裴哲義，孫驍強(qiáng)，王學(xué)斌，薛金淮，張小奇，向 異，趙 鑫，王鎖平，霍 超

（1．國家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；2．國家電網(wǎng)公司西北分部，陜西省西安市 710048；3．西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市 710048）

0 引言

在全球氣候變暖背景下，各國都在積極探索應(yīng)對措施，我國國家主席習(xí)近平在2020年9月22日召開的聯(lián)合國大會一般性辯論上表示：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要各行各界共同推進(jìn)全社會碳減排工作。有關(guān)研究表明，電力行業(yè)的排放占整個(gè)排放的40%。因此，大力發(fā)展新能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展，是推動我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的要求，也是我國經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。預(yù)計(jì)到2030年，我國新能源裝機(jī)規(guī)模在12億kW以上。但由于新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和反調(diào)峰等特征，以及我國清潔能源主要集中在西部地區(qū)，而負(fù)荷中心主要分布在中東部，資源與負(fù)荷呈現(xiàn)逆行分布特征，新能源不僅要在本地消納，還需要大規(guī)?？鐓^(qū)輸送，多能互補(bǔ)也需要在不同的層面和不同的時(shí)間尺度來開展。比如電源側(cè)風(fēng)、光、儲基地的優(yōu)化運(yùn)行，更重要的是依托大電網(wǎng)，開展風(fēng)、光、水、火多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度。

目前，關(guān)于多能互補(bǔ)及優(yōu)化調(diào)度方面已開展了一些研究。文獻(xiàn)[1-3]研究了水電、風(fēng)電與火電聯(lián)合互補(bǔ)運(yùn)行方式；文獻(xiàn)[4]在大電網(wǎng)平臺下，研究了利用各省級電網(wǎng)負(fù)荷互補(bǔ)特性、充分發(fā)揮常規(guī)水電、抽水蓄能、火電等電源調(diào)節(jié)性能，協(xié)調(diào)多電網(wǎng)間的電力分配方法，對緩解電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力具有一定的意義。文獻(xiàn)[5-6]采用多時(shí)間尺度滾動協(xié)調(diào)調(diào)度方法，兼顧不同時(shí)間尺度間的交互互饋，為不同時(shí)間尺度的電網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃制定提供了參考。文獻(xiàn)[7]以金沙江上游典型電站為研究對象，研究了水電、光伏和風(fēng)電出力特性在年內(nèi)和日內(nèi)的互補(bǔ)性，提出了水光風(fēng)互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行方式，能在一定程度上降低風(fēng)電、光伏等波動性能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[8]提出了水電補(bǔ)償風(fēng)電的理論研究，為混合能源系統(tǒng)提供理論支撐。文獻(xiàn)[9-11]從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境角度出發(fā)，考慮氣候變化及對清潔能源的要求，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，引入“能源環(huán)境效益”概念，對包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了揭示電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，綜合度量了風(fēng)電波動的可能性和嚴(yán)重性，計(jì)及柔性負(fù)荷的調(diào)峰特點(diǎn)，建立了計(jì)及大規(guī)模風(fēng)電和柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)供需側(cè)聯(lián)合隨機(jī)調(diào)度模型。以上研究探究了多能互補(bǔ)方式對緩解了電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力的貢獻(xiàn)，為新能源的大規(guī)模上網(wǎng)提供借鑒。

本文以西北電網(wǎng)為研究對象，分析西北電網(wǎng)新能源消納現(xiàn)狀和存在的主要問題，研究水電運(yùn)行方式下水、火、新能源互補(bǔ)調(diào)度對新能源消納的影響，并介紹了西北電網(wǎng)開展水、火及新能源互補(bǔ)調(diào)度的實(shí)踐成就。

1 西北電網(wǎng)基本情況和特點(diǎn)

1．1 西北電網(wǎng)和電源結(jié)構(gòu)

1.1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

西北電網(wǎng)由陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆五省（區(qū)）電網(wǎng)組成，如圖1所示。供電范圍占中國陸地面積的近三分之一，形成了世界上面積最大的750kV同步電網(wǎng)，單一斷面輸送功率超過千萬千瓦，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“長鏈?zhǔn)健薄皢♀徯汀碧攸c(diǎn)，東西電網(wǎng)之間形成1700km“日字型”通道，形成三大直流群、五大負(fù)荷中心、八大新能源基地。建成外送直流11條，設(shè)計(jì)容量超過7000萬kW。目前，電網(wǎng)最大負(fù)荷超過11000萬kW，清潔能源裝機(jī)占比超過50%，電網(wǎng)總體呈現(xiàn)清潔能源高占比和大送端的特點(diǎn)。

圖1 西北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of Northwest China Grid

1.1.2 電源結(jié)構(gòu)

