申建建, 程春田, 曹 瑞, 陸建宇

(1. 大連理工大學(xué)水電與水信息研究所, 遼寧省大連市 116023; 2. 國家電網(wǎng)華東電力調(diào)控分中心, 上海市 200122)

0 引言

中國水能資源非常豐富,但80%分布在西部且67%集中在西南[1],實(shí)施“西電東送”戰(zhàn)略,將金沙江、瀾滄江、雅礱江、紅水河、烏江、長江等特大流域干流梯級(jí)水電利用特高壓交直流電網(wǎng)輸送至華南、華東、華中等負(fù)荷中心地區(qū),是充分發(fā)揮中國水能資源優(yōu)勢,解決東中部、沿海地區(qū)優(yōu)質(zhì)電力緊缺,減緩化石燃料等一次能源污染,促進(jìn)國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要舉措[2]。

“西電東送”實(shí)施十多年來,中國水電和電網(wǎng)建設(shè)取得史無前例的發(fā)展。在電源側(cè),集中建成一批西電東送水電骨干電源[3],其中三峽、溪洛渡、糯扎渡、向家壩、龍灘、小灣、錦屏梯級(jí)等裝機(jī)容量均超過3.5 GW[4-6],這些巨型水電站構(gòu)成了多個(gè)超千萬千瓦級(jí)特大流域水電輸送基地,并形成了世界首個(gè)億千瓦級(jí)區(qū)域水電系統(tǒng);全國水電總裝機(jī)在2004年、2010年、2014年分別突破100,200,300 GW,2016年底達(dá)到332 GW[7-8],近十年增長規(guī)模已是世界水電裝機(jī)排名第二巴西的2倍。在電網(wǎng)側(cè),西電東送主網(wǎng)架規(guī)模迅速擴(kuò)大[9],南線通道建成“九直八交”骨干網(wǎng)架,包括楚穗、普僑±800 kV特高壓直流,天廣、三廣、金中、貴廣、牛叢±500 kV超高壓直流,以及天廣、貴廣500 kV超高壓交流,形成了金沙江中游和下游、瀾滄江下游、珠江上游水電和貴州西部坑口火電集中向廣東廣西送電的格局,目前電力輸送規(guī)模超過39.50 GW;中線通道在華東電網(wǎng)受端涉及賓金、復(fù)奉、錦蘇、林楓、龍政、葛南、宜華、靈紹等8條跨區(qū)超、特高壓直流聯(lián)絡(luò)線,額定輸送能力達(dá)39.76 GW。截至2016年底,西電東送南通道和中通道總輸送規(guī)模超過70 GW,伴隨未來金沙江、雅礱江、瀾滄江等水電基地全面建成,雅魯藏布江、怒江等流域水電的規(guī)模化開發(fā),以及配套超、特高壓交直流輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè),水電輸送規(guī)模預(yù)計(jì)很快將突破100 GW,接近目前全國水電總裝機(jī)容量的三分之一。

中國水電跨省跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸送,從無到有且接近100 GW,無論從輸送規(guī)模還是發(fā)展速度上都是前所未有的,水電調(diào)度運(yùn)行方式也隨之發(fā)生極大改變。從以就地消納為主轉(zhuǎn)向跨省跨區(qū)消納,從單一電網(wǎng)轉(zhuǎn)向多電網(wǎng)負(fù)荷需求響應(yīng),從單一梯級(jí)發(fā)電調(diào)度發(fā)展到跨流域、跨省、跨區(qū)域調(diào)度,形成了極其復(fù)雜的異構(gòu)并網(wǎng)與互聯(lián)關(guān)系,面臨多級(jí)輸送斷面控制、可變機(jī)組限制區(qū)、水力電力關(guān)聯(lián)和級(jí)聯(lián)連鎖反應(yīng)、更大范圍的消納、調(diào)峰多目標(biāo)協(xié)調(diào)等新條件、新需求,產(chǎn)生了很多世界水電史上從未有過的調(diào)度運(yùn)行難題[10],特別是大規(guī)模直流水電饋入受端后,給原本以火電為主的電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行帶來巨大沖擊,出現(xiàn)了低谷消納困難、網(wǎng)間高峰負(fù)荷博弈、消納和調(diào)峰多目標(biāo)協(xié)調(diào)、直流水電多源多網(wǎng)復(fù)雜協(xié)調(diào)等一系列新問題、新挑戰(zhàn)[11-13]。這些問題嚴(yán)重影響中國水電的調(diào)度運(yùn)行和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,在很大程度上制約了水電的規(guī)模化快速發(fā)展和全國范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。為此,本文立足于中國水電現(xiàn)在和未來發(fā)展需求,通過與世界水電大國相比,分析了中國水電跨省區(qū)輸送的主要特點(diǎn),并圍繞水電消納和調(diào)峰主線,細(xì)述了水電消納調(diào)度的發(fā)展過程和不同發(fā)展階段對水電消納問題的解決思路與技術(shù)途徑,提煉總結(jié)了四類主要水電調(diào)峰方法,概述了水電跨省區(qū)消納階段面臨的多電網(wǎng)調(diào)峰問題研究進(jìn)展,最后在分析與總結(jié)基礎(chǔ)上,提出了應(yīng)對中國水電大規(guī)模消納和響應(yīng)多電網(wǎng)復(fù)雜調(diào)峰需求的關(guān)鍵問題及技術(shù)建議。

1 中國水電跨省區(qū)輸送的主要特點(diǎn)

