园区受端新型电力系统电力电量再平衡方法

孔慧超，黄学劲，王文钟，雷一，彭静*，李海波

（1.广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523120； 2.清华四川能源互联网研究院，成都 610213）

0 引言

目前，工业园区已经成为电力消费的主体，承担着绿色低碳转型的重要使命［1］；同时，工业园区的电力供应网络处于传统电力系统受端，在新型电力系统的架构下，园区受端电力系统在可靠、优质供电［2］的基础上还承担着接纳分布式电源，增强需求侧响应能力等重要任务［3-5］，在形态上也由纯受端逐渐呈现出“源网荷储”协同［6］和随机性下电力电量平衡多场景化的特征［7-8］。因此，开展工业园区新型电力系统规划必须考虑各类园区柔性负荷［9］、储能［10-12］、分布式电源［13］、电能替代［14-15］和节能［16-17］的作用，并在此基础上开展电力电量平衡和规划优化求解［18-19］，从而为新型电力系统规划和碳减排提供技术支撑。

在新型电力系统规划、电力电量平衡和降碳效用方面，已有部分学者给出了研究成果。文献［20］以曲线拟合方式替代传统断面式电力电量平衡方法，提出了一种省级新型电力系统源网荷储一体化电力平衡方法；文献［21］通过量化最大调节容量，调节时长与电量平衡之间的关系，提出了一种考虑电量平衡的可调节潜力计算方法；文献［22］构建了一种弹性负荷参与的弹性电力电量平衡模型，以降低电网投资，减小区域电网峰谷差；文献［23］以新能源与储能设备的投资为优化目标，提出了一种兼顾短期负荷管理的工业微网长期规划模型；文献［24］明确了电力在碳减排中的定位，构建了考虑碳排放外部成本的规划模型；文献［25］基于园区能量枢纽模型，提出了能够提升系统灵活性与可再生能源消纳能力的方案并在镇江某园区进行了规划实证；文献［26-28］建立了配电系统接纳多种柔性资源后环境、经济等方面的可持续性评估方法。目前，多数研究都集中在大电网层面，对园区作为受端新型电力系统的电力电量平衡方法研究还相对较少。

本文针对工业园区年度用电量和所需最大供电负荷，提出了一种园区受端新型电力系统电力电量再平衡方法。首先，根据负荷预测的电力电量初平衡结论，考虑园区分布式电源、储能和柔性负荷的作用进行电力电量再平衡，从而得到园区年度外调电与园区自产电的比例；然后，明确电力电量再平衡对削减最大负荷和变配电规模以及促进园区减少碳排放的量化效用；最后，以我国南方某园区新型电力系统规划的电力电量平衡为例进行实证。

1 园区新型电力系统架构

工业园区处于电网的受端，电力供应来自多座输电网部署在园区的变电站。园区内的电能分配主要包含110 kV 高压配网、10 kV 中压配网和0.38 kV低压配网，多数耗电用户在中低压配网接入。在新型电力系统构架下，更多用户接入配电网将使得原有的输变电规模和高压配网规模逐渐扩大，用户侧也将就地开发屋顶光伏、分散式风电等电源并配置储能设施，形成源荷储一体的新型负荷；同时，为提升自给能力，园区有规模更大的燃气和生物质发电接入高压配电网，如图1所示。

图1 工业园区新型电力系统架构Fig.1 Architecture of a new power system in an industrial park

本文针对园区级新型电力系统规划的技术需求，探寻电力电量平衡新方法的应用场景。常规园区电力全部来自外部电网，电力电量平衡通过预测最大负荷和年度用电量来确定变电规模。而在新型电力系统架构下，园区电力分配和供应网络具备了源网荷储协同的特征，将常规的电网规划由“网”去适应负荷，拓展到了园区“源网荷储”协同4 个维度，因此新的电力电量平衡需要考虑电源与上级电网、负荷、园区内部储能之间的关系。园区电力系统规划时必须考虑内部电源参与年度电力电量平衡及其对外调电力负荷的削减作用，从而有效控制电网发展规模，减少低效投资，提高电力设施的利用效率和投资回报率，降低园区用电碳排放因子和促进园区生产降碳，也为外部大电网的安全运行提供有效支撑。

2 电力电量初平衡

首先开展园区未来特定年份的总用电量预测。电量预测一般可采用趋势外推法、增长系数法、饱和密度法等一种或多种方法综合确定。本文采用增长系数法模型［29］，未来第i年自然增长的用电量Wi可表达为第i-1 年的用电量乘以第i年的增长系数ai，即

