新型电力系统下可再生能源与储能技术关键路径分析

为了服务国家碳达峰、碳中和目标要求,南方电网公司积极推动建设以新能源为主体的新型电力系统。电源侧大力支持新能源接入,负荷侧推动能源消费转型,而在输电通道使用权的管理中引导源网荷储规划和运行实现低碳化,是电网企业在推动建设新型电力系统中发挥作用的重要途径。

新型电力系统输电通道利用新特点

近年来,新能源装机容量快速增长。随着“双碳”目标的提出,新能源将以更高的速度大规模发展,并逐步占据主体地位。新能源发电出力依赖风光等自然条件,间歇性、随机性、波动性明显,从而导致电力系统潮流复杂多变,使得输电通道的利用呈现出新的特点。

输电通道阻塞与低利用率共存

在新能源的集中送出通道中,由于新能源出力的不可控性叠加,发生输电阻塞的概率急剧增加,具体反映在以下几个方面:一是影响新能源出力的自然条件具有较强的同源性,新能源出力呈现高同时率,对通道使用的需求时间重叠;二是对于具有显著反调峰出力特性的新能源,在负荷低谷时期送出需求可能会显著大于考虑了本地负荷消纳后的规划送出能力;三是近年来部分资源富集地区新能源快速增长,超前于本地负荷的预计增速,进一步增加了送出难度。

然而,无论风电还是光伏,其利用小时数都远低于传统电源。以广西为例,2020年并网风电机组平均利用小时数为2200小时,光伏平均利用小时数为1250小时。再加上本地负荷的消纳,按照较大送出需求设计的输送通道,必然长期处于较低利用率。

针对输电通道的阻塞与低利用率共存的特点,新型电力系统必须在新能源送出通道的规划和运行思路上作出改变。

输电通道潮流阻塞的双向性

常规机组具有较强的可控性,新能源大规模并网前,输送通道潮流方向相对确定。新能源出力则表现出较强的波动性,并且在季度、多日和日内都呈现与负荷变化不同步的特点。比如广西一个装机容量较大的风电场,2020年平均每季度利用小时为557小时,但在负荷较高的第三季度利用小时仅为368小时,约为平均值的66%;对于多日持续高温的天气,负荷将受气温累计效应影响不断攀升,风电出力则会由于气温稳定在高位而下降。大规模新能源接入地区,在负荷高峰而新能源出力不足时期,容易出现输电通道负荷输入性阻塞,在负荷低谷时期又容易出现新能源送出受限,使得输电通道潮流阻塞呈现双向性。阻塞的双向性对调控资源的配置和灵活使用提出了更高的要求。

常规机组与新能源机组的输电通道使用权矛盾突出

新能源机组将成为电力供应的主体,但无论是电网安全稳定运行的要求,还是电力电量平衡的补位,新型电力系统依然无法离开常规机组的支撑。在新能源机组出力较大的时段,必然出现常规机组与新能源机组的输电通道使用权的矛盾。在输电权的分配中,支路的碳流量约束将成为协调不同类型电源出力矛盾的一个重要因素。在阻塞管理中,消除阻塞的碳流量代价也将成为需要考虑的重要成本因素。

新型电力系统输电通道使用管理目标

对输电通道的使用管理,最重要的任务是避免或消除输电通道阻塞,这也是确保电力生产和消费能够顺利完成的必要条件。在运行阶段,消除输电通道阻塞的方法是调整源、荷在不同节点对电网的注入功率;在规划阶段则包含输电通道的增强和调节资源的配置两个方面。与传统电网相同,保障电网安全稳定运行是输电通道使用管理不变的首要目标,而在新型电力系统中,输电通道使用管理还承担着引导输电通道使用低碳化的任务。

提升阻塞消除的效率与灵活性

无论是市场还是计划确定的发电和用电侧注入功率导致电力潮流超出通道输送能力,出现电网安全约束越限时,即形成输电阻塞。在输电通道使用管理中,应引导充足的灵活调节资源建设,包括新能源机组配套的调节能力改造,这是快速消除输电阻塞的基础。而运行阶段的机制,则需要引导灵活调节资源积极响应消除阻塞的需求。

激励发电侧和用电侧低碳投资对于输电通道的管理存在两类思路:一是在日前和实时调度中都考虑输电通道输送能力限制安排出力;二是在基础计划出现输电阻塞时通过再调度的方式安排增量计划消除阻塞。相应可以在输电通道使用权的优先分配或再调度的调用中给予低碳电源规则上的优势,激励更多新能源机组投资。

引导输电通道利用的分时均衡性及源荷曲线的匹配性

输电通道负载率低,有可能是受端自然用电需求较低或送端新能源机组自然出力水平较低导致的;相反,出现输电阻塞时送、受端也都可能存在问题,源网荷的规划和运行都存在优化空间。通过输电通道利用规则的设计,应能实现引导同一区域出力特性曲线互补电源及灵活调节电源建设的目的,同时提升新能源机组自身可控性能,降低多类型电源集中争抢输电通道的概率。还应鼓励源荷两侧功率曲线的改变,激励源荷曲线的匹配,做到输送通道的削峰填谷,减轻高峰时段的输电通道阻塞,提升低谷时段的输电通道利用率。

输电通道利用优化管理研究思路

针对新型电力系统输电通道利用的新特点,实现保安全与低碳化的目标,需要在深入分析源、荷特性的基础上,研究合理的输电通道使用优化管理机制。

研究新能源出力概率特性及多种能源调节性能

新能源大规模接入后,输电通道的使用不再是确定性的问题。充分研究新能源出力的不确定性模型,用概率和风险的眼光评估调节资源建设、输电通道加强的成本和收益成为新型电力系统的必然选择。发电侧的调节能力也不再像传统机组仅通过出力上下限、爬坡速率等简单的参数即可表征,新型电力系统需要在更多维的时空尺度精细化描述各类电源的调节性能。

分析用电侧负荷弹性与需求响应特性

在新型电力系统中,造成输电通道使用的不确定由负荷侧的单侧不确定发展为源、荷的双侧不确定,从而对输电通道利用的管理也不能再局限于电源侧,还需要挖掘用电负荷的弹性,充分研究各类需求响应特性,为输电通道的优化利用提供更多调节和管理手段。

多时间尺度实现输电通道碳流量与功率联合优化管理

在输电通道使用的优化管理中,针对新能源存在多种时间尺度的周期性,实现季度、多日、日前等不同时间尺度的协调,可以更好发挥不同类型电源出力特性在不同时间周期的互补作用,实现输电通道更高效的利用。在新型电力系统中,碳流量需要得到与潮流同样的重视,输电通道中既要实现物理上潮流的阻塞消除,也要避免碳流量超过预设的目标值。

未来,电网企业将深入开展输电管理的研究和实践,实现电网运行的高效、灵活、安全,推动新能源与电网合理高效融合,在助推新型电力系统建设和发展中发挥更大作用。

(作者李一铭为广西电网电力调度控制中心运行策划管理专责、三级助理技术专家;邓秋荃为广西电网电力调度控制中心运行策划组组长、公司三级技术专家)

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