黃遠明, 張玉欣, 夏贊陽, 王浩浩, 吳明興 王 寧, 陳 青, 朱 濤, 陳新宇

(1. 廣東電力交易中心有限責(zé)任公司,廣州 510600; 2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,武漢 430074)

隨著全球能源消耗量的日益增長,大氣中二氧化碳含量逐年升高,導(dǎo)致全球極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)[1].為此,世界各國均提出了控制碳排放以及實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標(biāo),我國于2020年9月正式提出“雙碳”目標(biāo),力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和.當(dāng)前電力行業(yè)二氧化碳排放約占我國能源活動二氧化碳排放的40%,推進電力部門脫碳,加速終端能源的電氣化是推動能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型和長期溫室氣體減排的主要手段[2].因此,建設(shè)以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)將成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[3].

在以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,風(fēng)、光、水等一次能源供應(yīng)與氣象條件密切相關(guān),可再生能源出力存在較大隨機性與不確定性[4-5],同時疊加負荷的不確定性,導(dǎo)致系統(tǒng)維持電力供需動態(tài)平衡的難度大幅增加,因此需要提升系統(tǒng)靈活性[6]以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[7].同時,可再生能源出力易受天氣影響,容易出現(xiàn)負荷高且可再生能源出力低的情況,導(dǎo)致系統(tǒng)容量充裕性不足使系統(tǒng)面臨停電風(fēng)險[8-10].傳統(tǒng)基于持續(xù)負荷曲線和裝機容量的電源規(guī)劃模型已無法適應(yīng)在高比例可再生能源情況下對系統(tǒng)的靈活性和容量充裕性要求.

針對高比例可再生能源電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃問題,現(xiàn)有研究在系統(tǒng)靈活性或容量充裕性問題上存在一定局限性.Bertsch等[11]考慮多種靈活調(diào)節(jié)資源的規(guī)劃,并分別對火電爬坡、機組啟停、儲能充放等靈活性約束建模,形成正負靈活性資源約束集,但僅考慮了負荷平衡約束而無其他容量充裕性約束.黃旭祥等[12]建立了內(nèi)嵌時序生產(chǎn)模擬的雙層混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,協(xié)同規(guī)劃火電、可再生能源與儲能容量,同時包含火電等電源靈活性的精確建模,但未對系統(tǒng)容量充裕性進行明確約束.姜海洋等[13]建立了協(xié)同規(guī)劃源網(wǎng)荷儲靈活性資源的線性規(guī)劃模型,并內(nèi)嵌全年8 760時段生產(chǎn)模擬,不僅包含多種靈活性約束還考慮可再生能源長時間尺度的波動性,但只是簡單調(diào)節(jié)負荷曲線來確保系統(tǒng)容量充裕性.Kargarian等[14]在電源規(guī)劃時考慮了儲能和快速爬坡機組的容量聯(lián)合優(yōu)化,并考慮調(diào)頻性能約束,但同樣未考慮系統(tǒng)容量充裕性約束.楊珺等[15]在電源規(guī)劃模型中引入了靈活性裕量約束,并內(nèi)嵌生產(chǎn)運行模擬模型,同時直接引入最大失負荷概率約束,但原模型過于復(fù)雜難以求解,且簡化后的模型并不能確保成本達到最優(yōu)和足夠的容量充裕性.鑒慶之等[16]建立了包含規(guī)劃層、運行層、靈活層的3層電源規(guī)劃模型,針對機組啟停和爬坡性能進行了詳細建模,但過高估計了系統(tǒng)容量充裕性.何俊[17]提出了一種基于置信容量的微電網(wǎng)風(fēng)光儲電源規(guī)劃方法,根據(jù)系統(tǒng)可靠性需求,利用蒙特卡洛隨機模擬確定系統(tǒng)總體置信容量水平,并以成本最小化為目標(biāo)確定容量配置,保證了系統(tǒng)容量充裕性,但未考慮微電網(wǎng)中燃氣機組靈活性約束.

