跨省互联电网的新能源消纳互济方法研究

姚德全 陈卫中 郑宁敏 陈世勇 郑子墨

（1 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003 2 闽粤联网电力运营有限公司 福建漳州 363301）

0 引言

加快能源结构转型升级、促进区域能源协调发展是贯彻新发展理念、构建新发展格局的必然要求，对于落实碳达峰碳中和部署、构建现代能源体系具有重要意义［1］。为统筹我国资源与负荷分布不均衡、促进新能源消纳，我国已建设多个跨省特高压输送通道，有力支撑新型电力系统建设。

随着新能源规模的持续增长，不少学者对新能源跨省消纳进行了思考和研究：文献［2］分析了我国新能源的发展形势和弃风弃光特点，从电源侧、电网侧和用电侧提出促进大规模新能源消纳的技术措施；文献［3-5］基于实时电力数据，以新能源跨区消纳为目标，测算跨省送电的消纳优化模型；文献［6］建立了考虑外送通道的电力系统调度随机模型，分析了外送通道对风电资源跨区消纳的影响；文献［7］针对多区域互联系统的协调调度问题，提出了1 种考虑跨区联络线交易计划的分散调度方法。

目前，大部分研究主要基于送受端省份相对明确的潮流输送优化、调节能力提升以及新能源消纳调度运营策略等领域，研究对象着重于单个省份。对于发用电自平衡能力相对较强的电力互联省份，联网线路往往仅发挥应急备用、联络等作用，在促进新能源消纳互济方面仍有挖潜空间。本文结合闽粤联网线路，以福建和广东为例，探索2 省新能源消纳互济的调度运营模式，促进提升联网线路发挥社会价值，使新能源电力在更大范围内优化配置。

1 新能源消纳能力分析

1.1 新能源消纳制约因素

风电、光伏出力可控性较差，具有随机性、波动性，以及难于预测等特点。由于风、光的资源特性，新能源出力存在随机性和波动性。风电日波动最大幅度可达装机容量的80%，且呈现一定的反调峰特性。光伏发电受昼夜变化、天气变化、移动云层的影响，同样存在间歇性和波动性。

新能源高比例接入电力系统后，增加了系统调节的负担，常规电源不仅要跟随负荷变化，还需要平衡新能源的出力波动［8］。新能源出力超过系统调节范围时，必须控制出力以保证系统动态平衡，否则就会产生弃风、弃光。在未来大规模开发新能源的情况下，将对电网运行产生较大的压力。

结合文献［3-5］研究成果，影响新能源消纳的主要制约因素包括新能源出力特性、系统负荷特性、系统调节能力、电网传输调度能力等方面。前三者主要是电力系统依靠自身电源负荷结构与变化特性，实现波动性负荷与电源相匹配的过程，后者则是借助外来电网实现新能源在更大范围内消纳。

1.2 新能源消纳空间

在内部无网络约束的电力系统中，新能源消纳需要满足发、用电动态平衡和系统调节能力下限约束。对于孤立的区域电网，负荷曲线与系统电力装机的最小技术出力形成的空间，叠加抽蓄、储能的最大调节能力，即为理论上新能源的最大消纳空间［9］，如图1 所示。

图1 新能源消纳空间示意图

含外送联络线的电力系统，可将联络线功率与负荷曲线等效为孤立的电力系统负荷曲线。若新能源叠加常规电源（含抽蓄等调节性电源）最小技术出力超过负荷功率时，则超出部分则为弃新能源电量；若负荷曲线超出常规电源最大技术出力，则表明系统供电能力不足，存在缺电现象。系统t 时刻最大可消纳的新能源电力空间Px（t）可表示如式（1）。

式中：L（t）为系统t 时刻的负荷功率；Gc，i，max、Gc，i，min分别为系 统中第i 台常规机组的最大出力和最小技术出力；βi为第i 台常规机组的调峰深度；β 为系统内所有常规机组的平均调峰深度。

2 新能源消纳互济的跨省调度优化方法

2.1 跨省新能源消纳的电网调度模型

发用电自平衡能力相对较强的联网省份，新能源消纳着重以省内自平衡为主；在省内无法消纳、产生弃新能源电量的情况下，再通过联络线路外送，实现跨省新能源消纳互济［10］。

