提升新能源滲透率的風-光-火聯合直流外送方法

戴國華，戴睿，程廣巖，杜爾順

(1. 國網黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2．清華大學 低碳能源實驗室，北京 100084)

近年來，隨著全球氣候持續變暖及《巴黎協定》的簽署，環境問題逐漸引起了全球范圍內的關注，風電、光伏等新能源及相關技術發展已成為未來新型電力系統發展的核心環節。對于我國而言，西北部地區風光資源豐富，東北地區風資源豐富，但大量負荷卻集中在東南部地區，因此，“西電東輸、北電南送”對于提高風電、光伏等新能源滲透率、建設以新能源為主體的新型電力系統具有重要意義[1]。國網黑龍江省電力有限公司圍繞破解黑龍江省內電力嚴重過剩的難題，積極謀劃推進“一直一交”特高壓電力外送通道建設，組織外送電力，大力推動建設以黑龍江省為起點的電力外送通道，深度融入全國電力市場，促進黑龍江省新能源資源在全國范圍內優化配置中起到引領作用。

特高壓直流系統是解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網互聯的一個重要手段，可將本地集中并網的風光發電經濟可靠地送往負荷中心，實現新能源資源的跨區域優化配置與消納[2-4]。針對特高壓直流外送問題，目前已有較多研究。文獻[5-6]考慮送電系統整體造價、損耗量以及上網電價等因素，在遠距離、大容量輸電前提下，論證直流輸電的經濟性。文獻[7]提出跨區域大規模特高壓直流外送水電調度模型，在最大程度消納水電的同時，提高受端電網調峰裕度。文獻[8]量化評估了特高壓直流輸電的碳減排效益。文獻[9]分析了考慮光熱電站和直流聯絡線靈活性的高比例新能源互聯系統優化運行的經濟性。文獻[10]提出了適用于大規模新能源遠距離外送的分層輸電并網方案。

傳統能源的逐步退出需要建立在新能源安全可靠的替代基礎上。特高壓直流往往為“直線式”運行方式，而風電、光伏出力受氣象天氣變化的影響具有一定的不確定性及隨機性，為保證直流外送通道的安全穩定運行，往往需配套相應的火電機組平抑其波動[11]。目前，我國通常采用風-光-火打捆直流外送的方式來實現清潔電力的外送消納。文獻[12]基于已有配套火電裝機容量，提出風-光-火一體化調度計劃模型，通過優化配套火電出力及直流計劃來整體提升新能源外送能力。文獻[13]提出綜合考慮電力、經濟與環境多重約束下的風-光-火聯合調度多目標優化模型，實現多目標下的綜合效益最優。文獻[14]針對“三北”地區的外送特點，分析典型地區新能源棄電功率的分布特點，研究不同區域間新能源發電功率的互補性，優化多區域外送方式，以促進新能源消納。文獻[15-17]分別從送端電網和受端電網角度出發，考慮受端電網的調峰趨勢與裕度，優化送端電網風-光-火電的協調外送運行方式。文獻[18-20]則基于風-光-火打捆外送運行方式，研究交直流混聯外送系統的交互影響及穩定性。文獻[21]分析了特高壓直流的穩定控制策略與頻率響應特性。以上文獻大多是基于已有火電裝機容量配置，通過改變運行方式來實現新能源直流外送優化目的。文獻[18]通過多種運行狀態分析風-光-火打捆外送系統模型中配套火電機組容量對系統的影響機理，但求解優化問題過于復雜，且為了滿足個別風光出力波動性較強的時間斷面，配備了過大的火電機組容量。綜上所述，目前針對我國特高壓直流外送的研究，多偏向于已有配套火電機組下的新能源消納、提高直流外送通道運行穩定性及改善受端電網調峰裕度等方面的運行方式優化，在選取合理火電容量配比、提高外送電量中新能源占比、考慮受端電網動態調整能力等方面還有待深入挖掘。

本文以提高風-光-火聯合直流外送中的新能源占比為目標，建立特高壓直流外送日前調度經濟運行模型，在優化火電最小技術容量配比的基礎上，提出日前經濟調度策略，優化外送電量中火電出力占比，提高新能源消納能力。

1 提升新能源占比的風-光-火聯合直流外送經濟調度模型

1.1 目標函數

以提高風-光-火直流外送通道新能源占比、優化火電出力配比為目的，建立特高壓直流送端系統日前經濟調度模型，并確定其目標函數

J=min(H+N+K+Q).

