑。模型以電網(wǎng)新能源發(fā)電量最大和源-荷匹配偏差最小為目標(biāo)函數(shù)聽得懂，并采用帶權(quán)極小模理想點(diǎn)法[21]統(tǒng)一兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的量綱，綜合考慮新能源發(fā)電功率約束高質量發展、新能源限電率約束全方位、新能源裝機(jī)容量約束等，通過引入所提源-荷匹配均衡度約束來保證新能源出力與系統(tǒng)負(fù)荷需求變化特性一致重要平臺。然后深刻認識，以各區(qū)域新能源全年出力時(shí)間序列和負(fù)荷序列為模型輸入，對(duì)規(guī)劃模型進(jìn)行優(yōu)化求解應用提升，得到各區(qū)域最優(yōu)新能源接入容量主動性，并利用一致性指標(biāo)來評(píng)價(jià)源-荷匹配效果。最后發展的關鍵，以我國(guó)北方某區(qū)域電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析道路，算例結(jié)果驗(yàn)證了由源-荷匹配定義新能源出力互補(bǔ)性的合理性，研究?jī)?nèi)容可為廣域新能源多區(qū)域布局規(guī)劃提供參考意見真諦所在。

四指導、算例分析

（一）算例介紹

為驗(yàn)證所提計(jì)及源-荷匹配的新能源優(yōu)化布局方法的正確性，本節(jié)以我國(guó)北方某相鄰四個(gè)（省級(jí)）地區(qū)電網(wǎng)為測(cè)試系統(tǒng)充分，研究2030年的新能源規(guī)劃布局問題進一步完善。四個(gè)地區(qū)分布于總面積125萬平方公里范圍內(nèi)，新能源滲透率達(dá)到30%以上競爭力。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示調整推進，A、C電網(wǎng)均分別與其他電網(wǎng)相連機製性梗阻，圖中紅色數(shù)字表示各區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線限值（單位：MW）機製，綠色數(shù)字為直流外送年電量（單位：億kWh）。算例計(jì)算步長(zhǎng)為1小時(shí)提供了遵循，源-荷匹配周期設(shè)為1天參與水平，即24h。計(jì)算時(shí)段數(shù)8760h服務效率，其余主要算例參數(shù)見表1明確相關要求。本文中規(guī)劃水平年的風(fēng)電、光伏序列是基于該地區(qū)歷史出力序列進(jìn)行新能源出力場(chǎng)景生成得到的主要抓手，負(fù)荷序列是立足這些地區(qū)2021年的實(shí)際負(fù)荷需求序列體製，假設(shè)負(fù)荷年增長(zhǎng)率為5%估計(jì)得到的。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)示意圖

表1 算例參數(shù)

（二）不同規(guī)劃模型結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提模型可深入挖掘新能源出力互補(bǔ)性創新科技，本節(jié)對(duì)比了本文模型和傳統(tǒng)模型的規(guī)劃結(jié)果服務延伸。其中傳統(tǒng)新模型中不考慮源-荷匹配均衡約束。設(shè)置兩個(gè)仿真案例中光熱接入容量均為3.35GW，風(fēng)電和光伏總裝機(jī)為59.87GW進一步，所得結(jié)果如表2所示大部分。

可以看出，對(duì)比傳統(tǒng)方法實際需求，考慮源-荷匹配后解決方案，本文模型所得D地區(qū)風(fēng)電和C地區(qū)光伏最優(yōu)布局容量分別增長(zhǎng)了35.81%和54.3%。從風(fēng)電和光伏總裝機(jī)方面看善謀新篇，本文模型所得風(fēng)電總?cè)萘枯^傳統(tǒng)方法高4.24%增產，這表明考慮源-荷匹配后，系統(tǒng)更傾向于配置互補(bǔ)性更好的風(fēng)電方法，光伏由于出力形狀較為固定行動力，容量越大越難以實(shí)現(xiàn)源-荷匹配。此外切實把製度，在新能源總裝機(jī)一致的情況下保供，本文模型得到的新能源年度總出力電量為1124.03億kWh，而傳統(tǒng)模型所得新能源年度總出力電量為865.23億kWh進行部署，前者相較后者提升29.91%責任，即考慮源-荷匹配可使新能源滲透率從28.51%增加至37.04%。從新能源限電方面看保護好，考慮源-荷匹配可使新能源總限電率從傳統(tǒng)模型的23.18%降低至本文模型的5.21%組建。可以看出特點，在同樣的裝機(jī)總?cè)萘肯伦饔?，考慮源-荷匹配可以充分提升新能源消納能力，減少棄風(fēng)統籌推進、棄光情況。

表2 不同模型規(guī)劃結(jié)果

圖4 不同模型的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)

圖4顯示的是求解兩種模型所得的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)關鍵技術，該參數(shù)描述的是每個(gè)匹配周期內(nèi)新能源總出力占基準(zhǔn)負(fù)荷的比例了解情況，其數(shù)值越高，說明新能源出力在系統(tǒng)總出力中占比越高技術研究≈匾?？梢钥闯觯疚哪Ｐ椭心甓然鶞?zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)變化范圍為0-0.7姿勢，平均值為0.32相互融合；傳統(tǒng)模型的年度基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)變化范圍為0.1-0.3，平均值為0.2綠色化。本文模型所得基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)更高不同需求，有利于提升新能源消納水平。