近幾十年,世界主要水電國家多數(shù)都經(jīng)歷了水電大規(guī)模開發(fā)和跨省、跨區(qū)，甚至跨國遠(yuǎn)距離輸送的發(fā)展過程,與美國、巴西等其他水電大國相比,中國“西電東送”工程發(fā)展速度非常驚人,在南線和中線通道已形成特高壓交直流水電輸送骨干網(wǎng)架(見附錄A圖A1),在輸送規(guī)模、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)、受端電源結(jié)構(gòu)、送端電源運(yùn)行方式、電力市場環(huán)境等方面也呈現(xiàn)出明顯不同的特點(diǎn)和復(fù)雜性。

1)輸送規(guī)模大

上文已提及,目前中國“西電東送”水電輸送規(guī)模超過70 GW,很快將達(dá)到100 GW,相當(dāng)于世界水電裝機(jī)排名第三美國的總?cè)萘?遠(yuǎn)超過水電排名第二巴西約16 GW的特高壓直流水電輸送規(guī)模,以及美國、加拿大20多 GW的跨國跨省區(qū)水電輸送能力[14-15]。在世界水電史上,類似中國如此龐大的水電遠(yuǎn)距離輸送消納規(guī)模,絕無僅有。

2)并網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜

中國特大流域巨型水電站群并網(wǎng)關(guān)系極其復(fù)雜,存在同一電站機(jī)組并入不同聯(lián)絡(luò)線,同一流域上下游、不同流域梯級(jí)水電站或機(jī)組并入同一聯(lián)絡(luò)線情況,導(dǎo)致了復(fù)雜的“異構(gòu)并網(wǎng)”問題。例如三峽,需要通過多條特高壓直流聯(lián)絡(luò)線送電華東、華中、南方三個(gè)區(qū)域電網(wǎng),而且在區(qū)域內(nèi)需要進(jìn)一步分配到多個(gè)省級(jí)電網(wǎng),電力互聯(lián)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,是伊泰普、拉格朗德二級(jí)、古里、美麗山等世界大型水電工程所無法比擬的[16-17]。

3)受端電源結(jié)構(gòu)存在顯著差異

盡管中國水能資源儲(chǔ)量和水電裝機(jī)容量均居世界首位,但從全國電源結(jié)構(gòu)整體分析,火電裝機(jī)比重仍高達(dá)64%(2016年底),西電東送多數(shù)受端電網(wǎng)的火電比重超過80%甚至90%。由于燃煤火電機(jī)組調(diào)節(jié)性能差,與直流水電的協(xié)調(diào)靈活性差,所以面臨的水電消納、調(diào)峰等問題非常突出。相對而言,巴西、加拿大、挪威等國家水電裝機(jī)比重很大,特高壓直流水電與受端電網(wǎng)電源間協(xié)調(diào)矛盾較小[18-19],美國則是燃?xì)鈾C(jī)組比重較大[20],系統(tǒng)可調(diào)容量大,調(diào)節(jié)能力強(qiáng),也未出現(xiàn)突出的水電消納和調(diào)峰難題。

4)送端水電站運(yùn)行控制要求復(fù)雜

中國“西電東送”骨干電源如三峽、溪洛渡、向家壩、小灣、糯扎渡、錦屏、龍灘等普遍具有高壩大庫、大容量、大機(jī)組、多電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)等特點(diǎn),水力電力時(shí)空耦合非常緊密,在調(diào)度運(yùn)行中,上下游電站間、時(shí)段間的出力、水頭、流量極易發(fā)生關(guān)聯(lián)和級(jí)聯(lián)變化,導(dǎo)致運(yùn)行工況預(yù)測與出力控制難度很大,為避免誘發(fā)嚴(yán)重的安全運(yùn)行問題,這些水電站送電計(jì)劃多數(shù)為不調(diào)峰出力過程或者調(diào)峰幅度很小,并沒有真正發(fā)揮水電的優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)作用,給受端電網(wǎng)水電消納帶來很大困難。

5)電力市場環(huán)境不同

中國特高壓直流水電輸送方式、電量合同、計(jì)劃安排通常需要政府部門、國家/區(qū)域/省級(jí)各級(jí)電網(wǎng)、發(fā)電集團(tuán)等多方共同商定,不同利益主體間的需求差異大幅增加了水電站調(diào)度、直流輸送計(jì)劃安排、網(wǎng)間電力和電量分配難度,這種集中調(diào)度管理方式與美國、加拿大等開放的電力市場明顯不同[21],在市場環(huán)境下,以價(jià)格為驅(qū)動(dòng),可以有效引導(dǎo)解決水電消納、調(diào)峰等關(guān)鍵問題。

總體來看,中國水電輸送的規(guī)模、并網(wǎng)方式、需要滿足的調(diào)度運(yùn)行要求和市場條件均是世界其他水電大國所未曾遇到的,如此大規(guī)模復(fù)雜互聯(lián)水電系統(tǒng)面臨的調(diào)度問題也是極富挑戰(zhàn)性的,需要結(jié)合中國水電和電網(wǎng)的特征與運(yùn)行要求,并圍繞水電消納和調(diào)峰等主要任務(wù),細(xì)致分析互聯(lián)水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行面臨的主要難題,探索破解這些難題的高效技術(shù)途徑,以更好地服務(wù)于中國水電快速發(fā)展。