近年來，西北新能源發(fā)展迅猛，裝機(jī)占比持續(xù)提升，特高壓直流不斷建成，西北已成為水、火、風(fēng)、光多類型電源的堅(jiān)強(qiáng)送端電網(wǎng)。西北地區(qū)新能源資源富集，煤炭儲量豐富，且具有豐富的水電資源，黃河上中游已建成千萬千瓦規(guī)模的梯級水電。截至2021年底，西北電網(wǎng)總裝機(jī)容量達(dá)3.37億kW，其中火電裝機(jī)容量1.58億kW，約占全網(wǎng)各類電源總裝機(jī)容量的46.7%，水電裝機(jī)容量0.346億kW，占比為10.25%，新能源裝機(jī)容量1.42億kW，占比為42.23%。風(fēng)電和光伏裝機(jī)均超過水電，成為第二和第三大電源，合計(jì)裝機(jī)已接近火電裝機(jī)，詳見表1。而且電源分布不均，新能源主要分布在青海、新疆和甘肅，火電主要分布在陜西，而水電主要分布青海和甘肅的黃河上游，形成了以龍羊峽為龍頭的千萬級巨型梯級水電群，總裝機(jī)約14000MW。詳見表1，圖2和圖3。

表1 2021各電源裝機(jī)及比例Table 1 Installed capacity and proportion of Multi-type power in 2021

圖2 2021年底西北電網(wǎng)各省區(qū)各電源裝機(jī)分布圖Figure 2 Multi-type power installed capacity of each province in Northwest Power Grid at the end of 2021

圖3 黃河上游梯級水電站分布圖Figure 3 Distribution of cascade hydropower stations in the upper Yellow River

1．2 西北電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)

1.2.1 水電的運(yùn)行特點(diǎn)和要求

西北電網(wǎng)主要調(diào)峰電源為水電和火電，具有良好調(diào)節(jié)能力的水電站主要集中于黃河上游，黃河上游梯級水電站群總裝機(jī)容量13990MW，見圖3。其中，六座百萬千瓦級以上的水電站（龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽和劉家峽）總裝機(jī)容量10250MW。龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽和積石峽分布于青海省，劉家峽水電站位于甘肅省。但是，黃河上游梯級電站是國內(nèi)綜合運(yùn)用要求最高的梯級水電站。水電除擔(dān)任電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)外，還要保證下游供水、灌溉、防汛和防凌等綜合利用需求。同時(shí)，調(diào)度關(guān)系相對比較復(fù)雜。電力調(diào)度由西北電網(wǎng)負(fù)責(zé)，而水量調(diào)度由水利部黃河水利委員會負(fù)責(zé)，黃河水利委員會直接調(diào)到兩個(gè)最關(guān)鍵的龍頭龍羊峽和最后一個(gè)具有調(diào)節(jié)性能的劉家峽水庫。由于綜合應(yīng)用任務(wù)比較重，長期以來，黃河上中游水庫調(diào)度實(shí)行“以水定電”模式，作為梯級龍頭的龍羊峽水庫日出庫流量嚴(yán)格執(zhí)行黃河水利委員會指令，而梯級末端的劉家峽水庫由于下游綜合利用約束基本無太大調(diào)整空間，由此限制了黃河上中游梯級水電群，尤其是青海境內(nèi)水電的調(diào)度靈活性。同時(shí)，劉家峽水電站的出庫過程被嚴(yán)格控制，不能因電網(wǎng)調(diào)峰需求而引起流量劇烈波動，大幅降低了劉家峽水電站調(diào)峰能力。

1.2.2 新能源運(yùn)行特點(diǎn)

（1）新能源隨機(jī)性、波動性強(qiáng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，西北新能源發(fā)電功率最大日峰谷差超過6500萬kW，是負(fù)荷峰谷差的2.6倍，如圖4所示。新能源相鄰日發(fā)電量最大波動為3.91億kW·h，相當(dāng)于30臺60萬kW火電裝機(jī)容量啟停調(diào)峰電量，給常規(guī)電源調(diào)峰提出很高的要求。同時(shí)，新能源具有難預(yù)測的特點(diǎn)，如圖5所示，同樣的預(yù)測模型、不同日條件下，新能源預(yù)測準(zhǔn)確率差異明顯，給運(yùn)行方式安排帶來很大挑戰(zhàn)。

圖4 西北新能源日內(nèi)波動峰谷差Figure 4 Peak-valley fluctuation of new energy output in Northwest China Grid

圖5 不同日西北新能源功率預(yù)測曲線Figure 5 The forecasting curve of new energy output in Northwest China grid on different days

（2）季節(jié)間與水電存在互補(bǔ)性。

用風(fēng)電理論小時(shí)數(shù)表示風(fēng)電資源，如圖6所示，從資源窗口期看，西北多年風(fēng)電理論小時(shí)月際分布規(guī)律接近。大資源窗口期出現(xiàn)在一季度末至二季度，小資源窗口期主要集中在冬季。3～5月的單月資源小時(shí)數(shù)顯著高于全年平均水平，而此時(shí)是正好是水電枯水期，呈現(xiàn)“風(fēng)多水少”的特點(diǎn)。7～9月黃河進(jìn)入主汛期，而風(fēng)電發(fā)電資源已較春季顯著降低，呈現(xiàn)“水多風(fēng)少”的特點(diǎn)，水電和風(fēng)電資源的時(shí)間分布上具有天然的互補(bǔ)性。