針對電力系統(tǒng)靈活性問題,主要通過配置多種靈活調(diào)節(jié)資源提升系統(tǒng)靈活性,使系統(tǒng)能應(yīng)對可再生能源和負荷的波動性和不確定性.靈活調(diào)節(jié)資源主要包括可調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)發(fā)電機組、儲能系統(tǒng)[18]、需求側(cè)響應(yīng)[19]等,不同類型資源各有優(yōu)劣,例如火電機組出力穩(wěn)定、可靠性高,但碳中和背景下其出力受到碳排放額限制;儲能可以削峰填谷,出力調(diào)節(jié)速度快,但投資成本高;需求側(cè)響應(yīng)資源投資成本低、響應(yīng)較快,但響應(yīng)價格較高且需要完善的市場機制配合.因此,在進行電源規(guī)劃時應(yīng)統(tǒng)籌考慮上述資源特性,以反映不同機組之間出力特性的互補關(guān)系.

針對電力系統(tǒng)容量充裕性問題,主要通過配置一定比例的裝機容量裕度,使系統(tǒng)在機組突發(fā)故障停運或受一次能源影響降低出力時仍有充足的發(fā)電容量[20].由于不同機組故障率以及一次能源稟賦不同,裝機容量相同的機組對系統(tǒng)容量充裕性的貢獻未必相同,特別是風(fēng)力發(fā)電(簡稱風(fēng)電)、光伏等新能源,傳統(tǒng)電源規(guī)劃模型中基于機組裝機容量的系統(tǒng)充裕性約束已不適用于高比例可再生能源電力系統(tǒng).為衡量不同停運率的火電機組所能承擔(dān)的負荷大小,Garver[21]提出了置信容量的概念,隨后被推廣應(yīng)用于風(fēng)電、光伏等可再生能源以及儲能[22-24].置信容量可以用來衡量系統(tǒng)容量充裕性,使得不同類型電源的容量充裕性可以在同一水平下進行相互比較[25].然而,由于儲能置信容量與系統(tǒng)裝機結(jié)構(gòu)等邊界條件非線性相關(guān),難以直接在規(guī)劃模型中計算,目前尚無規(guī)劃模型考慮儲能置信容量.

為此,綜合考慮系統(tǒng)靈活性和容量充裕性,建立包括傳統(tǒng)火電、可再生能源、儲能及需求側(cè)響應(yīng)等資源在內(nèi)的多電源與儲能規(guī)劃模型,內(nèi)嵌全年 8 760 時段生產(chǎn)運行模擬,并采用置信容量建立系統(tǒng)容量充裕性約束.針對儲能置信容量與決策變量非線性耦合的問題,通過分析儲能置信容量與系統(tǒng)其他因素的關(guān)系,設(shè)計一種迭代求解算法,最后基于某區(qū)域電網(wǎng)模型驗證了規(guī)劃模型的可行性與有效性.與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃模型相比,所提模型具有如下創(chuàng)新點:① 基于快速機組組合模型,統(tǒng)籌考慮包括傳統(tǒng)火電、可再生能源、儲能及需求側(cè)響應(yīng)等資源的運行模型,實現(xiàn)規(guī)劃模型內(nèi)嵌 8 760 時段產(chǎn)模擬,在小時級的精度上考慮可再生能源出力波動對系統(tǒng)供需平衡的影響,保障系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)具有足夠的靈活性;② 分析儲能置信容量與裝機結(jié)構(gòu)等邊界條件之間的關(guān)系,并使用置信容量衡量風(fēng)電、光伏、儲能等資源對系統(tǒng)容量充裕性的實際貢獻,建立了考慮儲能與需求響應(yīng)資源的容量充裕性約束,確保最小化投資成本的同時系統(tǒng)有充足的置信容量,從而避免因可再生能源出力受限導(dǎo)致的實際可用發(fā)電容量不能滿足負荷需求的問題;③針對規(guī)劃結(jié)果與儲能置信容量之間的非線性耦合關(guān)系設(shè)計一種基于迭代的解耦求解算法,使每次迭代的模型均為線性規(guī)劃模型,可直接調(diào)用商業(yè)求解器快速求解,加快模型求解速度.