2 水電受端電網(wǎng)面臨的消納和調(diào)峰問題

2.1 水電低谷消納問題

“西電東送”受端電網(wǎng)普遍以火電為主[22],例如廣東、上海、浙江、江蘇等網(wǎng)內(nèi)火電比重均超過90%,系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力通常相對較弱,尤其負(fù)荷低谷時(shí)段火電系統(tǒng)整體出力很難有效降低,使得受端電網(wǎng)低谷消納壓力隨西南直流水電饋入規(guī)模的增大也不斷加大。以上海電網(wǎng)為例,其火電比重接近100%,且絕大部分裝機(jī)來自煤電機(jī)組,由于許多自備電廠和部分供熱煤電機(jī)組無法參與負(fù)荷調(diào)節(jié)[23],再加之機(jī)組自身可調(diào)容量相對較低,豐水期直流大功率饋入情形下,即使將煤電機(jī)組最小出力壓至約48%額定連續(xù)出力,讓其深度調(diào)峰,系統(tǒng)低谷時(shí)段的總供應(yīng)能力也會(huì)明顯超過負(fù)荷需求,水電消納難度極大,這一問題已成為上海及其他水電主要受端電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行面臨的重要難題,是制約中國水電大規(guī)?？缡】鐓^(qū)輸送和發(fā)揮其優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)性能的重要因素之一。

2.2 水電消納與調(diào)峰協(xié)調(diào)問題

中國電網(wǎng)普遍存在調(diào)峰壓力[24],東中部以火電為主電網(wǎng)的壓力尤為突出,而且隨著近幾年西南水電饋入規(guī)模的增大調(diào)峰壓力也在不斷加大。上文提及,豐水期6～9月西南水電需要大功率甚至滿功率饋入受端電網(wǎng),這種情況下電網(wǎng)通常需要強(qiáng)行調(diào)停部分燃煤機(jī)組,以滿足水電大規(guī)模消納需求,但勢必會(huì)減少系統(tǒng)可調(diào)容量,削弱系統(tǒng)調(diào)峰能力,再加之特高壓直流配套水電整體調(diào)節(jié)性能較差(如上海電網(wǎng),夏秋季直流水電基本為不調(diào)峰直線計(jì)劃,春冬季最大調(diào)峰幅度也未超過額定容量的15%)[23],導(dǎo)致水電消納與電網(wǎng)調(diào)峰矛盾非常突出。這一問題實(shí)質(zhì)是西南直流水電與受端電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)電源的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是需要研究如何充分利用電源間運(yùn)行特性差異,合理高效安排電站發(fā)電計(jì)劃,以深度挖掘電源系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力;二是應(yīng)該致力于研究更加科學(xué)的直流水電輸送方式,探索如何考慮受端電網(wǎng)負(fù)荷需求和直流聯(lián)絡(luò)線輸送能力與控制要求,建立適合的水電消納優(yōu)化調(diào)度模型和方法,切實(shí)發(fā)揮西南優(yōu)質(zhì)水電的調(diào)節(jié)作用,緩解水電消納和調(diào)峰巨大壓力。

2.3 網(wǎng)間負(fù)荷博弈問題

“西電東送”直流水電通常涉及多個(gè)省級(jí)電網(wǎng),部分巨型水電站如三峽、溪洛渡的輸電聯(lián)絡(luò)線更是關(guān)聯(lián)多個(gè)區(qū)域電網(wǎng),直流水電在這些電網(wǎng)間的電量和電力分配是非常復(fù)雜的網(wǎng)間負(fù)荷博弈問題[25]。由于電源特性、負(fù)荷特性、受電量比例和規(guī)模的極大差異,現(xiàn)階段按照多方協(xié)議框架規(guī)定,采用固定比例的網(wǎng)間電力分配方式無法響應(yīng)不同電網(wǎng)的差異化負(fù)荷需求,難以實(shí)現(xiàn)水電優(yōu)化配置,很多時(shí)候甚至?xí)黾铀娤{和電網(wǎng)調(diào)峰困難,如何科學(xué)描述復(fù)雜的多電網(wǎng)電力競爭博弈關(guān)系,切實(shí)反映多利益主體不同訴求并實(shí)現(xiàn)直流水電優(yōu)化配置,是大電網(wǎng)平臺(tái)下水電運(yùn)行面臨的新的理論和實(shí)踐挑戰(zhàn)。這一問題涉及網(wǎng)省甚至網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化,核心是在基本不改變現(xiàn)有直流輸電方式的前提下,如何利用多個(gè)受端電網(wǎng)的負(fù)荷特性差異合理配置直流水電,特別是利用負(fù)荷高峰及出現(xiàn)時(shí)間不同進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間同品質(zhì)電能互濟(jì),這是解決網(wǎng)間負(fù)荷博弈問題、緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力的重要技術(shù)途徑,也是面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

綜上所述,如何通過大電網(wǎng)平臺(tái)提高西南水電消納水平以減少棄水,同時(shí)緩解受端電網(wǎng)普遍存在的調(diào)峰壓力,是中國水電調(diào)度和運(yùn)行管理面臨的重大挑戰(zhàn),已成為阻礙水電和電網(wǎng)持續(xù)、快速、規(guī)模化發(fā)展的瓶頸問題之一。上文通過分析總結(jié)中國水電主要受端電網(wǎng)面臨的低谷消納、調(diào)峰，以及網(wǎng)間負(fù)荷分配博弈等核心調(diào)度問題,以期為提高西南水電消納規(guī)模和質(zhì)量,發(fā)揮水電優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)能力提供準(zhǔn)確的研究方向。