圖6 西北風(fēng)電近年及多年平均資源曲線Figure 6 Monthly and long-time wind power resource curve

1.2.3 火電運(yùn)行特點(diǎn)

目前，火電依然是西北電網(wǎng)最主要的電源，不僅是電網(wǎng)電力供應(yīng)的主力軍，也是電網(wǎng)主要的調(diào)節(jié)資源，對全網(wǎng)的電力電量平衡以及頻率、電壓穩(wěn)定等方面都起著重要的作用。但火電裝機(jī)中約47%為供熱機(jī)組，約20%為自備機(jī)組，供熱機(jī)組供暖期調(diào)峰能力有限，自備機(jī)組多不參與系統(tǒng)調(diào)峰。特別是由于西北電網(wǎng)水電較多，電網(wǎng)調(diào)峰長期依靠水電，純凝火電機(jī)組的調(diào)峰能力不足。因此，西北電網(wǎng)雖然火電裝機(jī)較多，但實(shí)際調(diào)峰能力并不是非常突出，如在規(guī)?；_展火電靈活性改造之前，西北電網(wǎng)火電平均深調(diào)能力僅為40%，調(diào)峰性能難以適應(yīng)高比例新能源電網(wǎng)的運(yùn)行需求。

1.2.4 電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)

西北電網(wǎng)火電主要在陜西和新疆，水電主要在甘肅和青海，新能源在各?。▍^(qū)）均有較大體量，主要集中在河西走廊以西。從電源分省分布來看，西北電網(wǎng)地域面積廣、資源分布跨度大的現(xiàn)實(shí)情況，決定了新能源消納和系統(tǒng)調(diào)峰將通過大范圍潮流轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)，電網(wǎng)運(yùn)行主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是潮流分布以西電東送為主。新能源集中在河西走廊以西，新能源消納壓力大；負(fù)荷中心集中在東部，常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力相對較強(qiáng)，新能源消納需要大范圍潮流轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)明顯的“西電東送”特征。二是水電全網(wǎng)統(tǒng)一平衡。隨著各省新能源，特別是光伏裝機(jī)容量比例的不斷增加，黃河水電要承擔(dān)全網(wǎng)光伏的調(diào)峰任務(wù)，需要納入整個(gè)西北電網(wǎng)統(tǒng)一平衡。三是高占比新能源電網(wǎng)平衡問題日益突出。高峰時(shí)段電力供應(yīng)對新能源的依賴隨之提高，午間時(shí)段調(diào)峰、高峰時(shí)段供應(yīng)保障的平衡矛盾日趨突出，電網(wǎng)運(yùn)行方式安排難度不斷加大，亟需通過全網(wǎng)統(tǒng)一平衡來應(yīng)對新能源波動及預(yù)測偏差。四是新能源消納對外送的依賴較大。新能源裝機(jī)容量體量大，本地負(fù)荷小，無法完全消納，在新能源尖峰出力時(shí)段，網(wǎng)內(nèi)調(diào)節(jié)能力可能無法滿足要求，需要依靠跨區(qū)直流外送消納富余新能源電力電量。

以上分析可見，隨著新能源的逐步增加，電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，新能源消納矛盾也越來越突出。如何依托大電網(wǎng)，根據(jù)各電源的運(yùn)行特性和要求，進(jìn)行多電源的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，在保證電網(wǎng)安全的前提下實(shí)現(xiàn)新能源的充分消納是必須解決的問題。

2 多能源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

西北電網(wǎng)的水—火—風(fēng)—光多能互補(bǔ)問題可概括為通過聯(lián)合調(diào)度青海電網(wǎng)中的水電和西北電網(wǎng)中火電等可調(diào)電源，并通過青海地理聯(lián)絡(luò)線與西北電網(wǎng)其他省網(wǎng)進(jìn)行電力電量交換，平衡西北電網(wǎng)新能源出力變化和負(fù)荷變化造成的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，提高西北電網(wǎng)的新能源消納量，實(shí)現(xiàn)新能源消納量最大的目的。

2．1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)以上分析，本文選擇新能源消納量最大作為模型的目標(biāo)函數(shù)。

2．2 約束條件

模型約束條件主要包含電力系統(tǒng)約束和水庫相關(guān)約束，電力系統(tǒng)約束見式（2）～式（6）；水庫相關(guān)約束見式（7）～式（11）。