1 考慮需求響應(yīng)資源和儲能容量價值的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方法

1.1 規(guī)劃模型概述

規(guī)劃模型綜合考慮系統(tǒng)靈活性約束與容量充裕性約束,以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo),基于時序生產(chǎn)模擬規(guī)劃多電源與儲能的最優(yōu)容量.在靈活性約束方面,模型重點考慮火電機組的最短啟停時間、爬坡、出力上下限等約束.由于傳統(tǒng)機組組合模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時求解速度較慢甚至無法求解,因此通過采用適合大規(guī)?？稍偕茉聪到y(tǒng)規(guī)劃建模的快速機組組合模型[26],在大幅縮短求解時間的同時保留規(guī)劃模型所要求的精度.在容量充裕性約束方面,模型統(tǒng)籌考慮火電、風(fēng)電、光伏、水力發(fā)電(簡稱水電)、儲能、需求側(cè)響應(yīng)資源的置信容量,由于儲能置信容量與系統(tǒng)可再生能源裝機容量等因素非線性相關(guān),所以提出一種適用于電源規(guī)劃模型的儲能置信容量動態(tài)迭代算法,將容量充裕性約束線性化,便于模型使用線性規(guī)劃求解器求解.

1.2 考慮需求響應(yīng)資源和儲能容量價值的系統(tǒng)容量充裕性約束

1.2.1間歇性可再生能源的置信容量 現(xiàn)有針對間歇性可再生能源的置信容量定義主要分為4類,分別是等效確定容量(EFC)、等效載荷容量(ELCC)、等效常規(guī)機組(ECPP)、保證出力(GC).EFC是指可再生能源可替代的完全可靠的常規(guī)發(fā)電機組容量,即保證系統(tǒng)可靠性指標(biāo)不變的情況下,用可靠常規(guī)發(fā)電機組代替可再生能源發(fā)電機組;ELCC是指保證系統(tǒng)可靠性指標(biāo)不變的情況下,系統(tǒng)新增可再生能源機組后系統(tǒng)可額外承載的負荷容量;ECPP與EFC類似,區(qū)別在于使用的常規(guī)機組具有一定強迫停運率;GC定義為在一定置信度下可再生能源的可用發(fā)電容量.上述4種置信容量中,EFC、ELCC、ECPP均需要通過大量計算才能獲得,但GC定義的置信容量未考慮間歇性可再生能源出力與負荷的同時性問題,即可再生能源出力大小對系統(tǒng)容量充裕性的影響主要在尖峰時段內(nèi),因此選擇歷年系統(tǒng)負荷最大的1%時段(t1%)內(nèi)間歇性電源的平均出力與其裝機容量之比作為其置信容量:

(1)

1.2.2儲能系統(tǒng)的置信容量 儲能本身不產(chǎn)生能量,在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中,儲能主要通過將低谷時段電量平移到尖峰時段提高系統(tǒng)容量充裕性,因此其對系統(tǒng)容量充裕性的貢獻同時受限于裝機容量和存儲電量,可類比風(fēng)電、光伏等電源,以置信容量衡量其對系統(tǒng)容量充裕性的貢獻[23-24].目前關(guān)于儲能置信容量的定義尚未達成共識,以文獻[23]的定義為準(zhǔn),將“引入儲能前后凈負荷(即負荷減去儲能凈輸出功率)曲線最高的100個時段平均值之差”作為儲能置信容量.顯然,儲能的置信容量與多種因素有關(guān),其中主要因素包括儲能系統(tǒng)凈負荷大小與波動情況即負荷減去可再生能源理論出力、最大持續(xù)放電時間、儲能滲透率,其中系統(tǒng)凈負荷又與波動情況、負荷、可再生能源裝機容量、可再生能源容量因數(shù)序列有關(guān),其函數(shù)關(guān)系為

Ces=f(αr,Ir,D,Ees,Pes)

(2)

式中:Ces為儲能置信容量比例系數(shù),取值范圍在[0, 1]區(qū)間;Ir為可再生能源裝機容量;D為系統(tǒng)負荷;Ees為儲能電容量;Pes為儲能功率.