3 中國水電消納和調(diào)峰調(diào)度研究進(jìn)展

3.1 水電消納調(diào)度研究進(jìn)展

水電系統(tǒng)經(jīng)歷了從就地消納為主到跨省、跨區(qū)域、跨國消納的發(fā)展歷程,隨著消納范圍和規(guī)模的不斷擴(kuò)大,水電運(yùn)行中的消納問題日益突出,關(guān)注與研究日益增多。在就地消納階段,水電站或水電系統(tǒng)大多是滿足某一地區(qū)或者單一省份的電力需求,這個(gè)階段的電源規(guī)模普遍較小,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對簡單[26],基本不存在因水電大規(guī)模輸送和通道限制導(dǎo)致的突出水電消納難題,所以大多數(shù)水電調(diào)度建模研究并未重點(diǎn)提及如何科學(xué)描述和求解水電消納問題,但就其實(shí)質(zhì)而言,這些報(bào)道也是建立在水電可消納基礎(chǔ)上開展的并網(wǎng)運(yùn)行研究,比較典型的研究成果如發(fā)電量最大模型[27-28],根本目的也是希望電網(wǎng)盡可能多地消納水電。

在遠(yuǎn)距離輸送消納階段,水電的輸送規(guī)模、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)的送受端電源和電網(wǎng)數(shù)量與以往不可同日而語,相關(guān)的研究也開始重點(diǎn)分析水電消納問題和探究應(yīng)對策略。這個(gè)階段的早期研究報(bào)道主要側(cè)重于定性分析,針對水電的送電范圍、送電規(guī)模、送電方式等,結(jié)合特高壓交直流聯(lián)絡(luò)線輸送能力和未來規(guī)劃,研究水電消納的可行性方案,提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh和策略。例如,Graham等專家結(jié)合巴西Belo Monte和Rio Madeira水電輸送工程,研究了特高壓直流聯(lián)絡(luò)線的最優(yōu)布局和輸電規(guī)模問題,并與中國、印度等特高壓直流水電輸送工程對比,分析了巴西水電通過大電網(wǎng)輸送消納的優(yōu)點(diǎn)[15];再如,部分研究針對中國西南水電消納問題,通過分析水電基地開發(fā)容量及受電地區(qū)電力需求情況,提出西南水電的外送方案,包括送電規(guī)模、受電市場容量及送電方向等[29-30];另有類似的有關(guān)中國三峽、巴西Itaipu、委內(nèi)瑞拉Guri、加拿大La Grande、南非Western Power Corridor等工程以及受端電網(wǎng)的許多研究,從不同角度出發(fā),針對水電輸送問題和電網(wǎng)可消納能力開展了定性分析[16,31-34]。這些成果對于水電大范圍優(yōu)化配置的整體布局與規(guī)劃有重要指導(dǎo)和參考作用,但在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,仍需要更為精細(xì)和具體的定量分析方法、建模理論與求解技術(shù),以指導(dǎo)工程實(shí)際運(yùn)行。

伴隨特高壓直流水電饋入規(guī)模急劇擴(kuò)大,水電輸送對互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行的影響明顯增大,在調(diào)度運(yùn)行中增加考慮水電消納需求、直流聯(lián)絡(luò)線控制條件和輸送限制約束得到了更多重視,出現(xiàn)了適應(yīng)水電消納的優(yōu)化調(diào)度模型。例如,三峽電力系統(tǒng)大型水電站群與三峽電站聯(lián)合運(yùn)行補(bǔ)償調(diào)度模型[35]、南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)水電系統(tǒng)可吸納電量最大模型[36]、三峽—葛洲壩全系統(tǒng)社會(huì)效益最大模型[37]等研究成果,均考慮特高壓交直流聯(lián)絡(luò)線通道能力,提出了以送端水電站群為研究對象的消納問題描述方法,以實(shí)現(xiàn)水電消納最大化或電能價(jià)值最高等目標(biāo)。這些成果理論上可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)水電全局最優(yōu)化配置,但由于缺少對受端電網(wǎng)的負(fù)荷、電源結(jié)構(gòu)、水電接納能力、消納壓力等重要因素的統(tǒng)籌考慮和細(xì)致分析,優(yōu)化得到的送電消納方案在實(shí)際執(zhí)行過程中面臨很大困難,特別是對于多個(gè)受端區(qū)域或同一區(qū)域內(nèi)多個(gè)省份間的多主體復(fù)雜協(xié)調(diào)關(guān)系,并未給出科學(xué)合理的分配準(zhǔn)則和補(bǔ)償機(jī)制,加劇了優(yōu)化方案的執(zhí)行難度。

為了促進(jìn)水電消納方案真正落地,部分學(xué)者和調(diào)度技術(shù)人員結(jié)合工程實(shí)際,開始研究影響直流水電大規(guī)模消納的重要因素及其科學(xué)描述和分析方法,期望通過指標(biāo)量化思路破解水電消納困境。這類成果按照研究對象大致可分為兩類：一是針對大區(qū)電網(wǎng)如華中、華東等,研究提出了利用省間協(xié)調(diào)提高區(qū)外水電消納能力的多種便捷途徑,并給出了計(jì)及電價(jià)和碳排放的綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),以評(píng)價(jià)消納方案的經(jīng)濟(jì)性[38];二是以省級(jí)電網(wǎng)為對象,結(jié)合電網(wǎng)自身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性、電源特性、負(fù)荷特性、送端水電規(guī)模等,引入了低谷調(diào)峰盈余、替代率等指標(biāo),探討電網(wǎng)對區(qū)外水電的接納能力[23,39]。這些研究開啟了水電消納分析的指標(biāo)化探索,但研究對象多為特定單一的受端電網(wǎng),成果的適用性和一般性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證,相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)和評(píng)價(jià)指標(biāo)無法覆蓋不同受端電網(wǎng)間的差異化特性和要求,缺少全面系統(tǒng)的綜合分析,而且對于多個(gè)受端電網(wǎng)間競爭博弈關(guān)系的描述和分析,尚未形成比較系統(tǒng)的水電消納綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分配準(zhǔn)則,需要進(jìn)行系統(tǒng)性研究,以切實(shí)適應(yīng)不同規(guī)模不同條件下水電大規(guī)模消納的實(shí)際需要。