3 方案設(shè)置和結(jié)果分析

3．1 影響新能源消納水平因素分析

3.1.1 水電的運(yùn)行方式

新能源的波動性、間歇性對電網(wǎng)的靈活性提出了新的要求，特別是電網(wǎng)的調(diào)峰能力。而水電具有啟動速度快，調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢，是電網(wǎng)內(nèi)比較好的調(diào)峰資源。由于水電的運(yùn)行方式直接影響到水電的調(diào)峰能力，并進(jìn)而影響到新能源的消納水平，因此，西北電網(wǎng)水電運(yùn)行方式，特別是黃河上中游梯級水電站的運(yùn)行方式，很大程度上決定了梯級水電站的調(diào)峰能力，直接影響新能源的消納水平。

3.1.2 火電的調(diào)峰能力

作為電網(wǎng)主要電源的火電，不僅是電網(wǎng)電力供應(yīng)的主力軍，也是電網(wǎng)主要的調(diào)節(jié)資源，調(diào)節(jié)能力大小會直接影響到新能源的消納水平。但西北電網(wǎng)火電裝機(jī)中約47%為供熱機(jī)組，約20%為自備機(jī)組，供熱機(jī)組供暖期調(diào)峰能力有限，自備機(jī)組多不參與系統(tǒng)調(diào)峰，西北電網(wǎng)火電靈活性不足。

3.1.3 新能源出力的可靠性

傳統(tǒng)電網(wǎng)的備用，主要考慮負(fù)荷預(yù)測偏差（負(fù)荷備用）和主要設(shè)備故障（事故備用）對安全運(yùn)行的影響。而高占比新能源電網(wǎng)除以上兩個(gè)因素外還要考慮新能源隨機(jī)性和波動性對電網(wǎng)安全的影響。隨著新能源裝機(jī)比例的不斷提升，新能源出力的可靠性對電網(wǎng)平衡和新能源自身消納能力日益重要。此外，新能源消納又要求盡可能降低火電開機(jī)，在新能源“波動大”和“預(yù)測難”的客觀情況下，又可能與電網(wǎng)供電全構(gòu)目標(biāo)成矛盾。尋找新能源的可信出力，將新能源科學(xué)納入電網(wǎng)備用管理，是統(tǒng)籌電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和新能源消納的經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

3．2 方案設(shè)置

根據(jù)上述分析，根據(jù)水—火—風(fēng)—光電站可能組合情景，設(shè)置4種不同方案開展計(jì)算分析。

3.2.1 水電站日約束條件下水—火—風(fēng)—光電站聯(lián)合優(yōu)化方案（基礎(chǔ)方案）

遵循“以水定電”運(yùn)行方式的水電站在進(jìn)行發(fā)電調(diào)度時(shí)需優(yōu)先滿足供水、生態(tài)、防洪、防凌等其他綜合利用任務(wù)。通常情況下，梯級水電站日發(fā)電用水量是根據(jù)綜合用水需求確定的，不同日間的發(fā)電水量不做調(diào)整，則其日發(fā)電量和調(diào)峰能力受綜合利用需求制約。該方案設(shè)定為黃河上游梯級電站僅開展日內(nèi)調(diào)節(jié)，火電按照常規(guī)調(diào)峰計(jì)算，新能源不納入保證出力平衡，這也是黃河上游梯級電站多年來的最基本的運(yùn)行方式和要求。

3.2.2 水電跨日調(diào)節(jié)的水—火—風(fēng)—光電站聯(lián)合優(yōu)化方案（方案1）

梯級水電站跨日調(diào)節(jié)指的是梯級水電在考慮一定時(shí)段內(nèi)（如旬、月）綜合利用需求的前提下，根據(jù)電力系統(tǒng)日間發(fā)電需求變化而動態(tài)調(diào)整水電站不同日間發(fā)電用水量的一種運(yùn)行模式。則在該模式下，水電站可根據(jù)系統(tǒng)中新能源發(fā)電情況而優(yōu)化不同日間水電發(fā)電用水量，使梯級水電站以一種更有利于電網(wǎng)調(diào)峰的狀態(tài)運(yùn)行，從而更好地發(fā)揮梯級水電站的調(diào)節(jié)性能，有利于發(fā)揮梯級水電站的發(fā)電靈活性。

方案1中水電設(shè)定為滿足黃河流域水量調(diào)度部門下達(dá)的旬下泄水量調(diào)度指令，根據(jù)不同日間新能源發(fā)電量大小變化，優(yōu)化梯級水電站日間發(fā)電水量。火電按照常規(guī)調(diào)峰計(jì)算，新能源不納入保證出力平衡。通過開展跨日調(diào)節(jié)，使得水電具備了更加寬松的調(diào)節(jié)范圍，還可以考慮不同日期的新能源差異進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。

3.2.3 考慮火電深度調(diào)峰能力下的水—火—風(fēng)—光聯(lián)合優(yōu)化方案（方案2）

在旬下泄流量約束、梯級水電站跨日調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮火電深度調(diào)峰運(yùn)用時(shí)，通過水、火、新能源聯(lián)合調(diào)度，系統(tǒng)可達(dá)到的新能源最大消納量。方案2重點(diǎn)研究放松水量約束并采用火電深度調(diào)峰方式時(shí)，各類型電源的優(yōu)化運(yùn)行過程。

