双碳约束下高渗透新能源电力系统特性分析、提升路径及多元市场机制设计.pdf
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1、“双碳”约束下的新能源电力系统呈现大规模、高渗透、市场化特征,其出力的大幅波动和不确定性给电力系统安全稳定带来了诸如频率、电压、低惯量、电力电量不平衡、电量消纳困难等多重新型挑战,迫切需要从源-网-荷-储-市场侧构建多元灵活的调节体系和适应高渗透率新能源发展的市场机制来提升系统短期和中长期灵活调节能力。本文分析了高渗透新能源接入现状、稳定性问题与源-网-荷-市场侧特性,通过统筹煤电改造、提升外送能力、扩充需求响应资源、积极配储、新能源制氢等调节措施完成多元灵活性提升路径。最后,构建多维度的市场适应机制,空间上覆盖省间、省内;时间上覆盖中长期、现货;品种上覆盖电能量、辅助服务;数量上覆盖积极入市
2、的海量主体来满足不断增长的全范围、全周期、全品种多元、灵活、有序的市场体系,为科学高效的电力保供市场机制提供参考。关键词:高渗透;调节资源;多元灵活;市场机制中图分类号:TM715文章编号:2 0 9 6-46 3 3(2 0 2 3)0 3-0 0 7 7-12文献标志码:BDO1:10.19317/ki.1008-083x.2023.03.010开放获取高渗透新能源上网形势下的波动出力特性使新能源弃电及供电不足现象常态化,源-网-荷-储侧特性变化显著,电力系统面临着电力电量不平衡、宽频振荡、无转动惯量、电压、频率、电源灵活性不足、系统抗扰动能力差等诸多不稳定因素,呕须挖掘多元灵活的调节资源
3、,满足源荷侧的削峰填谷,实现网侧在更大区域内互联互济,不断扩充荷侧需求响应资源,推进新型储能、低碳化新能源制氢建设,进一步扩大新能源消纳空间,助力能源转型。目前存在着以下问题:省间互济市场化机制暂缺,促进新能源大范围消纳,提升电力系统及市场的灵活性。文献 1对高比例新能源并网后系统调度运行和规划决策分析,从系统消纳率的技术方案、成本与前景等方面,提出中国未来高渗透新能源电力系统演化路径。文献 2 引人频率阶跃的稳态频率误差,根据频率特性的变化提出新能源参与频率控制的2 种方式,通过数字仿真揭示未来系统频率特性的发展趋势。文献3引导源-荷进行跨时间的双向功率协调来支撑清洁能源高效消纳,综述了源-
4、荷双边参与的原理、交易主体、品种、模式和规则,验证双边参与的日前能量与备用联合优化调度模型在促进新能源消纳方面的有效性。由于西北区域两级调峰辅助市场运行机制不足,文献 4 提出区域省间/内两级市场下新能源消纳最大化的有序衔接协调机制。文献 5采取新能源报量不报价方式,并根据浙江电力市场的现货交易机制,解决新能源消纳和收益问题。案例表明确定合理的保障消纳小时数可以提升现货市场的适应性。文献 6-8 归纳了国外成熟市场中容量保障机制机理;根据电力调频、调峰辅助服务间的耦合关系,设计了出清互斥、多时序协调的联合出清模型,提升新能源消纳效果;提高设计容量需求、价格等,解决区域高弃风与弃光率、灵活调节资
5、源不足困局。文献 9 总结季节性储能的关键特征,从长时间尺度、多能源形式与跨空间范围分析其技术性能。文献 10-19 综述多个省份已开展的新能源与火电打捆、发电权置换等方式输送新能源电量,暂缓了弃风、光问题;但时间尺度大、跨度长的中长期交易,无法在空间、时间和价格上解决新能源出力预测偏差较大和整体灵活消纳的问题;现行省间中长期交易机制不能准确实时地反映市场中灵活性资源的需求量和价格。国外市场将交易频率提高到5分钟,实时监测新能源发电、电力价格预测,降低市场总运行成本来适应高渗透新能源发展。本文从三方面进行论述。(1)特性分析目前新能源接入现状及发展态势、传统与新型77功角稳定电力大数据稳定性问
6、题,给电力系统带来短期和中长期向上与明,电网稳定分析更为复杂,如表1所示。向下调节灵活度不足与电力电量不平衡问题。从表1高渗透新能源电力系统稳定性问题与挑战源-网-荷-市场侧分别分析:源侧高渗透新能源占比Table 1Stability problems and challenges of high高、难消纳及不确定性;网侧外送能力受限,抗扰动permeability new energy power system性降低;荷侧峰谷差扩大及双峰特性;市场侧现行稳定性机制。问题(2)技术提升路径电压稳定一是提升源-网-荷-储的短期调节能力,构建“上得去、下得来、爬得快”的调节体系来提升短期调节能力
