新能源电力系统电力电量平衡问题探究

国华能源投资有限公司 史明亮

众所周知，新能源装机在国内占比19.8%左右。所以，保障新能源电力系统的电力与电量平衡尤为关键，本文基于现阶段我国新能源和负荷基础运作数据进行分析，搭建符合加新能源波动特性的电力平衡时序生产模型，以此去总结新能源电力系统电力电量平衡的问题，并对相关问题提出解决与优化措施。

1 基于具体运作数据的高比例新能源系统运行特性分析

1.1 高比例新能源系统日电力平衡

随着我国科技不断发展与进步，在新能源行业中已经积累较多的新能源设备在做工发电时的实际运行信息数据，本文中所分析的数据均来自国家电网在2017—2018年的新能源设备的实际运行信息数据。

一是关于新能源装机问题，在实际进行新能源装机时，新能源的装机与新能源出力波动是成正比例关系，所以装机的时间尺度越长，新能源出力波动越强。在2018年国家电网中的新能源日波动最大值为7996万kW，与2017年的相关数据相比2018年的日波动最大值增长了约2307kW，增长幅度约为41%。而在我国的日内新能源出力波动占平均负荷超过40%的省份只有7个。其中，以东北电网与辽宁电网为例，图1为东北电网与辽宁电网在不同时间内的光伏出力波动率和风电出力波动率，从中可以有效发现新能源出力波动会根据时间尺度变化而变化。

图1 不同时间内的光伏出力波动率和风电出力波动率

二是新能源出力具备明显的区域平滑特点，出力波动性会根据空间范围的变化而变化，具体为成反比变化，即空间越大，波动性越小。所以便可得知当新能源出力设备处于较大空间范围内时，光伏之间、风电之间已经光伏和风电之间会呈现出互补性。图2为“三北”地区中某一经典的光伏与日风电功率曲线图，通过图2可以有效发现，当处于较大的空间时，新能源波动率会减少并出现平滑效果，所以若想有效降低调峰资源总量的需求，则可以通过扩大平衡区方式满足上述需求。

三是国家电网中的净负荷曲线会表现出明显的鸭型特征。从宏观角度分析，可知新能源出力占负荷比例不断提高，但若从微观角度分析，即日内电力平衡角度，则可将其划分为不同时段进行分析，如夜晚为用电负荷低谷、日间为用电负荷高峰，而风电与存在明显的反调峰特点，风电在日间出力低、夜间出力高。而光伏发电因其在夜间不具备电力支撑特点，则光伏发电夜间无出力、日间出力高。根据上述内容特点深度分析，可以明显发现国家电网的净负荷曲线是表现出明显的鸭型曲线特征，如图3所示。根据实际数据显示，用电负荷会在不同时段呈现出不同特点，早高峰阶段用电负荷会快速下降、午间时段则会出现用电低谷、晚高峰时段用电负荷则会迅速上涨，而此种涨跌幅度会为电力系统中的电离平衡带来巨大挑战，不仅如此，还需要电力系统具备极强的爬坡能力与调节能力。

图2 光伏与日风电功率曲线图

图3 鸭型曲线特征

四是在用电负荷高峰时段，新能源电力存在明显后劲不足现象。通过有效分析新能源的实际运行数据信息，可以明显发现国家电网在2018年的用电最大负荷已经超过了8亿kW，而在2018年间，因其风电出力技术与光伏出力技术尚未完全成熟，使二者发电量仅占总发电量的9%，分别是2263万kW与4993万kW。而在开展迎峰度夏的阶段中，新能源的最小出力总量仅占总量的1.8%，约为1100万kW。新能源出力低谷以及用电负荷高峰阶段，新能源技术对电力系统中的电力平衡支撑能力相对较弱[1]。

