高 潔，朱方亮，盧有麟，顧建偉，王 旭

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

能源是國民經濟的命脈，社會發(fā)展的動力。能源發(fā)展歷來秉承系統思維，“十一五”構筑穩(wěn)定、經濟、清潔、安全的能源供應體系，“十二五”構建安全、穩(wěn)定、經濟、清潔的現代能源產業(yè)體系，“十三五”建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系，“十四五”加快構建現代能源體系，二十大報告進一步提出建設新型能源體系。作為新型能源體系的重要載體[1]，新型電力系統以高比例新能源供給消納體系建設為主線任務，以源網荷儲多向協同、靈活互動為堅強支撐[2]。首先要從源端多能互補開始，發(fā)揮水、核、風、光、煤、氣等多能源品種協同開發(fā)優(yōu)勢，推進提供電量支撐的間歇性新能源、不可調核電等與調節(jié)性電源互濟，從資源、功能、經濟性上實現互補最優(yōu)。

1 多能互補概念演進

關于多能互補的概念，可追溯到2016年國家發(fā)展改革委、國家能源局《關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》(發(fā)改能源〔2016〕1430號)。其中，多能互補集成優(yōu)化包含2種模式，一是面向終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求的多能協同供應和能源綜合梯級利用；二是利用大型綜合能源基地風能、太陽能、水能、煤炭、天然氣等資源組合優(yōu)勢的風光水火儲多能互補系統建設運行。前者強調用戶側綜合能源利用，后者聚焦發(fā)電側基地化開發(fā)。2021年，國家發(fā)展改革委、國家能源局《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源規(guī)〔2021〕280號)認為，電力多能互補綜合開發(fā)是統籌包括風光儲一體化、水風光(儲)一體化等各類電源的規(guī)劃、設計、建設、運營，提出積極實施存量“風光水火儲一體化”，穩(wěn)妥推進增量“風光水(儲)一體化”，探索增量“風光儲一體化”。與此同時，通過電力“源網荷儲”進一步整合電源側、電網側、負荷側資源，在不同空間尺度，即區(qū)域(省)級、市(縣)級、園區(qū)(居民區(qū))級實現一體化。據此，電力多能互補開發(fā)包含多種電源組合，以清潔能源發(fā)電為主，且應用場景多變。宏觀上，整個電網是一個多能互補系統，內部有西電東送、南北互濟等電力互補；中觀上，一個清潔能源基地是一個多能互補系統，根據資源稟賦一體化規(guī)劃、綜合開發(fā)、聯合運行、統籌送出，并可與外部電網進行電力交換；微觀上，一個具有兩種以上能源電力組合的微電網是一個多能互補系統，可余電上網、電力下網。后續(xù)，多能互補還將向虛擬電廠、負荷聚合商等進一步延伸。本文面向新能源集約式大規(guī)模、高比例開發(fā)，主要探討中觀層面的多能互補基地化開發(fā)規(guī)劃。

2 多能互補清潔能源基地開發(fā)

基地化開發(fā)的理念可追溯到原電力工業(yè)部基于20世紀80年代初全國水力資源普查成果，提出集中建設10個大型水電基地的設想[3]。此后，隨著全國水能資源調查和規(guī)劃成果積累，到2003年基本形成了十三大水電基地的總體格局。21世紀第2個十年，在摸清新能源資源稟賦的基礎上，新能源開發(fā)規(guī)模躍升，形成了分布式與集中式開發(fā)并舉的局面，尤其在西部北部具有集群特點、規(guī)模效應的地區(qū)，大力推動新能源集約式基地化開發(fā)?！笆濉睍r期，結合各類基地空間分布特點，開始探索基地內不同電源間資源互補、出力互補、經濟互補?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確提出，建設一批多能互補的清潔能源基地，規(guī)劃了金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游和幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地，雅魯藏布江下游水電基地等?！丁笆奈濉蹦茉搭I域科技創(chuàng)新規(guī)劃》要求，依托水電基地調節(jié)能力，在流域風、光資源豐富地區(qū)，開展水風光儲多能互補綜合開發(fā)基地工程示范；將風光火(儲)、風光水(儲)、風光儲一體化設計及運行技術示范列為重點任務。《“十四五”現代能源體系規(guī)劃》提出優(yōu)先利用存量常規(guī)電源實施“風光水(儲)”“風光火(儲)”等多能互補工程，將云貴川藏、青海水風光綜合開發(fā)，金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游等清潔能源基地，雅魯藏布江下游水電開發(fā)等作為能源發(fā)展的重點及基礎設施工程。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》要求，構建可再生能源多能互補、因地制宜、多元迭代發(fā)展的新局面，進一步明確了統籌推進川滇黔桂、藏東南水風光綜合基地和蒙新甘青等沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)風電太陽能發(fā)電基地綜合開發(fā)。