由于αr和D為系統(tǒng)固有屬性,與規(guī)劃無關(guān),以下逐項分析Ces與Ir,Ees,Pes的關(guān)系.假設(shè)Ees,Pes充足,當(dāng)凈負荷波動越大時,儲能可平移的峰谷電量越多,儲能置信容量也越大,因此Ces和Ir正相關(guān).當(dāng)凈負荷波動和Pes一定時,Ees越大,儲能可平移的峰谷電量越多,儲能置信容量越大,因此Ces和Ees/Pes正相關(guān),即與儲能最大持續(xù)放電時間正相關(guān).當(dāng)凈負荷波動和Ees/Pes一定時,Pes在從小變大的過程中,對系統(tǒng)的影響也從小到大,當(dāng)儲能對系統(tǒng)影響不可忽略時,其對系統(tǒng)容量充裕性的邊際效益遞減,Ces將隨之減小.儲能置信容量系數(shù)與各變量之間的關(guān)系如圖1所示.

圖1 儲能置信容量系數(shù)與各變量之間的關(guān)系

1.2.3考慮儲能與需求響應(yīng)資源的容量充裕性約束 在電源規(guī)劃模型中,系統(tǒng)可靠性通常用電力不足期望值(LOLE)、期望缺供電量(EENS)等指標(biāo)表示,其本質(zhì)為在一定邊界條件下求得系統(tǒng)可用容量不足以供應(yīng)負荷的期望,因此對系統(tǒng)可靠性的約束可轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)可用容量的約束,要求在一定置信率的情況下系統(tǒng)可用容量大于峰值負荷,即系統(tǒng)置信容量之和大于峰值負荷:

Dn(1+βcc), ?n

(3)

為保證系統(tǒng)裝機容量滿足N-1約束,即系統(tǒng)中任意一臺機組故障后剩余機組仍能滿足最大負荷需求,同時考慮系統(tǒng)負荷預(yù)測和實際運行的偏差以及機組檢修等因素,置信容量裕度的取值應(yīng)滿足如下條件:

(4)

式中:Smax為系統(tǒng)中單臺機組最大裝機容量;βr為備用容量比例;Dmax為系統(tǒng)負荷最大值.

1.3 基于快速機組組合模型的系統(tǒng)靈活性約束

由于風(fēng)電、光伏出力的隨機性,需要在規(guī)劃模型中考慮系統(tǒng)的靈活性,以小時級精度進行機組組合優(yōu)化,使系統(tǒng)滿足多種靈活性約束.傳統(tǒng)機組組合模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃,在裝機規(guī)模大、長時間尺度的系統(tǒng)優(yōu)化中計算量極大,因此采用快速機組組合模型對火電機組靈活性約束建模,同時分別建立了可再生能源、儲能及需求側(cè)響應(yīng)資源的運行模型.

1.3.1快速機組組合模型約束集 火電機組的快速機組組合模型[3, 26-27]如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

1.3.2可再生能源出力約束 可再生能源出力模型為

(17)

1.3.3需求側(cè)響應(yīng)資源出力約束 需求側(cè)響應(yīng)資源出力模型為

(18)

1.3.4儲能運行模型約束集 儲能模型[27]如下:

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

1.4 其他約束

(29)

1.5 目標(biāo)函數(shù)

模型目標(biāo)函數(shù)為

(30)

1.6 模型求解算法流程

式(3)～(30)所構(gòu)建的考慮需求側(cè)響應(yīng)與儲能容量價值的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型為線性規(guī)劃模型,可直接通過Gurobi等商業(yè)求解器求解.但模型中的儲能置信容量系數(shù)為系統(tǒng)可再生能源裝機比例、儲能裝機規(guī)模等參數(shù)的函數(shù),需要迭代求解,具體流程如圖2所示.