1.2 以月为周期，对高比例新能源系统进行电量平衡分析

以月为周期，对高比例新能源系统进行电量平衡分析，可以通过以下两方面对高比例新能源系统进行相关月度电量平衡分析。

一是新能源月度电量分布无法有效满足实际用电负荷需求。但从用电负荷需求角度而言，“三北”地域的用电负荷表现为冬季与夏季是负荷高峰，风电为秋季与冬季是负荷高峰，而光伏为秋季与夏季是负荷高峰，如图4所示。虽然在实际的风电月度电量分布以及光伏发电月度电量分布存在一定程度的互补性，而从电力平衡角度而言，风力发电与光伏发电之间的互补性可以有效减少新能源发电的季节性影响。但仍存在新能源月度的实际用电需求与电量分布不匹配现象，如夏季用电负荷量相较于其他季度而言较高，而新能源发电量与发电效率较差，很难有效避免季节性的电量不平衡现象。

图4 逐月用电量

二是当用电负荷出在高峰时段时，新能源无法有效满足电力平衡需求。通过对国家电网2018年中的迎峰度夏开展阶段中所产生的实际运行数据信息进行充分有效的分析，可以发现当处于7～8月新能源的出力较弱，整体电量贡献少。通过深度分析新能源电量最低当天，可发现该天中的新能源日发电量为6.1亿kWh，但当天的实际用电需求却达到了174亿kWh，根据分析统计可知，新能源发电量仅为当天实际用电量贡献了3.5%的电量，与全年平均电量相比较低。而在当年的7～8月时段中，新能源发电的总电量为633亿kWh，在该时段中的发电总电量中只占6.1%，通过分析发现新能源无法有效满足电力平衡相关需求[2]。

1.3 高比例新能源系统中火电运行现状

随着我国经济不断发展，城市化建设水平不断提高，使我国用电需求不断增高。但因电力需求增长缓慢以及新能源装机比重不断提高等因素，近几年火电相关设备总体利用小时数持续时间逐渐降低，呈下滑趋势，如图5和图6所示。根据相关调查可以发现国家电网在2018年间的火电设备实际装机容量为9.16亿kW，与2017年相比总体增长约为3%左右。但由于我国出台了煤电停建、缓建相关政策，进而影响了火力发电装机中容量增长速率，虽然活力发电装机容量增长速度降低，但电力装机整体容量仍呈上升趋势。随着我国大力推广新能源的应用，使新能源装机占比逐年提升，在这种情况下导致火力发电小时数进一步缩减。

图5 国网逐年新能源装机占比

图6 国王逐渐火电利用小时数

2 基于时序生产模拟的未来电力系统平衡问题分析

借助搭建相关电力系统模型去量化研究高比例新能源电力系统的电力电量平衡问题，该电力系统模型会把系统负荷以及新能源发电处理设置为根据时间差异变动的序列，分析电网运作模式时序变动特点，在已经确定的电力系统运行边界前提下，时序模拟不同电源运行的情况以及发电和用电平衡，进而获取电网能够消纳的新能源电力电量。

2.1 优化时序生产模拟模型的目标

结合国内对电力清洁转型的标准，时序生产模拟模型的优化目标主要是实现最大化的新能源发电量，是指所有区域各个时段新能源功率总和要最大化，实际的目标函数为：

其中，N代表该系统设计的聚合电网总数；n代表某一聚合电网；T代表调度时间的整体长度；t代表仿真时间的步长；Pw（t，n）代表聚合电网n在时段t的风电出力；PPV（t，n）代表聚合电网n在时段t的光伏发电出力[3]。

2.2 约束条件

2.2.1 电力系统旋转备用容量约束条件

其中，Pre和Nre 以此是正旋转备用以及负旋转备用；Pj,max（t，n）和Pj,min（t，n）以此是聚合电网n中第j类机组的出力上限以及出力下限[4]。

2.2.2 负荷平衡约束条件

结合跨区外送和风电、光伏发电并网之后，系统负荷平衡约束为：

3 算例研究

本文以国家电网为例，探讨了在国家新一代高比重地区中，各地区新增发电容量与发电容量之间的关系。利用多个随机产生的多个风-光功率的时序采样，对高比率新能源情景下的电力需求进行了预测。然后，对既要保证负荷可靠供应，又要保证非化石能源的比例，又要考虑到在适当的弃电量情况下，如何通过弹性调整方式来分配能力。另外，边界状况，包括区域内各电力系统的装机容量和负载等。负载上，到了2025年，整个地区的电力总需求将达到638 TWh，平均每年增长4.9%。最高功率为98.1GW，平均每年增长5.8%.日最大的峰值落差达37%.根据2017年的负载曲线特征，建立了2025年的电力系统负荷需求数据。