3.2.4 考慮新能源出力納入備用的水—火—風(fēng)—光聯(lián)合優(yōu)化方案（方案3）

在方案2的基礎(chǔ)上，再更進(jìn)一步加入新能源承擔(dān)系統(tǒng)備用措施，即根據(jù)新能源的穩(wěn)定出力減少電力系統(tǒng)中常規(guī)電源開機(jī)臺數(shù)。通過方案3，可研究不同保證率新能源納入平衡對新能源消納量的影響。該方案同時(shí)滿足旬水量約束、火電深度調(diào)峰約束以及新能源備用容量約束。

3．3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.3.1 基礎(chǔ)方案結(jié)果分析

基礎(chǔ)方案完全滿足梯級水電站日出庫水量約束，梯級水電站只能進(jìn)行日內(nèi)優(yōu)化。取2020年3月某一典型旬進(jìn)行計(jì)算?；A(chǔ)方案中龍羊峽出庫流量嚴(yán)格按照每日561m3/s控制，最大開機(jī)為4機(jī)128萬kW；劉家峽出庫流量按照372m3/s控制，最大開機(jī)為7機(jī)165萬kW。西北電網(wǎng)最大發(fā)電負(fù)荷為1.07億kW·h，負(fù)荷率為90%，系統(tǒng)上備用按照2%考慮。未開展靈活性改造條件下，考慮小機(jī)組、供熱機(jī)組等調(diào)峰能力有限，西北全網(wǎng)火電綜合調(diào)峰率為30%。計(jì)算結(jié)果如表2所示。運(yùn)行過程如圖7所示。

表2 2020年典型旬實(shí)際運(yùn)行情況和基礎(chǔ)方案發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表Table 2 The table of generation production of the real scenario and the control scenario during typical ten-day periods in 2020

圖7 典型旬各電源實(shí)際運(yùn)行情況與基礎(chǔ)方案發(fā)電過程對比Figure 7 The output profile of the real scenario and the control scenario of multi-type power in typical ten-day periods

圖7為典型旬基礎(chǔ)方案各電源運(yùn)行過程與實(shí)際情況出力過程。從圖7可以看到，滿足日水量約束不變的基礎(chǔ)優(yōu)化方案與在實(shí)際運(yùn)行過程高度一致，且水—火—風(fēng)—光電站運(yùn)行過程呈現(xiàn)出明顯的互補(bǔ)態(tài)勢。在新能源出力高峰期，水電和火電出力變小。需要特別指出的是，水電和火電的運(yùn)行方式與傳統(tǒng)的行為完全不同，傳統(tǒng)的電網(wǎng)中水電和新能源是隨負(fù)荷而動。而在當(dāng)前的電網(wǎng)中，水電和火電的具體運(yùn)行態(tài)勢是隨新能源而動。最突出的不同是在白天光伏大發(fā)時(shí)段，水電和火電也按最小方式運(yùn)行。這也是新能源高占比電力系統(tǒng)傳統(tǒng)電源的角色轉(zhuǎn)換和運(yùn)行的典型特征。

3.3.2 方案1結(jié)果分析

方案1放開梯級水電站日出庫水量約束，控制黃河上游梯級水電站的旬出庫水量。具體計(jì)算條件為龍羊峽下泄流量按照每旬561m3/s控制，每日出庫流量在170～1180m3/s范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，劉家峽出庫流量維持372m3/s，其余邊界條件同基礎(chǔ)方案。

計(jì)算結(jié)果如表3所示，基礎(chǔ)方案和方案1下不同類型電源的運(yùn)行過程如圖6所示。

表3 2020年典型旬基礎(chǔ)方案與方案1發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表Table 3 The table of generation production of the control scenario and scenario 1 during typical ten-day periods in 2020

由表3可知，與基礎(chǔ)方案相比，方案1水電發(fā)電量減少0.78%，主要原因是采用了水電跨日調(diào)節(jié)手段，水電更多地承擔(dān)變動負(fù)荷，對水電機(jī)組運(yùn)行效率產(chǎn)生一定影響。與此同時(shí)，在該模式下，由于水電不同日間可進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，在新能源連續(xù)出力偏小時(shí)，水電可有效增加出力，因此減少了電力系統(tǒng)對火電的發(fā)電需求，有效節(jié)省了0.54%的火電發(fā)電量，有利于電力系統(tǒng)的節(jié)能減排。方案1中新能源的發(fā)電量增加了1.94%。運(yùn)行過程見圖8。

圖8 典型旬各電源基礎(chǔ)方案和方案1發(fā)電過程對比Figure 8 The output profile of the control scenario and the scenario 1 of multi-type power in typical ten-day periods