以A、B 两省的系统总运行成本经济最优为目标，考虑各类型机组的运行成本及环境成本，并对弃新能源电量设定惩罚成本，以促使新能源消纳，建立的调度运行目标函数见式（2）。

式中：F 为系统总运行的成本，F1、F2分别为两省的系统运行成本。i 为机组编号，m1，n1分别为A 省常规电源、新能源机组（或者场站）的总数；a1，i，b1，i，分别为A省常规电源、新能源第i台机组的单位电量运行成本；Gc1，i（t）、P1，i（t）分别为A省常规电源、新能源第i台机组对应t 时刻的发电出力；W（t）为t 时刻外送功率，外送电时定义为正值，E 为外送电度电成本，考虑两省互为联络时，两省外送/购电成本相同。S1（t）为A 省t 时刻弃新能源功率，c1对应为惩罚性弃电成本。同理，下标为2 的对应为B 省的机组参数。

各电源类型中，火电机组除了运行成本外，还需要考虑其碳排放的环境治理成本；核电、水电运行成本不考虑碳排放成本；新能源运行成本主要为人工及运维成本，为促使新能源消纳，计算过程中可简化取0 值。由此，目标函数可简化为式（3）。

式中：弃新能源电力功率与新能源消纳空间有关，新能源发电出力超出消纳空间的部分为弃新能源电力。结合式（1）可知，新能源弃电功率为式（4）。

调度运行的约束条件主要包括系统运行约束、常规机组的发电约束2 个方面：系统运行约束主要包括电力平衡、负荷备用、输电联络线等方面约束；常规机组约束主要包括机组功率约束、爬坡速度、启停时间等方面约束［11］。结合约束条件可计算出满足系统新能源消纳的跨省联合调度的运行方式。

2.2 跨省调度运营优化方法

以新能源省内就地消纳为主、满足系统运行成本最优并可通过联网线路实现消纳互济的运营思路，进行优化联网线路的跨省调度方案，主要步骤如下：

（1）建立省级电力系统运行模型。包括2 省的电源规模与结构、电力需求及负荷特性、各类电源运行的技术经济指标，跨省区输电规模及方向（为简化计算，可将2 省联络线外的其他外来电与负荷进行等效处理）。

（2）省内机组运行计划初步安排。预测次日最高负荷，根据次日常规机组检修、开停机情况、以及电力市场交易情况、各电源出力计划，按照电网调度运行模型优化目标，安排2 省电网机组的组合和经济调度开机容量。

（3）计算2 省日内新能源消纳空间。根据当前新能源出力、超短期功率预测、负荷水平及常规机组运行工况，计算未来时刻省内及邻省的备用和调峰容量，预判2 省电网的新能源消纳空间。

（4）制定日前联络线运行计划。结合新能源出力预测曲线比较，分析是否存在新能源出力超过新能源消纳空间的情况。针对新能源出力超出新能源消纳空间的情况，安排通过联网线路进行外送。结合联网线路的输送功率限制、新能源出力盈余情况，得出联网线路的日前电力输送计划。

（5）优化省内机组安排。根据联网线路的日前联络线功率计划、弃电功率，计算出2 省考虑联络线功率交换及弃电功率后的等效负荷曲线。结合省内机组计划初步安排情况，进一步优化2 省电网的机组组合和经济调度。

（6）实时调整联网线路的运行功率。结合2 省风电日内消纳的空间计算，优化省内机组出力方式，实时调整联网线路的运行功率，保障新能源电力在2 省范围内消纳。

3 闽粤新能源消纳互济分析

以闽粤联网为例，开展对闽粤新能源消纳互济模式研究。广东和福建同处于沿海地区，电源装机结构、负荷特性等相似但又有所不同，随着新能源大幅开发，存在新能源消纳不足的现象。2022 年在建的闽粤联网线路功能定位为“互补余缺、互为备用、紧急事故支援”，在物理上实现了闽粤互联，为2 省新能源消纳互济创造了条件。