负荷短缺和新能源弃用之间有一种“跷跷板”的关系，两者交替出现，此消彼长，两者都与发电装机有着密切的联系。当火电装机规模达到一定规模时，为了保证稳定、可靠的供电，必须保证更大的启动能力，新能源的淘汰将会增多；为了确保高水平的新能源消纳量，必须适当地降低火电的启动模式，从而造成电力短缺。当负荷水平达到一定程度，新能源装机量增大，启动模式增大，负荷保证能力得到加强；消纳的空间会越来越小，消纳的形势也会越来越严峻。

所以，在电网建设中，要充分考虑到新能源的出力波动对电网供电的有序供给，合理配置常规供电或灵活调整供电，以保证迎峰度夏和迎峰度冬的供电需求。根据以上计算，从保障电力供应、合理弃电、不断减少新发电量等方面，分别对三种情况进行了分析：一是以供电为硬约束，在保证不出现缺电和新能源不弃电的情况下，以104.5GW的发电能力为基础。在实际模拟中，为了保证不存在弃电、无限负载，要求火电机组经常开、停、调峰，导致电力系统的运行经济性较差。二是保证以供电为硬约束，在保证不出现供电短缺的情况下，使新能源能够维持合理的弃电量。根据计算，火力发电的装机容量应为1021GW，在此基础上，放宽了弃用限制，可以适当减少燃煤发电的启动模式；从而使我国燃煤发电装机规模下降，并增加了非化石燃料的比重。三是消除保证用电的硬性限制，在计量过程中，通过对负荷的需求端进行管理，保证电网的正常供电。

同时，将新能源的弃电量控制在5%以内（弃用率不超过5%）将会使燃煤发电的装机规模进一步下降。鉴于我国非化石能源比重的日益增长，如果在可控负荷、虚拟储能、电化学储能等方面，再加上12 GW的可控负荷、虚拟储能、电化学储能等，计算出相应的发电容量将与目前的发电规模相差无几。在电网的实际操作中，增加可控负荷、电化学储能等灵活的调节容量，既可以确保电力负荷的有序供应，也可以实现新能源的合理弃用，同时还可以有效地控制新的发电容量。充分调动网络、源、荷三方面的资源，以实现新能源的健康、稳定和可持续发展；联动、有序的发展模式。在规划方面，要统筹保障电力供应，提高新能源消纳水平，控制负荷和电化学储存等灵活的调控方式，同时还要建立传统的电力供应。

4 结语

综上所述，新能源大量高比例应用与电网，其的不确定性与波动性会对电网的电力电量平衡问题造成较大的不良影响。本文根据新能源的特性，搭建了电力系统时序生产模型，同时对后续新能源高比例情况下所含有的电力平衡问题展开具体的研究，以此推动电网电力的发展。经过结果显示，在后续新能源装机继续提高的基础下，会产生弃风弃光以及新电力短缺问题。另外，电力短缺通常出现于夏季以及冬季，统一在负荷晚高峰时间。借助加设火电装容量能够有效改善此类问题，但火电的应用小时数量会减少。在实际合理的弃电率标准下，不仅能降低火电装机容量，还需要借助可控负荷或者加设储能等对策去确保电力电量的稳定供应。所以，若想要确保高比例新能源系统的电力供应稳定性，其需要持续优化电网规划设计，如电源结构、布局等，进而强化新能源的发电，充分满足用电的诉求。不仅如此，还需要强化可控负荷等需求角度下响应手段和储能手段，利用源荷匹配去确保电力的稳定供应。