從圖8可以看到，相比于基礎(chǔ)方案運(yùn)行過程，方案1新能源發(fā)電峰值更大，計(jì)算時(shí)段內(nèi)優(yōu)化發(fā)電量大于實(shí)際發(fā)電量，說明采用方案1中水電跨日調(diào)節(jié)手段可更好地發(fā)揮梯級水電站的調(diào)峰能力，進(jìn)一步給新能源消納提供便利條件。由基礎(chǔ)方案運(yùn)行過程和方案1優(yōu)化結(jié)果對比還可發(fā)現(xiàn)，方案1中新能源出力高峰期的水電出力更小，是因?yàn)樗娍缛照{(diào)節(jié)方式下，新能源出力連續(xù)偏大時(shí)段，水電可以儲存更多水能，并在新能源出力連續(xù)偏小時(shí)增發(fā)水電。即方案1中水電跨日調(diào)節(jié)更加靈活，調(diào)峰能力顯著增強(qiáng)。

3.3.3 方案2結(jié)果分析

方案2在方案1的基礎(chǔ)上考慮了火電的深度調(diào)峰措施。在充分挖掘旬尺度水電調(diào)峰能力后，為進(jìn)一步滿足高比新能源運(yùn)行和消納需求，需考慮火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造等措施，以增加系統(tǒng)調(diào)峰能力。在嚴(yán)格控制旬下泄流量的基礎(chǔ)上，考慮火電調(diào)峰率從30%增加到50%，通過水—火—風(fēng)—光電源聯(lián)合調(diào)度，研究新能源增加的消納量以及各個(gè)電源的配合過程。

計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，與方案1相比，方案2中水電發(fā)電量基本保持不變，火電發(fā)電量減少了1.45%，而新能源的發(fā)電量增加了4.22%。

表4 2020年典型旬方案1與方案2發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表Table 4 The table of generation production of the scenario 1 and scenario 2 during typical ten-day periods in 2020

方案1與方案2中各類電源發(fā)電過程如圖9所示。從圖9中可以看出，相比方案1，方案2火電調(diào)峰深度增加明顯，新能源發(fā)電消納量明顯增加；水電出力過程基本與方案1一致，這說明火電調(diào)峰深度的增加并不影響水電運(yùn)行。

圖9 典型旬各電源方案1和方案2發(fā)電過程對比Figure 9 The output profile of the scenario 1 and the scenario 2 of multi-type power in typical ten-day periods

3.3.4 方案3結(jié)果分析

在水電跨日調(diào)節(jié)和火電靈活性改造手段用盡后，若要繼續(xù)提高新能源消納水平，還可考慮將新能源納入平衡，替代火電開機(jī)。本文中，方案3在方案2的基礎(chǔ)上考慮了將新能源穩(wěn)定出力納入系統(tǒng)平衡，相應(yīng)替代火電開機(jī)數(shù)量。具體考慮將新能源按100%保證出力，即990MW納入平衡，同步降低火電機(jī)組開機(jī)容量，增加新能源消納空間。

模型優(yōu)化結(jié)果如表5所示。與方案2相比，方案3水電過程基本無變化，新能源出力在高峰期增加，對應(yīng)的火電出力有一定幅度的減小。從表5得知，火電出力減少了1.25%、新能源的發(fā)電量增加2.56%。

表5 2020年典型旬方案2與方案3發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表Table 5 The table of generation production of the scenario 2 and scenario 3 during typical ten-day periods in 2020

圖10為方案2與方案3中各類電源發(fā)電過程。從圖10中可以看出，相比方案2，在新能源出力最大時(shí)，方案3中火電機(jī)組出力有所降低，但降幅并不明顯。說明當(dāng)時(shí)新能源電站有效出力較小，只能在新能源棄電時(shí)段增減少量新能源消納量。

圖10 典型旬各電源方案2出力和方案3發(fā)電過程對比Figure 10 The output profile of the scenario 2 and the scenario 3 of multi-type power in typical ten-day periods

相比基礎(chǔ)方案，方案1、方案2和方案3的新能源分別增加了1.94%、4.22%和2.44%。結(jié)果分析結(jié)果表明，在新能源占比逐步提高的電力系統(tǒng)，為更好地消納新能源，傳統(tǒng)電源的運(yùn)行方式會隨著新能源占比的提高而改變。研究結(jié)果還表明，依托大電網(wǎng)開展常規(guī)電源與新能源的優(yōu)化調(diào)度，有利于提升新能源的消納水平。

4 應(yīng)用實(shí)踐

多年來西北電網(wǎng)根據(jù)新能源發(fā)展的情況，適時(shí)調(diào)整水電的運(yùn)行方式。推進(jìn)火電靈活性改造，加大火電的調(diào)峰深度。探索分析新能源的運(yùn)行規(guī)律，將新能源納入平衡備用，不斷提升新能源的消納水平，取得顯著成效。