(1)

式中：H為火電機組運行成本；N為新能源運行成本；K為火電機組出力占比因素對應的懲罰成本；Q為偏離直流定功率輸電曲線對應的懲罰成本。

火電機組運行成本H包括火電機組燃料成本H1以及啟停成本H2，表示為：

H=H1+H2,

(2)

(3)

(4)

式(3)、(4)中：ak、bk、ck為火電機組的燃料成本系數(下標k表示火電機組k，下同)；Pk,t為火電機組的出力(下標t表示時段t，下同)；uk,t為火電機組的0-1啟停變量，uk,t=1表示火電啟動，uk,t=0表示火電關停；Dk為火電機組啟動/關停成本；K為火電機組總數；T為1個調度周期內的總時段數。

新能源運行成本

(5)

式中：Cnew為新能源成本系數；Pnew,t為新能源出力。

為了提高直流外送通道中新能源的占比，在本文提出的日前經濟調度模型中，引入火電出力占比A這一量化經濟指標來進行評估。在提高送端系統運行經濟性的同時，優化火電機組出力配比，減少棄風、棄光量，提高新能源滲透率。

(6)

式中：Pline,t為直流通道外送功率；αtri為火電占比懲罰因子。在直流外送過程中，系統的外送電量是根據協議確定或者以定功率曲線的形式進行輸送，因此式(6)中分母部分為常量。同時，為了優化直流外送通道新能源占比，在經濟模型中引入火電占比懲罰因子αtri，以優化火電機組出力配置。

在直流輸電過程中，還需要考慮受端電網的動態調整能力來設計直流通道運行特性。因此，在實際直流輸送過程中，往往結合受端電網的負荷特性，給定一條理想的輸送功率曲線。在本文目標函數中，加入了一個間接反映受端系統動態調整能力的偏離懲罰項Q，以防止直流輸送功率隨新能源波動而頻繁變化。

(7)

1.2 約束條件

a)直流通道上、下限約束為

(8)

b)直流通道爬坡速率約束為

(9)

c)直流運行階梯化約束為

(10)

(Pline,t-Pline,t-1)(1-st)=0.

(11)

d)直流通道調整次數約束為

(12)

式中L為調度日直流通道可調整的最大次數。

e)日交易量約束為

(13)

式中Y為直流外送日交易預設電量。

f)火電機組出力約束為

(14)

g)火電機組爬坡約束為

(15)

h)火電機組啟停出力以及時間約束為：

(16)

(17)

xk,t-xk,t-1≤uk,t,uk,t≤xk,t,uk,t≤1-xk,t-1;

(18)

(19)

i)新能源出力約束為

(20)

2 最小火電機組容量配置

特高壓直流運行方式具有“直線式”特點，而風電、光伏新能源出力與氣象變化、輻照強度等多因素相關，具有一定的隨機性與波動性。因此，特高壓直流外送需配套足量火電機組平抑其風光的波動性，保證直流通道安全穩定運行。本文基于風光爬坡特性分析以及直流最小安全運行原則，優化聯合直流外送最小火電機組容量配置。

風電、光伏通常具有一定的時間互補性，但仍具有強波動源的特性，在其波動量的集合內存在少量絕對值比較大的變化量，增加了火電機組平抑其波動的難度，也大大增加火電機組投資成本。因此，本文需要首先對風光爬坡量的集合進行修訂，削減其爬坡量絕對值的最大值。為避免匹配過大的火電機組容量，在確定最優火電容量前，首先對少數強波動的風光量進行削減，如圖1所示。