7、;二是构建新能源制氢的中长期调节能力。(3)多元市场机制设计从时间、空间多维度设计多元品种协同的市场交易体系来推动中长期、现货、辅助市场向灵活多元化转变,向交易周期更短、频次更多、品种多样的交易模式转变,向适应中长期和现货衔接的交易模式转变。构建省间、省级市场协作衔接机制,考虑绿色证书交易的跨省区电力市场机制,设计需求侧资源互动机制,进一步完善市场交易机制。最后,给出新能源参与电力市场实施新思路:逐步实现省间/内市场融合,统筹配置资源,健全全国统一电力市场体系。1高渗透新能源电力系统特性分析1.1接入现状由图1可知2 0 11年2 0 2 2 年中国风、光发电量总体呈增长态势,且弃风、光率逐步
8、降低。2 0 2 2年我国风电、光伏发电量达到1.19 万亿千瓦时,相当于减少国内碳排放约2 2.6 亿吨,全年全国风电、光伏的利用率分别为9 6.8%、9 8.3%。光伏发电量弃奔风电量风电发电量一弃光电量1200017%41000016%800011%6000400020002011图122011年2 0 2 2 年中国风光发电量及弃风、光率Fig.1 Solar powergeneration,wind discard and lightrate in China from 2011 to20221.2利稳定性问题电力系统呈现“双高”,新能源占比高、电力电子设备比例高。电力系统动态特性改
9、变,演化机理不78第2 6 卷内容需应对的挑战新能源出力波动、脱网、恶化电压稳定电网拓扑、潮流变化,影响传统功角稳定频率稳定多时空尺度、非多扰动源耦合振荡定位新型线性、宽频电磁振荡自适应和协同振荡抑制策略1.2.1传统稳定性问题新能源的高渗透率、接入区域、运行工况、控制参数与策略等均会影响功角、电压与频率三大传统稳定问题。(1)功角稳定:高渗透新能源机组接人后改变原网架结构及潮流分布,区域联网下由发电机诱发的影响功角的暂态稳定,引人新的低频振荡现象(0.2 2.0 Hz),可能加剧恶化区域电网间的机电振荡。(2)电压稳定:高渗透风、光接入强度较弱电网时,电压-无功响应能力较弱,电压稳定控制难度
10、增大,易引发机组脱网。(3)频率稳定:高比例电力一奔风率电子化导致的系统惯量下降 2 0、新能源出力功率波弃光率17%18%16%10%12%11%10%10%8%6%1%20132015系统惯量减弱,削弱频率稳定鲁棒性宽频振荡量化指标统一动降低系统频率的鲁棒性。1.2.2新型稳定性问题12%电力电子器件大量运用在新型电力系统的发、10%7%8%6%4%2%2%20172019输、配、用电各个环节,引发的新型电磁振荡现象具有宽频、多模态、扰动耦合、自适应、协同特征,总体2%2%2%02021呈现多时空尺度和非线性特性。1.3特性分析1.3.1电力电量不平衡当电力供大于求时,系统“向下调节”减少
11、出力,从而减少电量被弃,尽快恢复供需平衡;当供小于求时,系统“向上调节”增加出力,从而满足负荷需求,避免负荷削减。向上和向下灵活性不足是导致电力第3 期电量不平衡的诱因。如图2 所示,向上灵活性与系统爬坡能力有关,不足时将导致电力短缺;向下灵活性与系统减小常规机组出力的能力有关,不足时将舍弃风、光电量。峰1:向上调节能力不足大风、奔光谷2:向下调节能力不足谷3:向下调节能力不足谷1:向下调节能力不足00:0012:00时间图2电力系统向上和向下调节灵活性不足Fig.2Lack of upward and downward adjustmentflexibilityofthepowersyste
12、m据预测,到2 0 6 0 年煤电发电量占比低于5%,由图3 可知新能源装机容量虽大,但可信赖的出力不确定,需平衡新能源为主导的静止发电机与传统旋转发电机共同主导的电源电量,如何维持火、水电等常规电源,以及新能源与负荷实时电量平衡是关键。负荷180000煤电150000120000900006000030000020202025203020352图320202060年电力电量平衡中各类电源电量占比的预测值Fig.3Predicted value of powerproportion of variouspower sources in electric power balance from 2