綜上可得保持穩定，采用本文方法考慮源-荷匹配均衡約束可以深入挖掘新能源出力互補(bǔ)性總之，有利于提升新能源消納水平面向，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

（三）靈活性新能源電源接入對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

為了研究靈活性新能源電源接入系統(tǒng)對(duì)多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局的影響研學體驗，本節(jié)設(shè)置風(fēng)/光組合和風(fēng)/光/光熱組合兩類場(chǎng)景建設項目，分別計(jì)算兩類場(chǎng)景下的多能源電力系統(tǒng)容量規(guī)劃結(jié)果。令風(fēng)/光組合光伏裝機(jī)容量與風(fēng)/光/光熱組合光伏與光熱總裝機(jī)容量相等落實落細。其余約束條件和計(jì)算邊界均一致相結合。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同場(chǎng)景下的規(guī)劃結(jié)果

可以看出製高點項目，在新能源總裝機(jī)容量一定下為產業發展，風(fēng)/光/光熱組合的源-荷匹配一致性指標(biāo)為0.080，而風(fēng)/光組合的源-荷匹配一致性指標(biāo)為0.098認為。由該指標(biāo)定義可知服務好，越小，說明在該時(shí)段內(nèi)新能源出力與負(fù)荷功率變化趨勢(shì)越接近反應能力，源-荷匹配程度越高共謀發展。此外，風(fēng)/光/光熱組合的新能源出力與負(fù)荷波動(dòng)形狀的年度平均絕對(duì)偏差與風(fēng)/光組合相比降低52.27%結構重塑，新能源基本不增加電網(wǎng)調(diào)峰難度市場開拓，同時(shí)風(fēng)/光/光熱組合的新能源總發(fā)電量比風(fēng)/光組合高4.03%，因此可得出結(jié)論：靈活性新能源電源的接入對(duì)提高源-荷匹配具有積極作用大大縮短。

圖5 不同場(chǎng)景下源-荷匹配效果

圖5所示為兩種場(chǎng)景下新能源出力與負(fù)荷匹配效果對(duì)比要落實好，圖中同色系深色表示匹配偏差最大日結(jié)果，淺色表示匹配偏差最小日結(jié)果更默契了。當(dāng)新能源總裝機(jī)容量一定時(shí)先進技術，從匹配效果方面看，四個(gè)地區(qū)的風(fēng)/光組合和風(fēng)/光/光熱組合均可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)新能源總出力與負(fù)荷形狀的優(yōu)化匹配不合理波動，可大幅降低電網(wǎng)的調(diào)峰難度宣講手段。風(fēng)/光組合的匹配效果不及風(fēng)/光/光熱組合，這說明靈活電源的接入有利于源-荷匹配互補(bǔ)積極拓展新的領域。從匹配偏差方面看配套設備，風(fēng)/光組合匹配偏差最小日的新能源出力非常低，說明僅靠風(fēng)電和光伏很難完全匹配負(fù)荷波動(dòng)相對開放。風(fēng)/光/光熱組合匹配偏差最小日的新能源出力有所提高推進高水平，光熱接入后，新能源出力與負(fù)荷匹配偏差更小拓展應用，最優(yōu)可達(dá)到匹配偏差為0的效果生產創效，即使是全年匹配偏差最大日，最大新能源功率缺額也未超過5GW，也驗(yàn)證了靈活性新能源電源CSP電站可有效提升新能源出力互補(bǔ)能力橫向協同。

（四）新能源限電率對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

為了研究新能源限電率對(duì)多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局和源-荷匹配效果的影響哪些領域，本節(jié)給定CSP電站發(fā)電容量為3.35GW、系統(tǒng)最大新能源限電率由0增加至10%時(shí)不斷創新，計(jì)算風(fēng)建立和完善、光最優(yōu)接入容量和源-荷匹配一致性指標(biāo)的情況，結(jié)果如圖6所示參與水平。

圖6 不同新能源限電率下優(yōu)化結(jié)果

可以看出大型，隨著允許新能源限電率水平的增加，新能源總?cè)萘吭黾用鞔_相關要求，相比于緩慢增加的光伏容量重要意義，風(fēng)電容量增加趨勢(shì)更大，系統(tǒng)優(yōu)化配置的風(fēng)電容量最大近乎于光伏容量的6.5倍深化涉外，這主要是由兩方面原因造成的：一方面體系，測(cè)試系統(tǒng)地區(qū)的風(fēng)電資源利用小時(shí)數(shù)高于光伏資源，系統(tǒng)優(yōu)先接納風(fēng)電參與能力；另一方面合理需求，由于光伏出力具有典型的“晝發(fā)夜停”特性充分發揮，其出力形狀一般較為固定高質量，由于源-荷匹配均衡約束的限制，電網(wǎng)優(yōu)先接納出力形狀更易匹配負(fù)荷的風(fēng)電選擇適用。此外管理，隨著新能源限電率水平的增加，源-荷匹配一致性指標(biāo)隨之增加業務指導，由0.057近似線性增長(zhǎng)至0.115改進措施。可見允許一定棄電可使新能源與負(fù)荷形狀更容易匹配長足發展，更好的利用新能源互補(bǔ)特性高產。

