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高比例可再生能源新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃綜述

作者:黎博 陳民鈾 鐘海旺 馬子明 劉東冉 何鋼 來源:中國電機工程學(xué)報 發(fā)布時間:2023-07-19 瀏覽:

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1.研究背景

  新型電力系統(tǒng)具有高比例可再生能源與高比例電力電子設(shè)備等主要技術(shù)特征,即大規(guī)模可再生能源發(fā)電具有強間歇性、隨機性與波動性等特點,且風(fēng)光發(fā)電呈日內(nèi)以及季節(jié)性波動特性,與負(fù)荷需求不匹配。同時,轉(zhuǎn)動慣量的缺乏削弱了電力系統(tǒng)抗故障沖擊的能力,大量電力電子設(shè)備并網(wǎng)使得系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜化。因此,如何在多時間尺度上保持發(fā)電與負(fù)荷功率平衡、如何保持含高比例電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、如何對清潔能源進行高效消納與優(yōu)化配置將成為未來電力系統(tǒng)長期規(guī)劃的主要挑戰(zhàn)。為此,論文對電力系統(tǒng)長期規(guī)劃的研究現(xiàn)狀進行綜述與展望。

  2.論文所解決的問題及意義 

  新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法如圖1所示。論文首先分析與總結(jié)新型電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征;在此基礎(chǔ)上,總結(jié)能源供應(yīng)安全與能源供應(yīng)的經(jīng)濟-政策不確定性兩方面挑戰(zhàn),其涵蓋參數(shù)不確定性、政策不確定性、電力系統(tǒng)靈活性、電力系統(tǒng)充裕性、電力系統(tǒng)安全性、多時間尺度功率平衡等環(huán)節(jié);然后,從長期不確定性、短期不確定性、安全性評估、可靠性評估4個著眼點開展研究,對不同方法的研究思路、應(yīng)用場景與優(yōu)缺點進行了比較分析。最后,對新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型的構(gòu)建與應(yīng)用進行總結(jié)與展望。

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圖1 新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法

  3.論文重點內(nèi)容  

  論文就以下五個方面進行綜述:

  (1)電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)

  電力系統(tǒng)長期規(guī)劃指以能源供給與技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ),采用優(yōu)化算法優(yōu)化滿足能源需求等約束條件下成本最優(yōu)的技術(shù)選擇,其決策變量通常是在給定的時間與空間范圍內(nèi)對發(fā)電技術(shù)、發(fā)電容量與輸電容量的選擇。研究框架如圖2所示,其可用于電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、或者電源–電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃,也能評估不同能源政策、潛在技術(shù)發(fā)展等對能源系統(tǒng)的影響。

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圖2 新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃框架

  電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩方面:

  1)能源供應(yīng)的經(jīng)濟-政策不確定性方面;長期不確定性指由于政府政策、能源價格波動、新興技術(shù)等因素使得模型參數(shù)具有高度不確定性。其可表征為參數(shù)與政策不確定性。其中,參數(shù)不確定性主要分為技術(shù)與經(jīng)濟參數(shù)不確定性。政策不確定性受到國家或地區(qū)能源發(fā)展戰(zhàn)略的影響。

  2)能源供應(yīng)的安全方面;論文從電力系統(tǒng)靈活性、充裕性、安全性與多時空功率平衡四方面闡述長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)。其中,靈活性解決短期與長期供需不平衡帶來的靈活性需求。充裕性解決新能源發(fā)電與常規(guī)火電機組的區(qū)別與量化評估方法。安全性解決電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題,包括功角穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性與電壓穩(wěn)定性。多時空功率平衡解決考慮不同區(qū)域的資源稟賦,合理規(guī)劃可再生能源發(fā)展,滿足大范圍資源優(yōu)化配置與功率平衡問題。

  針對上述挑戰(zhàn),本文就長期不確定性、短期不確定性、安全性評估、可靠性評估四個方面進行綜述:

  (1)長期不確定性

  為了提高新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃在長期不確定性條件下的魯棒性,目前常用概率性方法與情景分析法。概率性方法指在已知不確定性參數(shù)的概率分布情況下,使用期望最大等方法得到其規(guī)劃方案。情景分析法指在不確定參數(shù)的概率分布未知的情況下,使用情景分析方法對不確定參數(shù)取值范圍進行合理假設(shè),進而得到其規(guī)劃方案。

  (2)短期不確定性

  短期不確定性指由天氣與用戶行為的隨機性,導(dǎo)致數(shù)小時甚至數(shù)天的風(fēng)光出力與負(fù)荷需求的不確定。模型時空分辨率將直接影響模型的大小與變量的規(guī)模,進而影響模型求解效率。權(quán)衡模型求解效率與準(zhǔn)確性是新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)之一。論文總結(jié)了兩類處理不確定性的方法,包括外生法與內(nèi)生法,如圖3所示。外生法主要通過引入額外的電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與評估模型等,對原有規(guī)劃模型的規(guī)劃方案進行核驗與修正,或者引入新的約束條件以迭代求解規(guī)劃方案。內(nèi)生法主要對長期規(guī)劃中的短期運行約束進行精細(xì)化建模,以提高模型求解準(zhǔn)確性。