基地化一方面有助于大規(guī)模開發(fā)利用能源資源，另一方面也是應對我國能源資源與負荷需求逆向分布難題的重要途徑。我國中東部地區(qū)能源消費量全國占比超過70%，生產量不足30%，造就了“西電東送、西氣東輸、北煤南運”的局面[4]。西部和北部的可再生能源和化石能源資源均較豐富，按照低碳轉型要求，依托清潔能源基地開發(fā)，將大量清潔電量送至中東部地區(qū)。2022年，全國西電東送規(guī)模已達3億kW。從早期西南水電基地送電華中東和兩廣，到正在規(guī)劃建設大型風光電基地、周邊清潔高效先進節(jié)能煤電、穩(wěn)定安全可靠特高壓輸變電線路組成的新能源供給消納體系，都揭示了多能互補基地重要的開發(fā)形式，即以新能源為電量主體，以周邊調節(jié)電源提供容量支撐，以電力外送通道為重要載體。

3 多能互補清潔能源基地規(guī)劃研究

多能互補清潔能源基地規(guī)劃，首先，聚焦送端電源多能互補，通常是風光水火儲兩種及以上可再生能源電源的優(yōu)化配置和聯合運行；其次，考慮受端電力系統風光水火儲電力電量實時平衡。在規(guī)劃中綜合考慮供給和消納，統籌兼顧送端和受端。

3.1 送端多能互補

涉及2種及以上可再生能源電源，多能互補包含了光儲、水光、水風光、風光儲、水風光儲、風光火儲、風光水火儲等多種組合形式。其中，新能源+火電的組合，必須考慮到輸電通道可再生能源電量比例超過50%。

風電、光伏發(fā)電主要受地理地形、風速風向、輻照云量、氣溫氣壓等自然條件的影響較大?；痣娨驒C組、燃料及運輸條件而異。新型儲能由于技術路線不同，技術指標和經濟性各異，比較有代表性的包括電化學儲能(鋰離子電池儲能、液流電池儲能、鈉離子電池儲能)、壓縮空氣儲能、重力儲能、氫儲能等，與所選設備設施關系密切。抽水蓄能通過筑壩修庫利用水之勢能，是水電特有的開發(fā)形式。根據《儲能產業(yè)研究白皮書2023》，2022年我國已投運電力儲能項目約5 980萬kW，其中抽水蓄能4 579萬kW，占比約77%。雖然抽水蓄能電站裝機容量在2022年占比首次低于80%，但仍是頭部品種，是水電資源匱乏、但具備抽水蓄能站點資源條件下，多能互補基地化開發(fā)中儲能調節(jié)電源的首選。

