双碳目标下新能源消纳能力提升方法研究

温 鑫 姚文莹 何圣川 冯兴兴

（广东电网广州供电局，广东 广州 510000）

0 引言

随着当今世界人口的过度增长以及石油、煤炭等常规化石能源日益枯竭，能源危机已经成为世界各国发展面临的首要问题。我国已将发展清洁能源作为应对能源危机与环境恶化的有效手段之一，其中新能源的合理利用成为国内外的研究重点，分布式光伏与风电并网发电技术的研究与应用已成为未来能源发展的必然方向。如图1所示，我国新能源并网装机和消纳总量高速增长，但随之也带来很多问题亟需解决[1]。

图1 我国风电和太阳能装机容量示意图

现有的文献研究中，针对新能源消纳能力提升方面的研究主要集中于两方面：一方面，对新能源节点接入的电网进行网架改造，主要在功角稳定下科学建模后进行仿真分析，剖析新能源装机容量上升对电网的影响，仿真结果表明，合理降低系统最小允许负荷水平是现阶段增强电力系统消纳光伏电源能力的主要方法，但实际此类方法并不被电网企业采纳，原因在于一来其与供电企业的定位和鼓励用电促进地区经济增长的愿景不符，二来有新能源并网的电力系统负荷特性与净负荷特性在时间尺度上并不匹配。因此，降低系统最小允许负荷实际上不能有效解决电网对新能源消纳能力受限的问题。另一方面，通过改善电网负荷特征提高电网对分布式新能源的消纳能力，改善电网负荷特征主要可分为储能技术结合应用与转移负荷两个方面。转移负荷方法是以用户需求作为出发点，将价格响应、激励响应作为调节机制，争取最大程度上调整甚至改变用户的传统用电行为，实际上转移负荷的方法并不能提高区域电网的消纳能力，另外，此方法成本过高，因而并不被电网企业所采用。鉴于此，需要采用储能技术解决电力系统对新能源接纳能力不足的问题，本文着重对这方面展开分析。

1 新能源消纳空间理论分析

假如本地区的电力系统潮流无发、输、配、变、用五个方面的安全约束，无事故N-1原则下的出力约束，无断面过载等特殊情况，新能源发电系统只需满足发电机组与负荷消耗的动态平衡、区域电力系统发电曲线的下限约束、联络线路上的通道输送安全约束，并对事故情况留有一定容量的正备用，则理论上新能源最大消纳空间位于负荷曲线与电力系统发电曲线的下限约束之间，如图2所示。

图2 地区电网新能源消纳空间示意图

本地区的电力系统在t时刻可消纳新能源最大空间出力的功率约束[2]为：

式中：PDG.i（t）为t时刻第i台分布式新能源注入电网的有功功率；Pf（t）为t时刻电网中负荷消耗功率；Pl（t）为t时刻电网中联络线外送的有功功率；R+为t时刻电网中事故正备用留下的有功功率常数；Pg.i（t）为t时刻电网中第i台常规机组的有功功率；m为本地区的电力系统所有的分布式新能源数量和；N为本地区的电力系统所有的常规机组的数量和。

显然，在考虑最大程度消纳新能源的情况下，地区调度应降低事故正备用，让调节速度快的机组尽可能参与运行，减少常规机组开机。

本地区电力系统可消纳新能源最大空间应是功率约束式（1）对时间的曲线积分：

从积分曲线来看，孤立系统的新能源消纳能力主要取决于电源的总体调节性能、负荷电量以及负荷峰谷差。电源调节性能越好，负荷电量越高，峰谷差越小。储能调节系统在需求侧做出响应刚好可以提高上包围积分曲线，下降下约束曲线，从而扩大新能源的消纳空间，本文下一节将针对新能源消纳能力进行具体分析。