圖1 修訂風光爬坡量Fig.1 Schematic diagram of ramp revision of wind and photovoltaic power

消減具體步驟為：對風光實際出力總量進行差分處理，按時間序列計算得到全年8 760 h的爬坡值，并將計算得到的爬坡量按照降序方式進行排列；根據降序方式排列的出力結果，對數據集合取絕對值確定數值分布空間，以98%的發生概率為邊界，將剩余2%對應的極大爬坡量從數據集合中剔除。

以最小化火電機組成本為目標，優化計算火電機組的最小技術容量：

(21)

(22)

(23)

(24)

通過以上方法優化得到的火電機組最小技術容量，作為風-光-火配套火電機組容量支撐第1章中提出的經濟調度模型優化計算。

3 算例分析

3.1 模型求解方法

本文提出的提升新能源占比的風-光-火直流打捆運行方式是一個混合整數非線性規劃(mixed integer non-linear programming，MINLP)模型，其中非線性約束包括式(3)的發電成本二次函數、式(7)的絕對值約束、式(11)和式(19)的0-1變量與連續變量相乘，均可以通過分段線性化及“大M”法消除非線性，極大地降低了問題的求解難度，可以采用成熟的數學優化軟件高效求解該混合整數線性規劃模型。

針對本文中提出的特高壓直流送端系統日前經濟調度模型與火電容量優化配置模型，采用IBM CPLEX軟件進行求解，提高直流外送電量的新能源占比，為特高壓直流外送風-光-火一體化調度提供兼顧可靠性與經濟性的運行方案。

3.2 參數設置

本文算例基礎數據源自電網實際數據，其中送端電網來源于黑龍江電網數據，受端電網來源于華北電網負荷數據，研究依托魯固特高壓直流推進東北地區富余電力外送、減少華北地區煤炭消費、解決東北“窩電”問題。

根據國家能源發展戰略、工程投資成本、各能源機組回收年限以及受端電網電力需求可確定特高壓直流、風電、光伏以及火電機組的有效利用時間。根據以往運行數據統計分析，假設風電、光伏、火電機組理論有效利用時間分別為2 000 h、1 500 h、4 200 h，特高壓直流通道容量和有效利用時間分別按8 000 MW和5 000 h考慮，為保證聯合直流外送通道的安全穩定運行，對于6 000 MW風電和4 000 MW光伏裝機，根據式(21)—(24)計算得到火電機組最小容量配置優化為2 750 MW。

根據本文算例設置，為盡可能提升新能源的出力占比并防止直流送電曲線大幅度波動，選取火電占比懲罰因子αtri=10元/MW，直流偏離懲罰因子αline=3元/MW，新能源成本系數Cnew=15元/MW。

為驗證本文所設計的方法在提高新能源滲透率、優化火電機組出力占比方面的有效性，算例中1個調度日以24個時段進行計算，1 h為1個時段。送端電網外送風電、光伏出力預測值如圖2所示(典型日)，特高壓直流運行邊界參數見表1，火電機組相關參數見表2。

圖2 典型日的風電、光伏預測值Fig.2 Forecast values of wind and photovoltaic power in typical day

表1 特高壓直流相關參數Tab.1 Parameters of UHVDC

表2 火電機組相關參數Tab.2 Parameters of thermal power units

此外，在算例設置中，本文采用了2種優化運行方式，且均以全年365 d的全時序運行方式為基礎進行調度優化。方式1為傳統直流功率輸送運行方式，即給定直流送電曲線，直流1 d日最多調整2次。方式2為本文提出的優化配置后的直流外送運行方式，在考慮最小調整時間基礎上優化直流外送功率。結合以上設置，算例結果中選取運行典型日進行分析，比較2種運行方式的優劣。