3.2 水電調(diào)峰調(diào)度研究進(jìn)展

調(diào)峰是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要任務(wù)[40],也是中國電網(wǎng)普遍面臨的調(diào)度難題之一。水電機(jī)組因快速的啟停能力、爬坡能力，以及深度調(diào)峰能力,一直是電力系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源,針對電網(wǎng)調(diào)峰特別是水電調(diào)峰的研究也一直備受關(guān)注[41]。近幾十年的水電和電網(wǎng)調(diào)峰研究,在問題解決方式、調(diào)峰目標(biāo)描述等方面取得了長足進(jìn)展,形成了許多有參考和實(shí)用價(jià)值的研究成果。從調(diào)峰方式來看,大致可以總結(jié)為以下四種。

第一種可稱之為負(fù)荷優(yōu)化模型,即將電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線融入優(yōu)化調(diào)度模型中,針對水電調(diào)節(jié)后的余留負(fù)荷序列,采用適合的數(shù)學(xué)方法構(gòu)建調(diào)峰目標(biāo),進(jìn)而引導(dǎo)水電發(fā)揮調(diào)峰作用。目前常用的目標(biāo)函數(shù)有兩類,一是調(diào)峰電量最大[42],二是余留負(fù)荷均方差最小[43-44]。前者期望余留負(fù)荷最大值最小,屬于數(shù)學(xué)上的極大值極小問題,需要進(jìn)一步對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換,以便于優(yōu)化求解;后者期望余留負(fù)荷過程盡量平穩(wěn),優(yōu)化計(jì)算較為簡單,但主要適用于水電電量給定的情況,以保證最優(yōu)結(jié)果與原問題的等效性。

第二種為效益優(yōu)化方法,即在模型構(gòu)建中引入電價(jià)因子,由負(fù)荷的高低決定電價(jià)的大小,一般采用電價(jià)曲線或者分段電價(jià)(如峰谷電價(jià)),構(gòu)建發(fā)電效益最大模型,方法的核心就是以價(jià)格為驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)水電盡可能多地在高峰時(shí)段發(fā)電,響應(yīng)電網(wǎng)峰值負(fù)荷[45-47]。這種方法在國外成熟電力市場環(huán)境下應(yīng)用較多,不適用于中國現(xiàn)階段集中調(diào)度方式。

第三種是基于電站運(yùn)行物理機(jī)制的實(shí)用化調(diào)峰方式,例如水電站分段調(diào)峰負(fù)荷分配方法[48]、基于負(fù)荷典型的調(diào)峰幅度確定方法[49]等,基本原理都是通過分析電站調(diào)峰與負(fù)荷特性二者的內(nèi)在關(guān)系,探尋水電調(diào)峰規(guī)律,簡化水電調(diào)峰模型,進(jìn)而通過簡單的優(yōu)化手段快速獲得實(shí)用的調(diào)峰運(yùn)行計(jì)劃,這種方式能夠有效減少優(yōu)化計(jì)算量,提高結(jié)果可用性。

第四種為經(jīng)驗(yàn)調(diào)峰方法,即以實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合負(fù)荷量級(jí)、峰谷差等特性,以及水電站來水和電量控制要求,合理安排水電站在負(fù)荷圖上的工作位置,發(fā)揮水電調(diào)峰作用[50-51]。這種方式雖未進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算,但結(jié)果實(shí)用性較強(qiáng),在水電調(diào)峰優(yōu)化中,可以用來快速確定初始可行解。

從調(diào)峰對象來看,隨著水電進(jìn)入跨省跨區(qū)消納階段,調(diào)峰響應(yīng)也從單一省級(jí)電網(wǎng)逐步過渡到區(qū)域內(nèi)多個(gè)省級(jí)電網(wǎng)再到跨區(qū)電網(wǎng),從單目標(biāo)發(fā)展到多目標(biāo),從單一電網(wǎng)調(diào)峰電量控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娋W(wǎng)高峰電力協(xié)調(diào)分配。目前,有關(guān)水電和電網(wǎng)調(diào)峰的大多數(shù)研究主要集中在單一電網(wǎng),上文提及的調(diào)峰模型和方法均屬于這一類研究成果,這些成果可以為解決多電網(wǎng)調(diào)峰問題建模提供重要參考,但很難直接用于求解多電網(wǎng)調(diào)峰尤其本文網(wǎng)間高峰負(fù)荷博弈問題。對于多電網(wǎng)調(diào)峰問題的研究,從最近幾年才得到更多關(guān)注和少許文獻(xiàn)報(bào)道,程春田等在2012年率先提出了跨流域水電站群多電網(wǎng)調(diào)峰電量最大模型[52],隨后針對受端區(qū)域網(wǎng)省協(xié)調(diào)問題,提出了以各電網(wǎng)余荷均方差最小為目標(biāo)的多電網(wǎng)調(diào)峰模型,以及解決網(wǎng)間負(fù)荷分配的二次規(guī)劃方法和啟發(fā)式負(fù)荷排序搜索方法[53-55];華中科技大學(xué)周建中教授團(tuán)隊(duì)以金沙江下游梯級(jí)和雅礱江二灘跨省區(qū)送電問題為背景,也開展了這方面研究,提出了多電網(wǎng)啟發(fā)式調(diào)峰方法和水電跨省區(qū)協(xié)調(diào)分配方法[12,56-57]?？偟膩碚f,現(xiàn)階段的多電網(wǎng)調(diào)峰模型和方法仍為初步成果,遠(yuǎn)未形成比較系統(tǒng)的建模與求解方法體系,特別是對于網(wǎng)間高峰負(fù)荷競爭博弈問題,尚沒有有效的定量分析方法與準(zhǔn)則,以評(píng)價(jià)各電網(wǎng)的調(diào)峰壓力和需求程度,例如爬坡壓力、向上/向下調(diào)峰彈性、容量壓力、時(shí)段負(fù)荷調(diào)節(jié)壓力等,還不能科學(xué)準(zhǔn)確地描述各電網(wǎng)的調(diào)峰訴求,這是大電網(wǎng)平臺(tái)下水電調(diào)峰運(yùn)行研究新的發(fā)展趨勢,也是發(fā)揮西南直流水電對受端電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)作用的又一關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.3 互聯(lián)大電網(wǎng)平臺(tái)多源多網(wǎng)協(xié)調(diào)研究進(jìn)展