2 配置储能系统下的新能源消纳能力分析

现有文献主要研究通过常规机组为系统提供备用调节容量来解决风光等新能源出力波动的问题，从而提高新能源的消纳能力；或研究在源侧配置储能系统，抑制新能源出力波动的同时，使得新能源具有一定的可控性，从而提高片区对可再生新能源的消纳水平。本文利用储能系统独特的电源和负荷双重属性，通过降低负荷峰谷差，跟踪新能源发电，平抑新能源并网波动，来提升地区电网对新能源的消纳能力。在新能源出力功率高于负荷时，储能系统可作为储存负荷将多余功率进行存储，减少弃光弃风，从而提高新能源的利用率；而在新能源发电不足时，储能可充当电源，将原本储存的能量释放出来，为馈线上的负荷供电。

在进行安全性运行约束条件计算时，分布式新能源和并网的配电网有功功率应满足系统运行的功率平衡约束，假定其公式如下：

式中：PDG.i、QDG.i为分布式新能源注入电网的有功功率和无功功率；n为某一节点上所有的分布式新能源数量和；PDW、QDW为电网注入的有功功率和无功功率；PL、QL为电网负载有功功率和无功功率；PLoss、QLoss为电网有功功率损耗和无功功率损耗。

配电网中大量的分布式新能源并网使得配网的消纳能力受到了一定的限制，存在如母线电压越限、馈线载流量越限等风险，故电压的安全性运行约束条件为[3]：

式中：Ui、UN为节点电压值与电网电压额定值；Uimin、Uimax为节点电压值最小值与最大值；α为电压偏移系数，一般取7%。

10 kV馈线以及升压变压器的载流量需防止并网线路长时间过载运行，故电流的安全性运行约束条件为：

式中：Ii、IiE为线路负载电流值与线路负载电流额定值；Si、SiE为变压器负载容量与变压器负载容量额定值。

储能系统跟踪节点电压的变化进行无功功率的动态输出，当节点电压Ui大于储能电压上限Ui.cnmax时应该减少输出的无功功率；当节点电压Ui小于储能电压下限Ui.cnmin时应该增大输出的无功功率；当节点电压处于储能电压上限与下限之间时，储能输出的无功功率QCN维持设定值QSD不变。故储能无功功率的安全性运行约束条件为：

储能系统跟踪节点电压的变化率dUi进行有功功率PCN的动态输出，且储能放电功率与充电功率需要保持一定的平衡，一定时间内的放电次数也需满足要求，故储能有功功率的安全性运行约束条件为：

式中：dUqdi.cn为储能电压变化率启动阈值；WF、WC为储能放电与充电平均功率；TF、TC为储能放电与充电周期；ηF、ηC为储能放电与充电效率。

从调度SCADA系统中获取某地区6月—9月的负荷数据与储能系统的充放电曲线，代入上式进行条件约束，得到储能系统充放电主动消纳曲线，如图3所示。图3中前两个时段未计及储能系统；后两个时段按照调度指令主动消纳电能，降低网架重载运行的风险，获取当前电网的模型和各项出力数据进行电量平衡计算与配电网潮流计算，然后判断是否满足安全性运行约束条件，不满足时下发指令调整储能进行充放电参与电网调节。不难发现，储能技术能平稳有效地抑制地区负荷的峰谷差，提高新能源最大利用发电效率，进而实现发电、用电在时空上的解耦，有效缓解电力供需之间的矛盾。

图3 双碳目标下储能系统充放电主动消纳曲线

3 结语

我国明确提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，而电力降碳是实现这个目标的关键因素，因此当前的首要任务就是推动发电侧转型，减少火力发电，提倡水电或新能源的并网接入。但现阶段的电网非正常运行方式下，新能源机组常常因其出力的间接性、随机性或故障区段未供电面临主动或被动制约出力，导致片区内可再生能源利用率大打折扣的问题。本文针对以上现状及问题提出在发电侧配置储能系统的措施，融合SCADA系统数据给出一种基于储能调节模式的电网新能源消纳方法，并进行了实时曲线分析。结果表明，储能参与电网新能源消纳调节，可使电网消纳分布式电源发电的能力得到明显提高。