3.1.1 總體思路

在自然要素和機組特性等邊界條件確定后，多能互補清潔能源基地規(guī)劃的難點之一在于水電。首先，水力發(fā)電通過筑壩修庫，形成落差和庫容，具有多年調節(jié)、年調節(jié)、不完全年調節(jié)、季調節(jié)、日調節(jié)等多種性能，可發(fā)揮長中短周期不同時間尺度補償作用。如何將水庫中長期調度與風光日內互補，進行長短期嵌套，同時保證出力優(yōu)化和水量平衡，對傳統水庫調度提出新要求。第二，水電規(guī)?；_發(fā)形成了流域梯級水庫電站布局，需要考慮上下游水力聯系，并與周邊風電、光伏發(fā)電互補，是對傳統梯級水電站優(yōu)化調度的進一步優(yōu)化。第三，對于存量水庫電站，是否需要考慮與風光互補，擴大裝機；對于新建水庫電站，如何考慮與風光互補確定水位、庫容等特征參數，改進傳統水利動能設計方法。第四，抽水蓄能電站通過水儲能，在負荷高峰高電價時發(fā)電，不僅利用了低谷低價電抽水，而且還可利用風光富余電量抽水[5]。因此，抽水蓄能的運行方式更加靈活，從過去的一抽一發(fā)、一抽兩發(fā)到兩抽兩發(fā)，甚至多抽多發(fā)，充分存儲棄風棄光電量，抽發(fā)時點不固定，優(yōu)化空間更大。第五，抽水蓄能電站需要考慮抽發(fā)優(yōu)化和上下水庫水量平衡，且目前多采用定速機組，抽水約束嚴格，對風光富余電量利用尚有限。目前比較常用的處理方式是，在傳統(梯級)水電站調度的基礎上，考慮水光、水風光、水風光儲、風光水火儲等多種互補形式[6-8]，后續(xù)有必要提煉思路，提出多能互補綜合規(guī)劃方法。

多能互補清潔能源基地規(guī)劃的難點之二在于風光出力特性的準確表達。由于風光發(fā)電受微地形、局地氣象影響顯著，且長期觀測資料匱乏，首先，新能源資料的時空代表性缺乏，難以獲取代表性站址的長系列資料，分析選擇代表性時段。第二，表征新能源出力特性的指標體系缺乏。在工程實踐中有待建立一套基于風光典型年、典型日、典型時段選取，通過風電光伏發(fā)電出力—保證率—電量累積曲線、出力變幅、出力變率、極端出力時段、風光可靠出力、反調峰率、同時率等指標，反映新能源與其他電源發(fā)電互補特性的評價體系。

3.1.2 模型構建

送端基地多能互補建模，需要在規(guī)劃階段確定容量配置方案，運行階段細化聯合運行方式。

3.1.2.1 規(guī)劃階段

按照規(guī)劃范圍內風電、光伏發(fā)電、水電、火電、儲能等各種不同容量組合擬定方案，對方案遍歷比選，根據經濟性最優(yōu)，選出最佳組合方案。

投資建設運營全生命周期凈現值最大化容量配置方案為

f1=max(NPV1，NPV2，…，NPVN)

(1)

(2)

式中，N為多能互補基地容量配置比選方案(以下簡稱“比選方案”)總數；T為比選方案全生命周期長度；NPV為各方案凈現值；Bt為各方案第t年效益；Ct為各方案第t年費用；i為設定的基準收益率。

投資建設運營全生命周期成本最小化容量配置方案為

f2=min(LCOE1，LCOE2，…，LCOEN)

(3)

式中，LCOE為各方案的平準化度電成本。

3.1.2.2 運行階段

基于多能互補電源組合方案，結合水電長期、中期、短期預報，風電光伏中長期、短期、超短期預測，細化中長期、日前、日內、實時聯合運行方式及效益。上層模型首先考慮多能互補基地總效益最大、總成本最小、總出力與需求最匹配等多目標組合，以等效需求傳遞到下層模型，再計算某電源品種最優(yōu)，如火電運行成本最低、風電光伏發(fā)電棄電率最小等[9]。建模的目標函數如下：

(1)多能互補基地發(fā)電效益最大時

(4)

式中，M為多能互補基地容量配置優(yōu)選方案(以下簡稱優(yōu)選方案)的互補電源種類數；i為優(yōu)選方案中某一種電源，i∈{h，w，s，g，st}，分別代表水電、風電、光伏發(fā)電、火電、儲能；Pi，t為第i種電源t時刻出力；pi，t為第i種電源t時刻電價；Δt為時段長。

(2)多能互補基地全生命周期成本最小時

(5)

(3)多能互補基地可再生能源棄電量最小時

(6)

式中，Et為第t時刻棄電量。

(4)多能互補基地總出力與需求偏差度最小時

(7)

