新能源大规模接入下的未来电力系统将如何演化？-北极星储能网

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规模不断扩大的清洁能源以及快速发展的前沿技术将深刻影响未来电力系统的格局。然而现有的电力系统演化模型既没有充分考虑到清洁能源的特点,也没有对超导输电、储能等新技术进行建模。为此,借鉴电网规划的做法,以建设成本最小为优化目标,将电力、电量、调峰和环保约束引入电力系统演化模型,并从电力系统运行的角度建立了若干种前沿技术的简化模型,最后结合启发式规则和模拟植物生长算法提出了演化模型的求解方法。通过对国网经营区未来40年的演化分析,定量地给出了能源政策和新技术发展对电力流的影响,及其由于减少电力建设成本带来的收益。结果表明,模型可以为长期的能源政策和电力战略提供定量的决策参考。

0 引言

能源是人类社会赖以发展的基础。在环境问题日益凸显和化石能源面临枯竭的背景下,风能、太阳能、海洋能、生物质能等清洁能源得到了快速发展,其单位发电成本也呈逐年下降趋势[1]。虽然新能源具有清洁、可再生等优势,但是其大规模地接入电力系统也带来了一些挑战。首先,很多新能源具有波动性、间歇性和不确定性,其接入会对系统调峰带来新的压力[2-4]。其次,从全球范围看,到2030年时,各大洲均会出现能源基地与负荷中心逆向分布的特点[5]。这意味着新能源的大规模接入会打破现有系统电源和负荷较为靠近的格局,使得未来电网的互联会更普遍。可喜的是,诸多前沿技术的发展正在为新能源的消纳提供着更多的选择。如超导输电的发展[6]将使得大容量清洁电能的远距离输送变得更加经济,储能技术的大规模运用[7]和需求侧响应(demand response,DR)的推广[8]有助于平抑新能源的波动性和减少反调峰问题,分布式发电(distributed generation,DG)[9-10]等技术可以就地解决部分负荷的电能需求。

在新能源发电与这些前沿技术快速发展的背景下,电力系统的远期战略应该如何制定?能源相关政策应该怎样设计?文献[11]从电力需求量、电源结构、电力流和电网格局四个关键问题入手,对我国2030年后未来电网模式进行了宏观预测。然而,除了宏观的分析预测之外,迫切需要定量的分析工具对电力系统的长期演化过程进行研究,以便尽量降低社会总成本,避免大量人力物力的浪费。

文献[12]指出,电网演化模型适于研究大规模新能源接入后的未来电网,并给出了相应的研究体系。与传统规划方法相比,演化模型借鉴了生物种群演化的思想,通过对驱动力和制约因素的建模实现了全自动求解电网演化过程,有望更好地揭示电网的发展规律[13]。结合对我国电网发展历程的总结与展望[14],文献[14]对三代电网进行了建模及特性分析,并探讨了三代电网与现有电网的度、特征路径长度以及聚类系数等网络形态参数的区别。文献[15]得到了1980—2030年我国电网的演化结果,但是,其中缺少对环保需求、新能源接入以及储能等新技术的考虑,也没有对电力系统演化的成本进行优化。

为此,本文将电力系统规划中的约束和目标函数[16]引入电力系统演化模型,运用电力、电量、调峰、环保和线路潮流约束控制电网的演化生长过程,并对前沿技术场景进行了建模。之后结合启发式规则和模拟植物生长算法[17]提出了对大规模演化模型的求解方法。

1 考虑新能源的演化模型

文献[14,18]给出了基本的演化模型所具有的框架。文献[15]回顾了世界各主要经济体电网的发展历程,总结了其中的发展规律,最后将之用于中国电网,得到了1980—2030年我国电网的演化结果,其与实际电网的发展历程基本相似,证明了演化方法的有效性。

参考上述文献,本文所采用的电力系统演化模型整体流程如图1所示。

图1 未来电网演化模型流程图

总的来说,模型逐阶段进行演化模拟直至达到设定年限。具体每一阶段的演化流程按如下步骤进行：

使用预测的负荷总量和能源总量修正区域a在阶段y中已存在的负荷节点和能源点的数据,并生成新的节点。

于是,区域a中负荷点j在第y?1阶段末期的负荷量为

与之相比,可利用能源量也随着开采的进行不断提升,但大型能源基地的兴建造成的能源量阶跃式增长也应当纳入考虑范围。

因此区域a中能源点i在y?1阶段末期的能源量为

除了原有的负荷点和能源点变化外,在电网的长期发展过程中还有可能出现新的负荷和能源点。在区域a的辖区内,按均匀分布随机确定新的负荷点和能源点,并分配剩余的负荷量和能源量。

2)判断是否需要进行电压等级的提升。文献[19]中,主要通过负荷和能源密度来决定系统建设的变电站和发电厂电压等级。借鉴这一思路,可以一个区域内同一电压等级变电站的密度为判据来决定是否进行电压等级的提升。具体的阈值设定可以参考现有各电压等级的变电站典型规模及辐射半径。

3)进行该阶段的电源规划。借鉴文献[16],本文在研究这一问题时考虑了电力、电量、调峰及环保4种约束,即求解如下优化问题：

可以看到,式(4)—(7)分别代表了电力系统的电力、电量、调峰和环保约束。之所以采用了2组决策变量,原因是：如对环保约束而言,火电厂处于一个较低的投运出力下反而有可能降低污染量令环保约束得到满足,故而投运出力不一定越大越好。同理由于反调峰特性,当调峰约束不满足而环保约束尚有裕量时,可以降低新能源机组的投运出力以满足约束。

4)在完成电源规划后,进行输电网规划,此时将线路潮流约束考虑入内,即求解下述问题：

这里将电源和电网建设近似解耦考虑,一方面是因为在实际规划过程中,电源规划的费用一般要占80%以上[20-21],另一方面由于演化过程不追求结果的最优性,而近似解耦能大大降低复杂性。

由于电力流反映的是输电需求,而在不同技术条件下输电需求可以有相应的满足方式,如常规模式下远距离输电可能需要大量的输电线路建设,倘若高温超导能经济地被大规模运用,则相应的成本可被大幅压缩,从而改变电网格局。除此之外,如需求侧响应的发展也可能使得输电需求有不同的解决方案。第2节将对前沿技术进行简化建模。

原标题：新能源大规模接入下的未来电力系统演化模型

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