4．1 優(yōu)化水電方式

西北電網(wǎng)在水電優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)本研究成果，商請黃河水利委員會同意，組織開展了龍羊峽水庫不同出庫模式（旬、月、季）下的水電及新能源優(yōu)化調(diào)度試點(diǎn)和應(yīng)用。實(shí)踐表明，龍羊峽水庫在滿足日最小下泄流量的基礎(chǔ)上按照月出庫流量進(jìn)行控制，日出庫流量跨日調(diào)節(jié)；梯級其他水電站水位按照上、下限來控制，梯級末端的劉家峽水庫兜底平衡，可以最大程度地發(fā)揮梯級水庫聯(lián)合調(diào)度優(yōu)勢，促進(jìn)新能源消納的效果也最為顯著。2021年10月試點(diǎn)以來，黃河梯級水電出力壓縮至最小100萬kW，增加午間新能源消納能力約1000萬kW·h。龍羊峽水電站和整個(gè)梯級電站的典型運(yùn)行方式圖詳見圖11和圖12。

圖11 龍羊峽電站典型日運(yùn)行Figure 11 Typical daily output profile of Longyangxia hydropower station

圖12 黃河上游梯級電站典型日運(yùn)行圖Figure 12 Typical daily output profile of cascade power stations in the upper Yellow River

從圖11和圖12 可以看出，無論是單一水電站還是整個(gè)黃河梯級電站群運(yùn)行方式與傳統(tǒng)的方式完全相反，呈現(xiàn)晚上出力高，中午比較低特點(diǎn)，這是因?yàn)橹形珉娋W(wǎng)光伏大發(fā)，整個(gè)水電配合調(diào)低出力。

從整個(gè)電網(wǎng)來看，全網(wǎng)水電運(yùn)行與光伏運(yùn)行也呈現(xiàn)明顯的互補(bǔ)特性，這是由于在中午光伏大發(fā)期間，其他水電與黃河梯級水電一樣，必須壓低出力，配合光伏調(diào)峰運(yùn)行，詳見圖13。

圖13 西北電網(wǎng)水電與光伏配合典型日運(yùn)行圖Figure 13 Typical daily output profile of hydropower and photovoltaic in cooperation mode in Northwest China Grid

4．2 深挖火電調(diào)峰能力

增加火電調(diào)峰能力，提高火電靈活性，主要是指增加火電機(jī)組的出力變化范圍，響應(yīng)負(fù)荷變化或調(diào)度指令的能力，是指增加火電機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定、清潔、高效運(yùn)行能力?；痣姀S根據(jù)自身發(fā)電設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和用戶用能需求，從制煤系統(tǒng)，鍋爐系統(tǒng)、汽機(jī)系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等多個(gè)方面進(jìn)行改造技術(shù)路線分析，做出技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，得到最佳的技術(shù)方案。目前實(shí)際應(yīng)用的主要技術(shù)方案有：汽輪機(jī)旁路抽汽供熱技術(shù)、低壓缸零出力供熱技術(shù)、汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)、電鍋爐供熱技術(shù)等。

根據(jù)本文研究方案，西北電網(wǎng)不斷推進(jìn)火電調(diào)峰能力改造，目前已完成火電靈活性改造容量8858萬kW，提高火電調(diào)峰能力近900萬kW。提高新能源消納超100億kW·h，對新能源利用率貢獻(xiàn)約5個(gè)百分點(diǎn)。預(yù)計(jì)隨著火電靈活性改造的推進(jìn)，由此釋放的新能源調(diào)峰能將超過2600萬kW。圖14為近兩年西北公網(wǎng)主力火電機(jī)組平均深調(diào)能力變化圖。

圖14 近兩年西北公網(wǎng)主力火電機(jī)組平均深調(diào)能力Figure 14 The average peak shaving ability of thermal power units in Northwest China grid during 2020 and 2021

在實(shí)際運(yùn)行中，火電同水電一樣，與傳統(tǒng)的方式完全相反，火電的運(yùn)行方式也發(fā)生了根本的變化，呈現(xiàn)晚上出力高，中午比較低特點(diǎn)，這也是因?yàn)橹形珉娋W(wǎng)光伏大發(fā)，火電調(diào)低出力配合光伏調(diào)峰運(yùn)行，詳見圖15。

圖15 西北電網(wǎng)水、火、新能源典型日運(yùn)行圖Figure 15 Typical daily output profile of hydropower，thermal and new energy in Northwest China Grid

4．3 提高新能源預(yù)測水平，將更多新能源納入平衡

4.3.1 提升新能源的預(yù)測水平

圖16 為2018～2021年西北風(fēng)電日前預(yù)測散點(diǎn)圖，從實(shí)際功率與預(yù)測功率的相對關(guān)系可見，2020年和2021年的預(yù)測和實(shí)際的相關(guān)性較2018年和2019年有顯著提升，樣本距離坐標(biāo)軸45°線位置更加聚集，離群點(diǎn)更少。按照國標(biāo)要求，風(fēng)電短期預(yù)測均方根誤差不超過17%，光伏不超過15%，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，風(fēng)、光預(yù)測的年均均方根誤差均在6%以內(nèi)，均滿足國標(biāo)要求。整體而言，近兩年西北新能源預(yù)測準(zhǔn)確率基本達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的水平，給新能源納入平衡奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖16 西北風(fēng)電逐年預(yù)測分布圖Figure 16 The forecast wind power output and actual output in Northwest China Grid during 2018—2021