13、020 to 2060(1)短期调节能力有限总用电负荷扣除新能源出力后的负荷也称净负荷,短期(日内)净负荷呈现“鸭子曲线”特性。早上,光伏发电,净负荷下降(鸭尾巴);中午净负荷达到最低点(鸭的腹部),傍晚净负荷迅速上升(鸭脖子);夜间用电负荷需求逐渐下降,净负荷也开始下降(鸭头)。高比例光伏接入后,短期电力电量平衡调节难度增大,鸭肚子向下趋势加深,鸭脖子向上趋势加郁海彬,等:双碳约束下高渗透新能源电力系统特性分析、提升路径及多元市场机制设计峰2:向上调节能力不足2012(实际)23000021000190001700015000130001100012 34567891011121311415
14、161718192021图4CAISO预测的鸭子曲线发展趋势24:00FIG.4Development trend of duck curvepredicted byCAISO结合图3 可知:目前,煤电在电源结构中仍占主导地位,承担了最主要调节任务。午间,光伏大量发电,煤电需降低出力,可能出现调节不足。晚间,光伏出力快速下降,煤电出力需快速爬坡增长,对燃煤机组短期灵活调节能力要求较高。(2)中长期调节能力有限新能源季节性出力属性显著,给中长期(周、月、年)电力电量平衡带来新挑战。图5为典型中长期光伏风电生物质能水电燃气核电20402045205020552060年份长。加州独立系统运营商(CA
15、ISO)预测的鸭子曲线发展趋势如图4所示,向上爬坡难度更大,带来了更大的机组爬坡压力,供需平衡挑战增大。350003300031000290002700025000MJN/时间尺度风、光出力电量,在极冷、极热、无光、无风极端天气下,持续出力不足时间较长,可能造成长时光伏发电间尺度的新能源部分供电缺口。电量预测24208042风电发电电量预测20132014201520162018201720202向下趋势一光伏发电电量风电发电电量10864123图5典型中长期时间尺度风、光发电出力Fig.5Typical wind and photopower generationoutput onmediu
16、m-and long-term time scales1.3.2源侧特性分析(1)占比高、消纳力不足以典型高渗透新能源区甘肃为例,发电资源丰富,截至2 0 2 2 年10 月,全省发电装机容量达6 515万千瓦,其中新能源装机超过50%,为省内第一大电源,而受制于新能源间歇性因素,年发电量总和远79向上爬坡难度加大222018(4MY,01)/喜申X1624210864456789月份1011122电力大数据低于传统电源,消纳力不足导致高弃风、光率。1.3.3网侧特性分析(2)不确定性(1)新能源外送能力受限图6 为典型自然日风、光发电出力。可知光伏中东部地区作为负荷中心,西北部作为资源中出力
17、随日出日落变化,风电出力在晚间远高于白天,心,两者逆向分布,给发、输电带来了极大挑战:能源有明显的反调峰特性;不同自然日下的风、光出力差外送通道缺乏、外送通道容量不足,光伏和风电的分异显著。布态势不稳定性、波动性的双重特性导致新能源远6月2 0 日光伏功率一6 月2 0 日风电功率距离输送更加困难、存在交流通道卡脖子和网络阻一7 月2 0 日光伏功率一7 月2 0 日风电功率10000r一9 月2 0 日光伏功率一9 月2 0 日风电功率900080007000MN/(甲600050004000300020001000000第2 6 卷塞等外送问题。(2)抗扰动能力下降以华北沽源风电场为例,由
18、于远距离风电外送发生了多起次同步谐振。风电场电网结构为:双回500kV线路,容量1.2 5MW、电压6 9 0 V的双馈风电系统,场内变0.6 9/3 5kV经3 5/2 2 0 kV、2 2 0/50 0 k V等线路变压器升压加人线路串联电容补偿后并网,向负荷的中心供电。系统极易出现次同步振荡的现象。时刻图6 几种典型自然日风、光发电出力Fig.6Output of several typical natural daily wind andphotovoltaic powergeneration(3)清洁能源与负荷中心逆向分布我国的经济和负荷中心分布在东南沿海,三北、西南地区能源资源丰富