圖2 模型求解流程圖

(31)

2 算例分析

基于中國某區(qū)域電網(wǎng)的簡化電網(wǎng)模型對所提模型進行求解和驗證,該電網(wǎng)覆蓋5個省份,共143臺火電機組,分類別聚合燃煤、燃氣機組以應(yīng)用快速機組組合模型,規(guī)劃期為2050年,按3%的負荷增長率預(yù)測峰值負荷為510 GW,RPS約束設(shè)置為80%,即要求80%的電量來自于可再生能源.由于缺少實際數(shù)據(jù),本文未考慮輸電線路約束及其擴建,而是考慮最大持續(xù)放電時間分別為2、4、6 h的電化學(xué)儲能以及12 h最大持續(xù)放電時間的抽水蓄能,年化投資成本[3]分別為351、486、621、1 576 元/(kW·h).規(guī)劃的電源類型包括煤電、氣電、風(fēng)電、光伏,需求側(cè)響應(yīng)激勵價格設(shè)置為 1 000～3 500 元/MW.

2.1 儲能的容量價值

在是否考慮儲能裝機的兩種情況下進行電源規(guī)劃,從系統(tǒng)裝機結(jié)構(gòu)、成本、機組利用時間、棄風(fēng)棄光率的影響等方面,探討儲能的容量價值.

圖3展示了有無儲能參與情況下的系統(tǒng)裝機情況,兩種情況下裝機變化較大的是風(fēng)電、光伏和氣電.無儲能情況下,負荷高峰時段可再生能源出力可能受到天氣限制,因此需要多建氣電機組為系統(tǒng)提供容量充裕性;光伏只有白天發(fā)電,對系統(tǒng)置信容量貢獻有限,因此新建容量遠小于風(fēng)電.有儲能參與的情況下,儲能具有削峰填谷的作用,可以大幅減少風(fēng)電和氣電的裝機,并增加光伏裝機.從利用時間看,如表1所示,儲能可以大幅提高煤電和光伏的利用時間,但一定程度上取代了氣電作為調(diào)峰機組,因此降低了氣電的利用時間.同時,系統(tǒng)棄風(fēng)棄光率從33.6%下降到9.8%,系統(tǒng)裝機成本從 12 487 億元下降到 10 199 億元,下降幅度達18.3%,而系統(tǒng)置信容量仍在最小置信容量要求之上.可見,儲能的容量價值分別在靈活性和系統(tǒng)容量充裕性上得到了體現(xiàn),即增加了系統(tǒng)對可再生能源消納能力,同時減少了氣電等調(diào)峰機組的裝機容量,降低了系統(tǒng)成本.

圖3 有無儲能參與情況下的裝機情況

表1 發(fā)電設(shè)備利用時間

2.2 不同需求側(cè)響應(yīng)資源容量的影響

探究系統(tǒng)引入不同需求側(cè)響應(yīng)容量對系統(tǒng)裝機結(jié)構(gòu)的影響,需求側(cè)響應(yīng)資源容量分別設(shè)置為峰值負荷的0%、5%、10%、15%和20%.

2.2.1系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu) 不同需求側(cè)資源容量場景下的系統(tǒng)裝機容量如表2所示,由于RPS設(shè)置為80%,即至少要求80%的電量來自于可再生能源,所以系統(tǒng)主要新增裝機容量為風(fēng)電和光伏機組.由于系統(tǒng)容量充裕性和靈活性限制,在沒有需求側(cè)響應(yīng)資源的情況下,系統(tǒng)累計新建了137.8 GW的火電機組和131.1 GW的儲能機組,占總新增裝機的21.6%.在引入需求側(cè)響應(yīng)資源后,火電、儲能、可再生能源機組裝機容量均有所減少,其中火電機組減少幅度最大,而儲能和可再生能源裝機容量變化不大.需求側(cè)響應(yīng)資源占比從5%變化到20%的過程中,火電機組新增裝機容量從137.8 GW下降到59.9 GW,平均需求側(cè)響應(yīng)資源每增加1%,火電機組裝機容量下降3.9 GW.