3.2 受端實時平衡

由于送端方案涉及長中短期，因此受端電力系統分析包括電力、電量、調峰容量的年平衡和月平衡，以及小時級實時平衡，兼有容量規(guī)劃和運行模擬的特點[10]。實時平衡分析主要采用穩(wěn)態(tài)電力電量平衡的電力系統生產模擬技術[11]。在時序生產模擬中，按照優(yōu)先消納新能源的原則，首先計算凈負荷曲線[12]。

日內平衡的考慮相對簡單，首先在基荷安排水電強迫出力，再安排可調水電，后以儲能調峰填谷，最后確定火電開機容量，并把火電最小技術出力安排在基荷，此時若出現有效容量不足或風光棄電，再重新調整火電，以減少火電促進新能源消納，減排降碳。送端區(qū)外來電根據其屬性，位于基荷或腰荷。通過堆積填充日負荷曲線，安排各類電源出力時序及其工作位置[13]。

在新能源占比不高時，傳統電力電量平衡可簡化到典型日、典型周。對于新能源高滲透率系統，不確定性因素導致典型場景增加，有必要建立優(yōu)化模型，選出典型時段，確定各類電源的工作位置。如短周期優(yōu)化目標主要是發(fā)電和購電經濟性最優(yōu)、棄電量最小等，中長期優(yōu)化還應考慮水庫調度、電力交換，以及全生命周期投資運行成本。較長周期的水位變化、檢修安排、送受電計劃可作為較短周期的邊界條件[14]，從而簡化計算量。

新型電力系統中關于新能源出力特性分析及其功率偏差計算、儲能電源靈活的工作方式[15]、水電精準化建模需求、火電開機優(yōu)化等，均給傳統電力電量平衡計算帶來挑戰(zhàn)。

4 多能互補系統規(guī)劃方法要點

4.1 送端多能互補

送端多能互補的關鍵是“方案比選”。多能互補方案優(yōu)選的目標是經濟性最優(yōu)，旨在根據“多能”的資源稟賦，進行多電源“互補”配置，通過多方案經濟性比較，得出最優(yōu)容量配置。因此可將諸多問題轉化為經濟性問題。如為提高新能源消納率，可將化石能源消耗量、風光棄電量轉化為費用，并設置懲罰系數；為跟蹤負荷曲線或匹配送電曲線，將彌補電量缺口的購電措施等計入成本，比較方案調整代價、外購電成本等。

4.2 受端實時平衡

受端系統以“實時平衡”為剛性約束。受端在考慮送端多能互補基地外來電力電量后，對整個電力系統的風光水火儲各類電源，安排工作容量、負荷備用容量、事故備用容量、檢修容量、空閑容量，以及與區(qū)外電力交換。系統的裝機、總電量、調峰能力應嚴格滿足電力、電量、調峰容量需求，具體包括有效容量平衡、電量平衡、檢修平衡、備用平衡等多項剛性約束?？紤]到全年以小時為步長進行8 760 h模擬，為簡化運算，可以線性規(guī)劃為主，對于非線性約束通常采用分段線性化方式處理，在開機安排等環(huán)節(jié)視需要進行整數規(guī)劃。

5 結 語

多能互補的概念，可追溯到終端用戶側綜合能源和發(fā)電側清潔能源基地，從宏觀上整個電力系統就是風光水火儲各種電源多能互補；從中觀上國家規(guī)劃推動建設的金沙江、雅礱江、黃河上游和幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地均是水風光、風光儲典型多能互補基地；從微觀上風光配儲能、水光互補電站等也屬多能互補應用。

本文主要探索中觀層面的清潔能源基地開發(fā)，送端多能互補進行容量配置優(yōu)化、聯合運行優(yōu)化，并兼顧考慮基地送電到受端市場消納。研究發(fā)現，首先，多能互補基地的核心是調節(jié)性電源，以此支撐大規(guī)模間歇性可再生能源開發(fā)；難點在于如何精準反映流域梯級水電作用以及表征風電光伏發(fā)電出力特性。第二，多能互補基地容量配置方案優(yōu)選應以經濟性最優(yōu)為主要目標，聯合運行體現多目標需求。第三，多能互補基地開發(fā)需要兼顧受端電力系統電力電量實時平衡需求，選取典型時段進行電力生產模擬，初步分析電源工作位置和出力過程。