新能源大规模接入下的未来电力系统将如何演化？

由表6可见,该情形下西北地区已不再需要外送电能,这是因为电力需求较大的华北地区获得了更多的分布式电源的支持,仅需拥有众多核电机组的华东地区为之提供电量即可满足要求,而华东送电相比西北送电更为经济。

这两种场景下的成本、整体收益以及每百MW(km)的单位价值统计如表7所示。

表7 两种分布式场景下系统成本情况

可见,新技术如果能够尽快成熟应用,对电源和输电设备建设成本的降低将起到非常可观的作用。长期的电源和电网规划需要考虑技术进步的作用并制定相应的策略,以便减少不必要的资源浪费。

5 结论

本文提出了考虑新能源大规模接入的未来电网演化模型,并将其应用于国网经营区算例,得到了未来40年电网演化情况,并进行了相应的分析。结果显示,所提出的模型能够对大规模系统进行长时间演化模拟,并给出各时期电网状态的定量数据。所得结果揭示了未来电网在各种发展模式下电力流和电力格局情况。不同场景之间的演化结果对比体现了各前沿技术所具有的价值,可以为后续的技术研发及长期能源政策制定提供定量参考。

为了提供更加实用的长期电力发展战略参考,还需要在所提方法基础上进一步完善对电源规划、电网规划以及分布式发电等技术的模拟,以及安全性校核等工作。

附录A 演化边界条件设定

各区域负荷的初始增速依据文献[23]以及文献[24]的2015年数据确定。考虑到随着时间推移,经济增速放缓,也会导致负荷的增长减慢,因此在前5年的演化中增速参考当前值确定,而5年后增速减少,15年后增速再减少直至演化结束。

具体各区域的初始负荷量以及增速设定如表A1所示。

表A1 各区域初始负荷量和增速

各时期的总负荷量统计如表A2所示。

表A2 各时期总负荷量

这一结果与文献[11]的预测,即到2050年时总负荷大约是当前3倍基本相符。

由于后效性的存在,对长时间的演化而言,各负荷点精确的位置并无意义。因此,采用文献[19]中的抽象化方法,即起始时电网不按当前实际拓扑进行连结,而是以各省省会及直辖市为中心,区域面积为半径随机分配初始变电站,且最低电压等级定为500kV/750kV。这样的抽象化能降低初始系统的规模,加快求解速度。

在电源方面,考虑水电将在2030年左右达到饱和,而核电受政策影响,依据文献[11]确定水电和核电在一年中的总发电量约束如表A3所示。

表A3 能源总量约束

事实上,水电的总量约束与可利用水资源总量有关,因此这一总量约束是基本确定的;而核电主要受到政策限制,这是人为因素,因此可以考虑两种较为保守的场景,其具体的核电总量设定如表A4所示。

因为近期的核能发展政策已经制定完成,在前期的核能开发量不应被改变。总量的减少是通过减低后期的可利用核能增长速率实现的。

表A4 核能总量约束

为计算建设成本,综合文献[25-26]中的数据,确定各类机组和不同电压等级的变电站及线路的成本,具体见表A5—A7。(其中机组容量取100MW,线路长度取100km,各电压等级变电站容量分别为8000/4000/2000MW。)

表A5 各类机组成本列表

表A6 各电压等级线路成本列表

表A7 各电压等级变电站成本列表

在表A5的设定中,风电和光伏均在15年后开始成本的下降,下降幅度分别是0.2亿元/年和0.3亿元/年,直至6亿元。

实际上,无论是机组、线路或是变压器的单位成本均随着所处地区的经济条件、自然条件以及具体的建设时间等有很大差异,显然在演化模型中将这些因素全部考虑进来并不现实,因而所用的成本均是典型成本值而忽略了个体之间的差异。由于总体的建设规模大,平均成本值应与典型成本值接近。

根据文献[31-32],不同类型发电的单位发电成本如 表A8所示。

表A8 不同类型发电单位成本

由于水电和核电已受到总量的约束,已建成机组应尽可能多发。因此实际程序中设置了较小的单位成本以达到这一目的。

评价函数的参数K的设定将影响问题的求解效率以及最终结果。本文算例中K取为1。

前沿技术场景中各参数的含义及相应取值见表A9。

表A9 参数含义及取值表

考虑到技术本身特性,分布式发电只用于受入电区域,而另两种技术用于所有区域。

（作者：谢宇翔 张雪敏 罗金山 夏德明 张艳）

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