互聯(lián)電網(wǎng)平臺(tái)下,水電消納和調(diào)峰問題實(shí)質(zhì)是復(fù)雜的多源多網(wǎng)協(xié)調(diào)問題。過去幾十年,多源協(xié)調(diào)優(yōu)化一直是電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的熱點(diǎn)問題,也有很多研究和應(yīng)用成果報(bào)道,主要集中在水火電[58-59]、水—火—新能源[60-63]、水電與新能源[64-65]等方面,且主要面向單一電網(wǎng),針對多電網(wǎng)協(xié)調(diào)問題的研究也是隨著互聯(lián)大電網(wǎng)的形成才逐漸得到關(guān)注[66-68],而有關(guān)特高壓直流水電與受端電網(wǎng)多電源的協(xié)調(diào)研究還十分少見,綜合考慮特高壓直流水電與其他多種類型電源,以及多個(gè)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)分析是新的發(fā)展趨勢,即多源多網(wǎng)協(xié)調(diào)問題,也是應(yīng)對水電大規(guī)模消納和調(diào)峰問題必須解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。

多源多網(wǎng)協(xié)調(diào)是具有海量時(shí)空耦合約束的多目標(biāo)、多階段、多維度復(fù)雜優(yōu)化問題,呈現(xiàn)出高維、非線性、不連續(xù)、非凸和大規(guī)模特性,面臨極大的建模求解難度。近幾十年水電、水火電，以及水電與其他電源協(xié)調(diào)的研究,形成了許多有代表性的典型研究成果。就多電源協(xié)調(diào)方式而言,以大系統(tǒng)理論為代表的分解協(xié)調(diào)方法應(yīng)用最為廣泛[69-70],基本原理是將原問題按電源類型分解為多個(gè)獨(dú)立子問題,再引入拉格朗日乘子松弛負(fù)荷、備用等復(fù)雜約束,通過不斷更新調(diào)整乘子實(shí)現(xiàn)子問題間的優(yōu)化協(xié)調(diào),或者利用Benders解耦法對變量進(jìn)行合理分組,通過交互式求解協(xié)調(diào)多個(gè)子問題;就優(yōu)化方法而言,包括以線性和非線性規(guī)劃為代表的解析式規(guī)劃方法[71-72]、以動(dòng)態(tài)規(guī)劃及改進(jìn)理論為代表的多階段決策優(yōu)化方法[73-74]、以人工智能方法為代表的模擬優(yōu)化方法[75-76],有關(guān)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件和范圍,許多學(xué)者[77-81]已經(jīng)多次進(jìn)行了綜述分析,不再贅述。

4 需要研究的關(guān)鍵理論與技術(shù)問題及解決思路

為有效推進(jìn)水電消納和調(diào)峰調(diào)度理論與技術(shù)發(fā)展,切實(shí)服務(wù)于中國水電大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送,緩解西南嚴(yán)重棄水問題,下文結(jié)合中國水電主要受端電網(wǎng)的負(fù)荷和電源特點(diǎn),以及工程實(shí)際中面臨的主要難題,提煉總結(jié)了需要深入研究的關(guān)鍵理論與技術(shù)問題,并給出了適合的解決思路。

4.1 直流水電輸送方式及解決思路

中國現(xiàn)行的特高壓直流水電輸送大多從水電站自身的運(yùn)行要求或者送端電網(wǎng)電力盈余角度出發(fā)安排輸送計(jì)劃,很少顧及受端電網(wǎng)的用電需求,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“不調(diào)峰”甚至“反調(diào)峰”水電輸送計(jì)劃,像上文提及的上海,以及浙江、廣東等電網(wǎng)均面臨這種情況,所以合理高效的水電輸送方式至關(guān)重要,是大規(guī)模水電消納和調(diào)峰需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