3.3 算例結果分析

2種方式下的數據對比見表3。從全年運行模擬尺度看，相比于傳統定外送功率曲線的方式1，方式2的火電電量占比從33%降低至25%，新能源利用率從92%提升至97%，并且經濟總成本降低7%。

典型日直流外送通道輸送功率優化結果如圖3、圖4所示，相比于方式1傳統定功率“直線式”運行方式，方式2“多段折線式”運行方式調整次數更多，與風光總出力的曲線更加匹配。方式1在7—20時段內呈遞增方式增長外送功率；而方式2輸送功率的變化與風光總出力正相關，可有效跟蹤風光出力變化，促進風電、光伏消納。

圖3 典型日的直流送電功率優化結果Fig.3 Optimization results of transmission power of DC line in typical day

方式1、方式2的直流外送運行方式如圖5、圖6所示。相比于方式1，方式2減少了火電機組的出力大小及占比，火電運行方式更加靈活，可消納更多的新能源。典型日方式2的火電出力占比從21%降低至15.9%，直流系統送端電網經濟總成本下降6%。

圖6 方式2的直流外送運行方式Fig.6 UHVDC power delivery of mode 2

上述算例中風光總出力較為充裕，因此所得結論不具有普遍性。為了進一步驗證本文日前調度方法的有效性，選取一年中4個典型日(春分、夏至、秋分、冬至)進行直流通道送電功率優化。4個典型日風光總出力預測值如圖7所示，可以看出春分、冬至的風光總出力較大，夏至、秋分的風光總出力較小，夏至、秋分的風光出力波動較大。4個典型日直流通道優化結果及火電機組出力如圖8—11所示，可以看出4個典型日中方式2火電機組出力總體上小于方式1。

圖7 4個典型日的風光總出力預測值Fig.7 Forecast values of total outputs of wind and photovoltaic power in four typical days

圖8 春分日直流通道優化結果及火電機組出力Fig.8 DC channel optimization results on the day of the spring equinox and the output of thermal power unit

圖9 夏至日直流通道優化結果及火電機組出力Fig.9 DC channel optimization results on the day of summer solstice and the output of thermal power unit

圖10 秋分日直流通道優化結果及火電機組出力Fig.10 DC channel optimization results for the autumn solstice and the output of the thermal power unit

圖11 冬至日直流通道優化結果及火電機組出力Fig.11 DC channel optimization results on the day of winter solstice and the output of thermal power units

4個典型日直流通道送電功率優化結果見表4。在風電、光伏利用率方面，方式2實現了新能源的高滲透率真，由于春分、冬至2個典型日風光總出力較大，其優化結果尤為明顯；在經濟成本方面，方式2明顯降低了直流系統送端電網經濟總成本。綜上，可證明本文所提經濟調度方法的有效性。

表4 2種方式下4個典型日的數據對比Tab.4 Result comparisons of four typical days in two modes

4 結束語

本文以提高聯合直流外送通道中的新能源占比為目標，在優化配置最小火電機組容量的基礎上，提出了日前經濟調度模型，設計了優化最小火電出力占比的風-光-火一體聯合外送的日前調度方法，并通過算例驗證了其有效性。與傳統定功率運行方式相比，在春分、夏至、秋分、冬至4個典型日內，本文提出的優化運行方式在風光利用率方面分別提高了13.37%、6.16%、4.97%、17.85%，直流外送功率中火電機組出力占比分別降低了12.67%、2.29%、2.09%、14.24%，總經濟成本分別降低了12.1萬元、8.9萬元、6.3萬元、15.9萬元。

綜上，本文方法可有效提高直流系統中新能源占比例，降低火電機組出力占比，實現新能源的高滲透率，進而為直流系統送端電網帶來經濟效益。在后續研究中，將充分結合多能互補一體化的發展趨勢，利用儲能調節的靈活性，探討風-光-火-儲聯合直流外送方法。