19、,二者逆向分布。清洁能源通过大容量、高电压的互联主干通道输送到负荷中心,实现能源供给清洁低碳化、配置广域化和消费电气化。(4)电源灵活性不足传统煤电灵活调峰响应能力不及抽水蓄能、新型储能及常规水电、气电等。新能源高渗透下系统调峰压力日益增大,具体表现有两方面。(1)电源顶峰能力不足。电力日负荷呈现午高峰、晚高峰的“双峰”特点。(2)电源结构不合理。如西北区域,其电源结构受水、火电等季节性出力特性影响,不能满足全年大规模外送。水电大发期间电量严重富裕;晚高峰期间严重紧缺,需外省支援;在冬季水电小发期间,部分时段(无风、光或晚高峰时段)电力缺口较大。东部负荷中心上海电网为典型新能源高渗透受端大电网
20、:区外直流高比例接入,区内新能源高比例渗透,形成交直流电网强耦合形态。受端电网正在向高比例电力电子化系统形态转变,惯量电源占比低,极易诱发新能源脱网事件。80西北电网“2 24”甘肃酒泉风电事故如表2 所示,大规模风电基地因风电场3 5千伏馈线电缆头三相短路故障,导致59 8 台风电机组脱网,主网频率降至 49.8 5Hz。表2 西北电网“2.2 4 甘肃酒泉风电事故Tab.2Northwest Power Grid2.24Jiuquanwindpoweraccident机组数量总出力状态/台故障前状态1226低电压切机262故障切机12高电压切机300其他原因24脱网合计5981.3.4荷侧
21、特性分析负荷特性变化提高了电力安全稳定供应的难度,电力日负荷特性呈现以下新特点。(1)日负荷峰谷差拉大第三产业和居民生活用电特性较其他产业受生活消费习惯影响显著,体现为峰谷差不断拉大现象。(2)负荷冬夏季双峰特征明显受极端天气、电气化水平和居民生活水平提高等多因素影响,夏季空调制冷和冬季供暖需求不断脱网率/MW/%1544359184243684054第3 期拉高用电负荷峰值,年负荷曲线呈现“双高峰”或“三高峰”特性。1.3.4市场侧特性分析参与市场类型有电、绿电、绿证、碳市场等 2 1。参与市场的交易方式有:新能源占比低的区域以“保量保价”收购为主;占比高的区域以“保障性消纳+市场化交易”结
22、合方式消纳。参与市场的形式与品种有省间及省内的中长期、现货、辅助服务 2 2 等。交易品种有电力直接交易、发电权交易、合同转让交易、绿电交易等。从参与市场深度看,2 0 2 1年度新能源参与市场总量占比约3 0%,各省参与上网电量比例约在 15%6 5%。2技术提升路径为实现双碳约束目标,降低高渗透新能源接入带来的不稳定、不平衡、不确定等因素的影响,本文根据新能源出力特性分析源-网-荷-储的短期调节能力和新能源制氢的中长期调节能力两种技术路径。2.1提高短期调节能力构建多元灵活调节体系。源侧进行煤电灵活性改造;网侧通过电网互联互济实现灵活性资源在更大时空范围内的调配;荷侧通过需求响应、电动汽车
23、等协同方式;储侧建设抽水蓄能、新型储能、储氢等灵活性资源。2.1.1源侧煤电机组存量高、服役年限短,便于开展灵活性提升改造,降低机组最小出力限制,对机组深度调峰能力、快速爬坡和启停能力进行优化提升。本文引人碳捕集机组在低碳、调峰、备用等优势。(1)净零排放根据不同碳捕集技术(常规碳捕集、利用与封存、生物质能结合碳捕获与封存等)降低自身的碳排放,为净零排放提供技术储备。(2)提供惯量支撑通过提供惯量来支撑灵活调节净出力,提高二次调频的响应速度。(3)提供并网支撑构筑坚强电网,解决渗透新能源并网所带来的电力系统灵活性资源稀缺问题。(4)削峰填谷碳捕集机组净输出功率运行区间较传统燃煤电厂更大,具备更
24、大的调峰深度 2 3 。负荷高峰时,跟郁海彬,等:双碳约束下高渗透新能源电力系统特性分析、提升路径及多元市场机制设计竞争适当规模的超过一定阅煤电新能源提升系统灵活性图7 火煤电规模与系统灵活性的关系Fig.7 Relationshipbetween coal powerscale and system flexibility2.1.22网侧实现灵活性资源在更广域范围内调配和互联互济,逐步解决新能源发电中心与负荷中心距离较远、跨省跨区输电容量有限等问题。在网侧推进电网资源配置与互济,加快更多跨省输电通道建设,如锡盟至泰州、酒泉至湖南、山西至江苏、扎鲁特至山东、准东至华东等多条外送通道,实现跨区/
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