表2 不同需求側(cè)資源容量比例下的各機組裝機容量

從裝機成本看,可再生能源和儲能裝機成本遠高于火電,因此系統(tǒng)總裝機成本相對變化不大,需求側(cè)響應(yīng)資源容量從0%增加到20%的過程中,系統(tǒng)裝機成本分別為 10 199、10 138、10 053、9 943、9 862 億元,平均每1%的需求側(cè)響應(yīng)容量可以減少16.9億元裝機成本.

2.2.2需求側(cè)響應(yīng)資源對火電的替代作用 圖4為10%需求側(cè)響應(yīng)資源和0%需求側(cè)響應(yīng)資源情形下的電力周平衡圖.在11月6日到11月8日期間,由于風(fēng)力減小,風(fēng)電機組出力受限,所以無法提供足夠的發(fā)電容量,負荷主要靠煤電、氣電和光伏供給,而光伏電源在傍晚時段出力迅速降低,負荷在此時達到一天中的峰值,主要靠儲能白天存儲光伏產(chǎn)生的額外電量,并在傍晚釋放以平衡負荷.在11月7日,光伏出力受天氣影響而降低,若無需求側(cè)響應(yīng)資源,系統(tǒng)只能多建火電機組以應(yīng)對可再生能源出力不足的情況.由于可再生能源出力不足為小概率事件,所以此時額外建設(shè)的機組年利用時間較少,從而造成資源浪費.而引入了需求側(cè)響應(yīng)資源后,可由需求側(cè)響應(yīng)資源應(yīng)對可再生能源出力不足的情況,優(yōu)化了系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu),同時由于此類事件出現(xiàn)頻率較低,對用戶正常用電影響較小.

圖4 電力周平衡圖

2.2.3系統(tǒng)置信容量 不同需求側(cè)響應(yīng)資源比例下的系統(tǒng)置信容量如圖5所示,由于RPS約束設(shè)置為80%,儲能和風(fēng)電的裝機比較充裕,所以系統(tǒng)總體置信容量約在656 GW左右,高于最小置信容量要求.系統(tǒng)總體置信容量與需求側(cè)響應(yīng)資源接入系統(tǒng)資源比例基本無關(guān),但需求側(cè)響應(yīng)資源可以代替一部分火電和儲能提供的置信容量,因此其他能源提供的置信容量隨需求側(cè)響應(yīng)資源增加而下降.同時,由于可再生能源出力受氣象條件影響,無法隨負荷大小調(diào)整,所以可再生能源置信容量占比較低,系統(tǒng)置信容量主要由火電和儲能提供.

圖5 不同需求側(cè)響應(yīng)資源比例下的系統(tǒng)置信容量

3 結(jié)語

綜合考慮以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)中容量充裕性和靈活性兩方面約束,重點分析了儲能置信容量與各因素之間的關(guān)系,基于快速機組組合和快速儲能置信容量算法,建立了考慮需求響應(yīng)資源和儲能容量價值的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃模型,并設(shè)計了基于線性規(guī)劃求解器的迭代求解算法流程,最后基于中國某區(qū)域電力系統(tǒng)對所提模型進行了驗證.結(jié)果表明,以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)中,主要影響系統(tǒng)成本的約束為系統(tǒng)靈活性約束,基于時序生產(chǎn)模擬的規(guī)劃模型可精細刻畫負荷、可再生能源出力之間的時序耦合以及火電機組爬坡、啟停等約束.此外,需求側(cè)響應(yīng)資源可有效提供系統(tǒng)靈活性,相比新建火電和儲能等機組成本更低,引入需求側(cè)響應(yīng)資源可有效降低系統(tǒng)成本.然而,由于主要討論了儲能和需求側(cè)響應(yīng)資源的引入對系統(tǒng)投資運行成本和容量充裕性的影響,未能詳細分析儲能系統(tǒng)對輸電阻塞的緩解作用,將在未來研究中進一步討論.