在传统受端电力系统中，该部分电量都来自外部电网。自然增长条件下，未来第i年最大电力负荷Pi与自然增长的用电量Wi之间的关系可表示为

式中：ti为第i年的最大负荷等效利用小时数。

由此可以得到电网规划至该年所需的变配电容量为

式中：Rcl，i为第i年为保证电网运行安全所需的容载比。

3 电力电量再平衡

以上为常规的园区供电电网规划中的电力电量平衡流程，在新型电力系统背景下，节能措施将导致用电需求有所下降，但电能替代会增大电量需求，分布式电源、储能和柔性负荷会对以上电力电量平衡和电网规模产生更大影响，因此，需要在此基础上开展电力电量再平衡分析。

3.1 电量再平衡

电量再平衡是指园区负荷的年用电量如何由各类自建电源和大电网来电予以满足。未来第i年园区在电网侧和用户侧推广节能措施后，若能效在基准年基础上提高了ηi，定义节能度为（1-ηi），则电量需求变为

考虑特定行业电能替代的新增电量为

式中：Wk，i为园区第i年替代单位体积或单位质量其他能源形式的燃料（煤、油、气等，共N类）所需的电量（已考虑用电设备的转换效率）；Dk，i为第i年被替代的第k种非电能源形式的燃料（煤、油、气等）规模。

可以得到园区第i年的总用电量为

屋顶光伏、燃气、生物质发电等分布式电源就地接入园区受端电网形成园区新型电力系统新形态，未来第i年园区新增自建电源的并网电量可表示为

式中：L为园区在未来第i年自建投运电源类别数；Pj，i和tj，i分别为未来第i年第j类已投运的自建电源总功率及其全年发电等效小时数。全年发电等效小时数是一个全年时间尺度的概念，尽管在某时刻机组可能会因为故障或检修处于异常发电状态，但综合全年而言，整体的小时数是比较恒定的，不受短时异常状态的影响。

进而可得到园区第i年所需的外调电量为

3.2 电力再平衡

电力再平衡指负荷的年度最大值如何由内部自建电源功率、电网供电功率、柔性负荷调节功率和储能放电功率共同支撑予以平衡。除了要面对规划参数，电力再平衡还需保证运行参数有一定的裕度。

考虑能效提升的作用和特定行业电能替代的影响，起始的电力最大负荷还应叠加电量需求的缩减和新增替代电量的贡献，其表达式为

式中：t'i为第i年考虑节能效应和电能替代后的最大负荷等效利用小时数，在节能和替代电量占比不高时可近似取ti。

同样考虑未来第i年各类自建电源在用电负荷高峰时的出力贡献为

式中：rj，i为未来第i年第j类已投运的自建电源的削峰贡献系数。该系数定义为第j类自建电源在第i年最大负荷发生时的出力与其装机容量的比值，它需充分考虑短时间尺度内各类自建电源在调度调节能力上可能会出现的异常状况的影响，取值既基于已有运行经验又较为谨慎（一般为了保证规划结论可靠，取值为极端故障或阴雨气象条件下的偏小谨慎值）。

同时，考虑储能和柔性负荷的削峰作用，记为αiP'i，其中αi为储能和柔性负荷相应的能力系数，一般取0.03～0.06。于是该年实际所需的网供负荷可表示为

电网规划至该年所需的实际变配电容量为

由此可见，新型电力系统可通过分布式电源、储能和柔性负荷有效降低所需的实际变配电容量。

综上所述，该方法对规划参数（电量、装机、变配电容量）和运行问题的参数（最大负荷、自建电源出力保障能力、柔性可调节量）均进行了较好的适应。

3.3 再平衡效用评估

电力电量再平衡的效用主要体现在3个方面。

（1）变配电规划容量缩减，它直接体现电力电量平衡的作用和拟投资输配电设施的利用率，可以用变配电规划容量的缩减率来表示，其定义为

（2）园区用电综合碳排放因子变化。若未来第i年大电网供电的碳排放因子为ei，第j类已投运的自建电源的碳排放因子为ej，i，则可以计算得到园区用电的综合碳排放因子为