具體來說,需要在滿足直流聯(lián)絡(luò)線輸送合同電量的條件下,研究優(yōu)化輸送計(jì)劃過程的消納模型和方法,以切實(shí)改善目前中國水電輸送“重送端輕受端”的狀況,提高受端電網(wǎng)對外來水電的消納能力;解決途徑是可將直流輸送電量作為控制條件,將受端電網(wǎng)的系統(tǒng)負(fù)荷需求納入模型當(dāng)中,并考慮聯(lián)絡(luò)線輸送能力和安穩(wěn)運(yùn)行要求,構(gòu)建實(shí)用的消納和調(diào)峰模型,需要重點(diǎn)致力研究目標(biāo)函數(shù)的描述方法和復(fù)雜聯(lián)絡(luò)線斷面約束的處理策略,以保證輸送計(jì)劃的可執(zhí)行性和實(shí)用性。另一方面,應(yīng)結(jié)合西南水電盈余和受端電網(wǎng)用電需求,分析二者的互補(bǔ)特性,研究適用于不同時(shí)空條件的水電輸送方式,包括電量輸送規(guī)模和電力計(jì)劃,以及動(dòng)態(tài)的調(diào)整策略,以適應(yīng)流域來水或者受端需求的較大變化;這是一種較為理想的消納調(diào)度方式,解決思路是可將中長期協(xié)議輸送電量作為終極控制目標(biāo),并根據(jù)已執(zhí)行情況,確定計(jì)劃調(diào)度期內(nèi)的電量增減閾值,同時(shí)結(jié)合送端各水電站來水情況以及安穩(wěn)運(yùn)行控制要求,預(yù)估各自的發(fā)電量或出力可調(diào)整范圍。當(dāng)需要增加輸送電量時(shí),以梯級(jí)蓄能降幅最小為目標(biāo),或者根據(jù)耗水率從小到大順序修正送端水電站出力;當(dāng)需要減少輸送電量時(shí),以梯級(jí)蓄能增幅最大為目標(biāo),或者根據(jù)耗水率從大到小順序修正送端水電站出力;在修正過程中,需要將受端電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)水平或節(jié)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為目標(biāo)進(jìn)行綜合考慮,以引導(dǎo)送端水電站盡可能充分響應(yīng)受端電網(wǎng)需求。

4.2 直流水電與受端電源協(xié)調(diào)問題及解決思路

上文提及,水電消納實(shí)質(zhì)涉及非常復(fù)雜的多源協(xié)調(diào),但在中國浙江、上海、江蘇、廣東等西電東送受端電網(wǎng),直流水電饋入后大多按照固定的分配方式預(yù)先從系統(tǒng)負(fù)荷需求中扣除,缺少與受端電源的有效協(xié)調(diào),這種方式?jīng)]有充分利用不同能源形式電源間的互補(bǔ)運(yùn)行特性來挖掘系統(tǒng)的整體調(diào)峰能力,以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。因此,如何有效協(xié)調(diào)外來直流水電與本地常規(guī)水電、抽蓄、火電、風(fēng)電、光伏、核電等多種電源,也是水電消納困難需要致力解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。針對該問題,具體解決途徑是在考慮直流水電輸送和電量分配的相關(guān)協(xié)議規(guī)定的條件下,分析送端電源和受電端網(wǎng)內(nèi)各種電源的發(fā)電能力、調(diào)節(jié)特性、約束和控制需求等主要因素,研究確定不同能源形式電源,以及同一類型電源不同電站的發(fā)電投入順序、提高或降低出力的優(yōu)先順序、以及出力調(diào)節(jié)能力等,以盡可能提高系統(tǒng)整體的調(diào)峰水平;同時(shí)結(jié)合不同的運(yùn)行條件,歸納總結(jié)出具有一般性的電源間調(diào)峰補(bǔ)償運(yùn)行規(guī)則和對應(yīng)的協(xié)調(diào)策略,以切實(shí)滿足工程實(shí)際中差異化的水電輸送和消納要求。

4.3 網(wǎng)省、網(wǎng)網(wǎng)電力互濟(jì)協(xié)調(diào)問題及解決思路

中國西南水電需要同時(shí)輸送到華東、南方、華中等多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)和轄屬省級(jí)電網(wǎng),這些電網(wǎng)之間的電力、電量競爭博弈關(guān)系非常復(fù)雜,既面臨區(qū)域內(nèi)網(wǎng)省協(xié)調(diào),也面臨區(qū)域間網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調(diào)問題,但現(xiàn)行的逐時(shí)段固定比例的電力分配方式并沒有考慮不同電網(wǎng)間的負(fù)荷和電源結(jié)構(gòu)差異,加重了水電消納難度和調(diào)峰壓力。因此,亟需開展多個(gè)受端電網(wǎng)間網(wǎng)省、網(wǎng)網(wǎng)電力協(xié)調(diào)研究。具體來說,應(yīng)重點(diǎn)研究網(wǎng)間電力電量博弈關(guān)系,分析各電網(wǎng)低谷時(shí)段接納直流水電的壓力極限,研究接納電量給定條件下各電網(wǎng)電力調(diào)節(jié)閾值和網(wǎng)間互濟(jì)空間,建立適合的錯(cuò)峰互濟(jì)協(xié)調(diào)策略,從而充分利用各電網(wǎng)負(fù)荷互濟(jì)特性和電源調(diào)節(jié)能力差異協(xié)調(diào)受電規(guī)模和電力大小特別是高峰電力,切實(shí)響應(yīng)多電網(wǎng)調(diào)峰需要。