圖7 各地區(qū)某兩日發(fā)電運(yùn)行情況

圖7顯示的是限電率水平為10%情況下某兩日各區(qū)域電源出力運(yùn)行情況，選取的這兩日分別是新能源大發(fā)和小發(fā)場(chǎng)景發揮作用。可以看出逐步顯現，在基準(zhǔn)負(fù)荷日調(diào)節(jié)系數(shù)較高的情況下（97.48%）銘記囑托，新能源出力幾乎可以滿足系統(tǒng)的總負(fù)荷需求，而在基準(zhǔn)負(fù)荷日調(diào)節(jié)系數(shù)較低的情況下（42.13%）自動化裝置，新能源出力也可以滿足系統(tǒng)總負(fù)荷需求的40%以上示範。并且兩種場(chǎng)景下均可以滿足新能源發(fā)電出力與負(fù)荷變化形狀相一致，需要提供支撐的常規(guī)電源出力變化量較小，因而常規(guī)電源可以更多的承擔(dān)基荷發(fā)電任務(wù)運行好。此外首次，可以看出，對(duì)應(yīng)每日的基準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)部署安排，需要的火電出力占負(fù)荷的比例也相對(duì)固定搖籃，因此可以在每日第一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)火電啟/停機(jī)狀態(tài)變量進(jìn)行限制，匹配周期內(nèi)火電的運(yùn)行狀態(tài)變量即可固定下來推廣開來，可以有效降低火電機(jī)組參與優(yōu)化規(guī)劃的0-1變量個(gè)數(shù)推動，提高模型的求解速度。

（五）新能源隨機(jī)性對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

新能源出力隨機(jī)性對(duì)新能源規(guī)劃具有一定影響資源配置，由于本文是從源-荷匹配角度量化新能源互補(bǔ)能力信息，模型中不包含經(jīng)濟(jì)性約束，因此本節(jié)著重分析新能源資源出力隨機(jī)性對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響特性。根據(jù)文獻(xiàn)[25]采用的多場(chǎng)景法傳承，本節(jié)以60組年度8760h新能源出力場(chǎng)景作為規(guī)劃邊界分別求解規(guī)劃模型，所有場(chǎng)景下風(fēng)光規(guī)劃結(jié)果如圖8所示建言直達。

圖8 60組新能源出力場(chǎng)景計(jì)算結(jié)果

圖8中虛線為各指標(biāo)期望值多種，可以看出，各地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量波動(dòng)范圍分別為14.1-14.9GW支撐作用、7.9-8.7GW日漸深入、5.2-5.8GW、17.3-20.8GW同時，光伏裝機(jī)容量波動(dòng)范圍分別為2.6-3GW互動式宣講、2.3-2.5GW、3.9-4.6GW模式、2.5-2.8GW自動化。可以看出高品質，單次規(guī)劃結(jié)果具有一定隨機(jī)性不折不扣，多組規(guī)劃結(jié)果期望值可靠性更高，所得規(guī)劃結(jié)果在60組場(chǎng)景下均收斂于期望值資源優勢。

五高效利用、結(jié)論

本文研究了計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃布局問題。首先估算，對(duì)源-荷特性匹配特性進(jìn)行評(píng)價(jià)講理論。其次，建立了計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型不要畏懼。最后經(jīng)過算例分析驗(yàn)證所提模型和方法的有效性服務為一體。主要研究結(jié)論如下：

(1) 從均衡度和一致性兩方面評(píng)價(jià)源-荷匹配特性問題，可以量化新能源出力與負(fù)荷之間有功功率的匹配能力。將其計(jì)入規(guī)劃模型全會精神，可在規(guī)劃過程中充分計(jì)及風(fēng)光出力廣域空間互補(bǔ)特性系統穩定性。

(2) 建立計(jì)及源-荷匹配的多區(qū)域新能源優(yōu)化規(guī)劃模型。模型以電網(wǎng)新能源發(fā)電量最大和源-荷匹配誤差最小為綜合目標(biāo)集中展示，適用于大規(guī)模區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃實力增強，可得到在給定新能源利用率和源-荷匹配偏差約束下的新能源最優(yōu)接入容量。

(3) 由于相比于光伏宣講手段，風(fēng)電的利用小時(shí)數(shù)更高分析，因此其廣域的互補(bǔ)特性更強(qiáng)。在規(guī)劃階段計(jì)及源-荷匹配后全面闡釋，系統(tǒng)更傾向于接納風(fēng)電非常激烈。此外，靈活性新能源電源的接入對(duì)提高源-荷互補(bǔ)性具有積極作用引人註目，并在新能源總裝機(jī)一定情況下提升系統(tǒng)新能源發(fā)電量領域。