由此可见，若自建电源的碳排放因子小于大电网供电量的碳排放因子，可起到降低园区电力消费碳排放的作用。

（3）电能替代推动园区生产降碳成效。若园区未来第i年某生产用能采用电能替代，在替代前采用其他非电能源形式产生的碳排放量为

式中：ek为第k种非电能源形式消费的碳排放因子。

则完成电能替代后所产生的碳排放量为

电能替代后该工业园区碳排减少量为

4 算例分析

以我国南方某先进制造工业园区为例进行分析，该园区位于粤港澳大湾区核心，占地面积124 km2。以2020 年为基准年，该年的用电量为3.532 TW·h。随着近期已有招商产业的落户和产能的扩张以及远期用能品质的提升，预计园区电力消费量将按照增长率逐渐减缓的趋势增长，2020 —2025 年增长率为8.0%～15.0%，2026 —2030 年增长率为3.5%～7.0%，2031 —2045 年增长率为1.0%～3.0%，2046 —2060 年增长率为0.8%～1.0%，到2060 年我国碳中和年达到12.263 TW·h；最大负荷利用小时数从6 500 降至6 000 左右；容载比初步设置为2.2。电力电量初平衡结果见表1。

表1 电力电量初平衡Table 1 Initial balance of electric power and energy

接下来开展电力电量再平衡分析。根据该园区节能降耗工作规划，分2020 —2025 年、2025 —2035 年和2035 —2060 年3 个阶段将提升3 百分点（每个阶段提升1 百分点），相应的节能率及节能电量如图2 所示。预计2027 年后该园区天然气消耗量将稳定在1.93亿m3/a，计划于2040 —2060年推进新电气化进程，将其中的0.43 亿m3/a的天然气用新电气化替代，替代方式为4 kW·h 电代替1 m3天然气，其实施进程如图3所示。

图2 园区能效提升计划Fig.2 Energy efficiency improvement plan for the park

图3 新电气化进程Fig.3 New electrification process

在基准年基础上，该园区计划新增的分布式燃气机组和光伏装机信息见表2。其中光伏根据当地条件按照年利用小时数1 000、燃气按照最终年利用小时数5 000（新投运机组前一两年适当降低）考虑其产电电量。

表2 新增燃气和光伏装机Table 2 Newly installed gas turbine and PV capacities

储能和柔性负荷的削峰作用按照仅考虑节能和电能替代，不考虑自建分布式电源电力电量调节作用下起始最大负荷的6%设定；设定燃气机组以110 kV 电压等级并网，削峰贡献系数为0.5；柔性负荷与储能、分布式光伏均位于10 kV 及以下的中低压配网侧，分布式光伏的削峰贡献系数为0.15。该园区“双碳”目标下电力电量再平衡结果见表3。由表3可见：变配电规模有了较大幅度降低，内部自建电源为园区用电提供了23%的电量；削减了输电网供最大负荷的18%，其中光伏、储能及柔性负荷削减了110 kV 变配电规模，而燃气机组在此基础上还对220 kV及以上电网的输变电规模进行了削减。

基于表1 和表3 的数据，根据式（13）计算可知，2030年和2060年，变配电规划容量的缩减率分别为10.10%和9.57%，其中110 kV 变电站的规模缩减率分别为11.1%和10.7%。由此可见，新型电力系统电力电量再平衡方法为降低变配电设施规模，从而提高其使用率提供了清晰的量化参考结果。

若2030 我国碳达峰年网供电量的碳排放因子为0.6 kg/（kW·h），园区内部气电和光伏发电电量的碳排放因子分别按照0.44，0.01 kg/（kW·h）考虑，根据各部分电量按照碳排放因子权重赋权平均，按照式（14）计算得到该园区2030年的用电综合碳排放因子为0.54 kg/（kW·h）。内部自建电源有力促进了园区的降碳，为碳达峰作出积极贡献。

若2060 我国碳中和年该园区的用电综合碳排放因子降至0.1 kg/（kW·h），按照以上新电气化进程推进电代气。天然气碳排放因子取1.76 kg/m3，按照式（15）—（17）计算可得每年替代0.43 亿m3天然气直接减少的碳排放量为7.57 万t，而新增172 GW·h 用电产生的碳排放量为1.72 万t，实现减碳5.85 万t/a。可见，碳达峰后择机有序推进电代气的新电气化进程可为实现碳中和发挥重要作用。

5 结束语

本文介绍了一种面向工业园区受端新型电力系统的电力电量平衡方法，建立了电力电量再平衡效用评价指标，能够比较准确地评估电网规模的控制能力以及低碳效应的量化水平，可为工业园区电网规划、绿色转型路径制定提供参考。算例表明：2030 年园区变配电规划容量可缩减10.1%，园区用电综合碳排放因子可由0.60 kg/（kW·h）降至0.54 kg/（kW·h）；2060 年园区变配电规划容量可缩减9.57%，电代气可实现减碳5.85 万t/a。