3.1 闽粤新能源消纳能力分析

结合闽粤2025 年的规划电源结构，按照满足闽粤负荷预测需求的情况，安排日机组开停机计划，并结合新能源出力情况进行调节电源出力，以满足负荷与电源出力匹配，实现清洁电源消纳。在规划的电源方案、负荷时点出力曲线中，按照新能源预测出力进行初步优化全省机组安排，满足负荷需求的情况下，2 省的负荷曲线及开机的常规电源最大最小技术出力如图2、图3 所示。

图2 福建省2025 年负荷与电源出力曲线图

图3 广东省2025 年负荷与电源出力曲线图

由初步测算的运行结果可知，图2、图3 中的负荷曲线均在常规电源最小技术出力、最大技术出力的范围内，表明全省开机方式可以满足负荷消纳需求。在考虑叠加新能源出力后，全省最小的电源出力曲线在部分时段会超过负荷曲线，表明由于新能源随机出力的特性，电网存在新能源消纳能力不足的情况，需要考虑需求侧响应存储、外送、弃电等方式予以解决。

分析出现新能源消纳不足的情况，主要出现在负荷低谷时段叠加风电出力大发的现象。选取2025 年、2030 年数据进行计算，若不考虑发挥闽粤联网线路的清洁电源互济作用，则福建、广东2025 年、2030 年新能源消纳情况如表1。测算结果表明，福建及广东省电力系统调节能力较强，全年存在0.1%～0.4%左右的弃新能源电量，满足电力系统运行的弃电要求。

表1 闽粤2025 年及2030 年新能源消纳情况表

3.2 新能源消纳互济的优化运营测算

为进一步降低新能源弃电情况，结合闽粤联网线路的输送能力及消纳水平，低谷时段可通过外送互济，提升新能源消纳率。例如福建省存在弃电时，而广东省具备新能源消纳空间，则考虑福建盈余新能源电力送往广东省消纳；若同时出现消纳不足的情况，则通过联合优化调度，满足新能源消纳的最大需求。

按照跨省电网调度运营优化模型，以促进清洁能源消纳为目标，对2025 年、2030 年闽粤2 省出现电力盈余的情况进行联合优化调度，发挥闽粤联网清洁电源互济作用见图4 和图5。经优化后，测算的结果见表2。

表2 闽粤2 省新能源消纳互济优化表

图4 联网线路2025 年新能源消纳互济输送潮流图

图5 联网线路2030 年新能源消纳互济输送潮流图

通过优化调度联网工程满足新能源消纳后，2025 年、2030年闽粤联网工程互济的总电量分别约为1.42、1.04 亿kWh；福建省2025 年、2030 年新能源消纳率分别由99.81%、99.76%提升至100%；广东省仍有部分盈余电量，2025 年、2030 年新能源消纳率分别由99.61%、99.93%提升至99.79%、99.96%。分析表明，新能源装机规模越大，存在低谷时段无法消纳的现象则更加频繁，需要大规模增加调节性电源，或者增大联网工程的互济电量，可进一步提升新能源消纳需求。

随着碳达峰、碳中和的推进实施，新型电力系统中的新能源发电出力比重将不断提高，不可控电源逐年增大，对系统调节能力的需求也逐步扩大，存在新能源低谷时段消纳不足的情况也将频繁出现。在满足新能源完全消纳的情况下，需要投入低谷尖峰时段（低谷尖峰时段，即为负荷低谷时，新能源电力盈余特别突出的时段）调节性储能的需求规模巨大，但利用水平又相对较低。发挥联网线路消纳互济的功能，可减少弃电现象并降低低谷尖峰时段的储能需求，节约全社会投资成本。

4 结语

新能源开发及跨省跨区消纳，是贯彻碳达峰碳中和“全国一盘棋” 的重要举措。充分发挥跨省互联电网的消纳互济作用，可促进互联省份新能源消纳、提升联网线路的利用效率，同时也可以大幅降低保障新能源消纳的调节性电源建设。通过跨省互联电网联合调度运行，可在省内自主消纳的基础上，优化电力消纳互济能力，满足新能源消纳需求。闽粤联网工程实例表明，跨省联合调度优化运营，为2 省提升新能源消纳能力，支撑海上风电、光伏等新能源快速发展提供了重要保障。