4.3.2 提升新能源平衡能力

新能源的間歇性波動性特征給新能源納入平衡提出了很大挑戰(zhàn)。一定保證率下新能源的預(yù)測準(zhǔn)確率可以認(rèn)為是新能源在一定概率下的可信出力，可作為新能源安全、可靠納入平衡替代的依據(jù)。以2017年數(shù)據(jù)為例，西北新能源95%保證率對應(yīng)的預(yù)測準(zhǔn)確率為30%，即全年95%的時(shí)間內(nèi)，新能源實(shí)際值在預(yù)測值的30%以上。例如，當(dāng)新能源預(yù)測值為1000萬kW·h，其實(shí)際值95%的概率為300萬kW，實(shí)際運(yùn)行中可以將300萬kW納入平衡，替代火電開機(jī)，為新能源消納騰出一定的空間。以2019年為例，按照98%～100%的保證率對應(yīng)地保證預(yù)測準(zhǔn)確率，將新能源納入平衡替代，使得常規(guī)電源備用常態(tài)化保持在-200萬kW左右，增加新能源消納電量約118億kW·h，占新能源消納總量的8.73%。目前隨著新能源預(yù)測準(zhǔn)確率的不斷提升，新能源預(yù)測納入平衡的比例已超過40%，常規(guī)電源平均負(fù)備用達(dá)到-800萬kW，有效提升了新能源消納能力。

綜上，西北電網(wǎng)研究和應(yīng)用結(jié)果表明，采取水電跨日調(diào)節(jié)措施、火電深度調(diào)峰措施和將新能源納入平衡備用，可有效提高西北電網(wǎng)新能源消納空間。但由于西北電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量基數(shù)大，為了更進(jìn)一步提升新能源利用效能，還需繼續(xù)研究加強(qiáng)跨省跨區(qū)電網(wǎng)互濟(jì)、市場機(jī)制創(chuàng)新、負(fù)荷側(cè)響應(yīng)、儲能調(diào)節(jié)等提高新能源消納的方法，合力提升西北電網(wǎng)新能源消納。

5 結(jié)語

通過對西北電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、新能源消納影響因素的分析，構(gòu)建西北電網(wǎng)水—火—風(fēng)—光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，通過模型優(yōu)化計(jì)算，分析不同方案對新能源消納的影響，進(jìn)而提出了提高新能源消納量的三種主要措施。并通過近幾年西北電網(wǎng)消納新能源的實(shí)踐分析，驗(yàn)證了理論研究的正確性。為高比例新能源電網(wǎng)多電源優(yōu)化調(diào)度提供了理論支撐。主要結(jié)論如下：

（1）依托大電網(wǎng)開展水火風(fēng)光聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是提升新能源消納水平的有效手段。近年來，西北電網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)?？焖僭黾樱L(fēng)電和光伏裝機(jī)均超過水電，成為第二和第三電源。在發(fā)電占比超過40%，發(fā)電滲透率接近50%的情況下，西北電網(wǎng)通過采取優(yōu)化水電的運(yùn)行方式，加大火電的調(diào)控力度，以及不斷提升新能預(yù)測水平，提高新能源發(fā)電可信度，有效提升新能源的消納水，全網(wǎng)除青海外新能源利用率均超過95%。

（2）繼續(xù)推進(jìn)火電靈活性改造工作，挖掘火電調(diào)峰能力，增加電網(wǎng)靈活性。開展常規(guī)水電靈活性改造，在有條件的水電站開展增建常規(guī)抽水蓄能研究，增加水電的調(diào)峰能力。

（3）加強(qiáng)新型儲能研究和規(guī)劃，在電網(wǎng)側(cè)建設(shè)規(guī)?；滦蛢δ茈娬?，進(jìn)一步增加電網(wǎng)的靈活性，支撐電網(wǎng)開展水、火、風(fēng)、光多能互補(bǔ)調(diào)度。

（4）進(jìn)一步加強(qiáng)新能源預(yù)測技術(shù)研究，提高新能源預(yù)測水平，結(jié)合新能源場站配置儲能，提高整個(gè)新能源保證出力，提升替代常機(jī)組續(xù)能力，減少火電開機(jī)，提高新能源的消納能力。

（5）依托現(xiàn)有跨省跨區(qū)通道，進(jìn)一步加強(qiáng)跨省跨區(qū)電網(wǎng)互濟(jì)技術(shù)和市場機(jī)制創(chuàng)新研究，依托全網(wǎng)資源，在更大的范圍內(nèi)消納新能源。