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圖3 短期不確定性處理方法分類

  (3)保障系統(tǒng)發(fā)電充裕性

  在我國發(fā)電充裕性機制不完善的情況下,可再生能源的快速發(fā)展與煤電的逐步退役使得發(fā)電充裕性問題變得更加嚴(yán)峻。雖然可再生能源的接入能夠提高系統(tǒng)發(fā)電充裕性,但是其發(fā)電充裕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等容量的傳統(tǒng)發(fā)電機組。為此,論文從發(fā)電充裕性來源、指標(biāo)與評估方法三方面來總結(jié)如何在電力系統(tǒng)長期規(guī)劃考慮發(fā)電充裕性約束。在發(fā)電充裕性評估方法方面,目前,美國不同電力市場對風(fēng)光可信容量的評估總結(jié)如表1所示。此外,也可根據(jù)需要采用基于可靠性評估、解析法與工程類方法進行可再生能源容量可信度評估。

表1 美國區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)光可信容量可信度

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  在評估方法方面,現(xiàn)有風(fēng)光可信容量計算方法與影響分析已較為透徹,但是在新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃中,以下幾個方面將有所不同:1)考慮不同時間尺度下的發(fā)電充裕性評估;目前充裕性規(guī)劃約束要求通常以年為基本單位,但風(fēng)光發(fā)電具有明顯的日特性、季節(jié)性特性與年際特性,在部分地區(qū)可能存在季節(jié)性充裕性不足的問題,導(dǎo)致系統(tǒng)功率失衡的風(fēng)險增加。有必要研究更短時間尺度的風(fēng)光容量可信度計算方法、以及負(fù)荷隨機性對風(fēng)光可信容量的影響。2)考慮輸電阻塞對發(fā)電充裕性的影響;隨著可再生能源大規(guī)模并網(wǎng),使得電網(wǎng)運行愈加趨近輸電極限,因此,風(fēng)光容量可信度的計算需要考慮風(fēng)光發(fā)電機組的空間分布,以精細(xì)化評估不同空間位置的風(fēng)光可信容量。

  (4)保障系統(tǒng)發(fā)電安全性

  靜態(tài)安全性評估是保障電力系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ),論文從確定性與概率性評估兩方面總結(jié)長期規(guī)劃模型如何考慮安全性約束。1)確定性評估常用N-1原則進行安全性校核,為減少海量故障場景計算帶來的計算量問題,可通過典型故障狀態(tài)生成或者迭代法逐步添加故障集,以減少計算量。然而,基于確定性原則的評估方法容易忽略事故發(fā)生的頻率和可能性以及相應(yīng)的經(jīng)濟性后果;2)在概率性評估方法中,蒙特卡洛抽樣法是常用的隨機模擬方法,通過對隨機變量進行大量的抽樣,例如對系統(tǒng)中不同元件的狀態(tài)進行抽樣,然后對每個事件進行潮流計算,從而得到相應(yīng)的概率性指標(biāo)。

  然而,傳統(tǒng)安全性評估方法難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃中源荷不確定性等問題,具體包括:1)新型電力系統(tǒng)的運行方式多樣化,需要擴展由可再生能源并網(wǎng)導(dǎo)致的故障集,刻畫系統(tǒng)故障或穩(wěn)定時的邊界;2)如何量化小概率、中高影響事件對安全性的影響;3)可再生能源機組與傳統(tǒng)同步機組的同步機制與動態(tài)特性存在較大差異,使得經(jīng)典“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”定義不再適用,亟待完善相應(yīng)的基礎(chǔ)理論。

 4.結(jié)論  

  電力部門是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié),電力系統(tǒng)長期規(guī)劃無論是在長期戰(zhàn)略規(guī)劃、短期電力系統(tǒng)運行方面,都對電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型過程中的安全性與經(jīng)濟性具有重要作用。針對新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型,本文總結(jié)目前主流的電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運行模型研究框架以及建模過程中對長期不確定性、短期不確定性、系統(tǒng)充裕性、系統(tǒng)安全性四個方面的主要解決方法,對不同方法的研究思路、應(yīng)用場景與優(yōu)缺點進行比較分析。最后,展望了電力系統(tǒng)長期規(guī)劃有待進一步研究的方向。包括:新興技術(shù)的研究、考慮不確定性的電力系統(tǒng)規(guī)劃決策、經(jīng)濟-電力-環(huán)境-健康等多部門耦合技術(shù)與模型,以及加強電力大數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用四個方面。


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