解決途徑是可根據(jù)直流水電在受端電網(wǎng)間的分配關(guān)系和區(qū)域內(nèi)省間互聯(lián)網(wǎng)架,建立網(wǎng)間互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),按照從少至多、從簡至繁辨識(shí)不同電網(wǎng)組合的影響變量,研究各組合之間的影響關(guān)系,以及受電量、各時(shí)段電力分配大小對網(wǎng)間負(fù)荷博弈的影響規(guī)律;在清晰描述網(wǎng)間博弈關(guān)系基礎(chǔ)上,可結(jié)合各電網(wǎng)的高峰容量壓力、低谷容量壓力、負(fù)荷跟蹤壓力、負(fù)荷波動(dòng)程度等指標(biāo),細(xì)致分析全調(diào)度周期電網(wǎng)接納水電的彈性空間,研究局部時(shí)段特別負(fù)荷低谷、高峰期間,在滿足電量消納目標(biāo)控制的前提下,兩個(gè)電網(wǎng)間的電力調(diào)節(jié)閾值,再利用負(fù)荷差異和壓力大小,確定適合的網(wǎng)間電力互濟(jì)空間;以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步推廣到三個(gè)或者多個(gè)電網(wǎng),這種情況下需要根據(jù)兩兩電網(wǎng)組合的分析結(jié)果,推求彈性空間最大的一種電力互濟(jì)方案,并提煉總結(jié)具有一般性的網(wǎng)間電力互濟(jì)策略。

4.4 水電消納和調(diào)峰價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制及解決思路

大規(guī)模水電消納和調(diào)峰既是技術(shù)問題也涉及管理和經(jīng)濟(jì)問題,所以很有必要開展水電消納和調(diào)峰相關(guān)的價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制研究。水電和火電作為中國最主要的兩種電源,其裝機(jī)比重高達(dá)83.6%,由于水電大規(guī)模饋入受端電網(wǎng),嚴(yán)重?cái)D壓了火電發(fā)電空間,增加了火電機(jī)組的調(diào)峰損耗和低負(fù)荷率運(yùn)行的成本,這一點(diǎn)在受端南方電網(wǎng)的廣東,華東電網(wǎng)的浙江、上海、江蘇,甚至送端云南電網(wǎng)的火電企業(yè)表現(xiàn)得非常突出,因此構(gòu)建雙贏的補(bǔ)償機(jī)制極其重要。解決該問題可從三個(gè)方面著手:①開展水電消納的邊際補(bǔ)償準(zhǔn)則研究,重點(diǎn)分析由于大規(guī)模消納省外水電,導(dǎo)致的省內(nèi)并網(wǎng)電廠發(fā)電量下降規(guī)模和增加的額外輔助服務(wù)情況如調(diào)峰、自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、旋轉(zhuǎn)備用等,并建立不同情況的補(bǔ)償規(guī)則和計(jì)算方法;②打破簡單地按電量計(jì)價(jià)的方式,研究直流水電參與受端電網(wǎng)調(diào)峰等輔助服務(wù)的峰谷差異化價(jià)格機(jī)制,以價(jià)格為驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)送端電站或電網(wǎng)主動(dòng)調(diào)整水電輸送計(jì)劃,盡可能響應(yīng)受端精細(xì)化負(fù)荷調(diào)節(jié)要求;③直流水電在多個(gè)受端的網(wǎng)間電力分配問題從經(jīng)濟(jì)角度講是多個(gè)利益主體相互博弈和利益均衡的問題,所以在研究網(wǎng)省和網(wǎng)網(wǎng)協(xié)調(diào)問題過程中,需要同時(shí)研究網(wǎng)間電力互濟(jì)的調(diào)峰閾值和補(bǔ)償規(guī)則,充分考慮饋入水電在不同電網(wǎng)不同時(shí)段的價(jià)值差異,均衡各電網(wǎng)調(diào)峰效益。

5 結(jié)語

中國水電調(diào)度運(yùn)行從就地消納、單一電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)轉(zhuǎn)向到跨流域、跨省、跨區(qū)域消納和多電網(wǎng)負(fù)荷需求響應(yīng),發(fā)展速度非常驚人,給東中部受端電網(wǎng)帶來巨大的消納和調(diào)峰壓力。然而,現(xiàn)有的理論和技術(shù)難以支撐西南水電大規(guī)模饋入后的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需要,亟需研究適合大電網(wǎng)平臺(tái)的水電消納和調(diào)峰調(diào)度理論,以切實(shí)提高西南水電的消納規(guī)模和并網(wǎng)質(zhì)量。本文通過與世界水電大國對比,分析了中國水電大范圍遠(yuǎn)距離輸送的主要特點(diǎn),重點(diǎn)闡述了水電受端電網(wǎng)面臨的消納和調(diào)峰突出問題,并結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài),從水電消納、水電調(diào)峰，以及多源多網(wǎng)協(xié)調(diào)三個(gè)方面進(jìn)行了綜述分析。從水電消納來看,中國水電消納調(diào)度相關(guān)理論和技術(shù)與水電大規(guī)模跨省區(qū)輸送現(xiàn)狀不相匹配,隨著中國水電輸送規(guī)模即將突破100 GW,受端電網(wǎng)消納問題將會(huì)更加突出,與之適應(yīng)的理論方法和技術(shù)需求也更加緊迫;從水電調(diào)峰來看,作為優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)電源,針對水電調(diào)峰和水電發(fā)揮電網(wǎng)輔助服務(wù)的研究一直備受關(guān)注,國內(nèi)外相關(guān)的理論和實(shí)踐成果也非常豐富,但普遍面向單一省級(jí)電網(wǎng),還很難適用于跨省跨區(qū)多電網(wǎng)響應(yīng)問題,這方面研究成果仍處于初級(jí)階段,需要進(jìn)一步深入研究,以有效發(fā)展水電和電網(wǎng)調(diào)峰理論與技術(shù),發(fā)揮其優(yōu)質(zhì)調(diào)峰作用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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