CN112258064A - 基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法，首先建立基于时间尺度的区域电力系统电源侧、网架侧、负荷侧以及储能侧的技术灵活性资源框架；其次建立考虑现货市场、风火发电权交易、跨省区交易和调峰辅助服务市场的市场灵活性机制框架；然后综合考虑技术灵活性资源与市场灵活性机制，建立促进新能源消纳的电力系统灵活性统一框架；最后，利用该框架通过新能源弃电率对新能源消纳能力进行定量评估，其评估结果将指导区域电力系统进行灵活性资源选取，进而，不断更新迭代区域电力系统优化运行。

Description

基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法

技术领域

本发明涉及一种新能源消纳能力评估方法。

背景技术

当前，加快发展新能源已成为国际社会推动能源革命、应对全球气候变化的普遍共识和一致行动。中国的新能源发展已经走在了世界前列，截至2016年年底，风电、太阳能发电装机规模均居世界第一。随着新能源加快发展，中国局部地区出现了弃风、弃光现象，新能源消纳矛盾逐渐显现。由于资源禀赋特点、电力系统条件和市场体制机制问题，新能源大规模开发利用面临很大挑战。随着电力市场改革的深入，我国也采取了促进新能源消纳的系列措施，并取得一定成效。为了解决高比例可再生能源消纳问题，不仅需要引导新能源参与市场交易，还要从限制可再生能源消纳的关键问题入手，提高电力系统消纳、传输可再生能源电力的能力，即需要充分挖掘电力系统灵活性调节的潜力，以合理的手段促进灵活性资源投资和提高灵活性资源的利用效率。

在研究新能源消纳能力上，国内外学者逐渐形成了共同的认识：首先，应从单一增强电源侧灵活性资源调节能力转换为增强电源侧、网架侧、负荷侧以及储能侧灵活性以提高新能源消纳能力；其次，从单一区域就地消纳新能源转换为电网互联、跨区域供电；再者，分析新能源发电并网时，应从传统的生产模拟方式转换为考虑经济、环境保护以及机组组合等多方面因素的生产模拟计算，等等。

电力系统的特性是发、输、配、用电瞬时完成，电源调节能力、电网联通规模、负荷规模及响应能力共同决定了新能源消纳潜力，需在电源侧、网架侧、负荷侧以及储能侧积极挖掘最大限度实现新能源消纳潜力的技术。发挥各类技术潜力提高新能源消纳水平的同时，也需要市场机制的积极引导，市场机制决定了新能源消纳潜力的发挥程度。因此，促进可再生能源的消纳，既需要技术驱动，也需要市场机制配合。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法。本发明全面考虑促进新能源消纳的途径，并通过新能源消纳能力指标--弃电率，定量分析新能源并网灵活性应用能力。

所述的基于技术与市场灵活性统一框架是指在将不同时间尺度下的灵活性市场机制应用于电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节，各使灵活性资源在四个环节的不同时间尺度运行，实现同分布位置的不同时间内共同促进新能源消纳。本发明促进新能源消纳的技术与市场灵活性分析框架，包括技术灵活性资源与市场灵活性机制两大主要部分；再通过计算弃电率对新能源消纳能力进行评估。

具体步骤为：

步骤一，建立技术灵活性资源分析框架体系。

建立技术灵活性资源分析框架体系大方法是首先收集技术灵活性资源，将收集到的技术灵活性资源通过横向分布位置以及纵向时间尺度进行分类，横向分布位置包括电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧，时间尺度包括秒级、分钟级和小时级。

电源侧的灵活性资源是指具有灵活调节能力的发电机组，包括火电机组、水电机组为代表的常规发电机组、抽水蓄能电站以及光热发电机组等，上述发电机组积极参与调峰，促进新能源消纳。常规火电机组出力较大，并且变化范围也较为稳定，但是调节能力不强，调节速度较慢，具有爬坡速率约束；可调节性水电是综合性能最高的传统灵活性资源，可提供较大调节容量，调节幅度一般能达到0-100％，并且响应时间较快，调节速率较高，可以提供旋转备用、事故备用、调峰、调频等灵活性服务；抽水蓄能电站具有良好的调节性能，且能够满足向上和向下两个方向的灵活性需求，但是由于电力系统中的抽水蓄能电站数量很少，所以目前其灵活调节容量较低。

在电网侧，灵活性资源是指区域电网互联以及微网。现代电力系统正向大电网互联的方向发展，本地电网扩展及省外电网互通互联正在逐步发展，这些措施具有灵活运行和区域互济的作用，区域间电网存在着电力传输的关系，一个区域电网的互联供电区域电网可以作为该区域的灵活性资源，在调度中也可以通过控制两个区域之间联络线上的传输功率来响应灵活性需求。微网是一个在大电网下形成的集分布式发电、储能、负荷、综合调度系统于一体的自平衡体，微网的供电网络具有模块化和分散式的特点，具有灵活性储能和灵活性负荷资源，通过高度信息化、自动化的综合能源系统可实现对微网运行高效调控，并且具有较高的可再生能源生产和消纳能力。微网不仅具有很高的内部灵活性，通过并网运行，既可以成为电力系统的灵活性电源，又可成为电网中的灵活性负荷。

在负荷侧，灵活性资源主要体现在负荷管理和需求响应方面，例如空调、热水器等可中断负荷，主要机制为对可中断负荷进行分组编排，在不影响正常生产和生活的前提下，对其进行管理与控制，主要用于响应电力系统的短期行为。可中断负荷作为灵活性资源潜力较大，具有较大的研究和开发价值。其次，参与电能替代的电动汽车、电采暖等等也属于灵活性负荷资源。

在储能侧，储能系统是可调用资源中灵活性性能最高的资源，既是灵活性发电资源，又是灵活性用电负荷，可提供日、小时、分钟、秒多时间尺度的调节，且响应速率快、调节精准。储能系统不仅可以削峰填谷，平滑负荷，降低供电成本，还可以提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动，更重要的是，储能与可再生能源的结合，提高了可再生能源的利用率。储能系统按照在电力系统中的位置分类主要包括电网侧储能、场站侧储能、用户侧储能等等，按照储能方式分类主要包括氢储能、电池储能、飞轮储能、压缩空气储能等。

所述的技术灵活性资源框架体系建立过程为收集技术灵活性资源，并将收集到的技术灵活性资源通过横向分布位置以及纵向时间尺度进行分类，横向分布位置包括电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧，时间尺度包括秒级、分钟级和小时级。

步骤二，建立市场灵活性机制分析框架体系。

在所述步骤1利用技术灵活性资源最大限度挖掘新能源消纳潜力的基础上，所述步骤2建立市场灵活性机制分析框架体系是利用电力市场灵活性机制作为引导，收集市场灵活性机制，将收集到的市场灵活性机制通过纵向时间尺度进行分类，时间尺度总体分为现货市场时间尺度以及中长期市场时间尺度，细致划分为日前、季度以及长期时间尺度，实现新能源消纳潜力的最大发挥程度，具体如下：

市场灵活性采用现货市场与中长期市场相结合的模式，通过调频、调峰手段辅助服务市场、风光水火打捆、跨省区交易以及分时电价，利用市场机制最大限度发挥新能源消纳的程度。

分析现货市场机制与中长期市场机制；

所述的电力的现货市场主要指开展日前、日内、实时电能量交易和备用、调频等辅助服务交易。现货市场机制不仅是发展中长期合约、电力期货市场的重要基础，也是引导建设灵活电力系统、激励辅助服务和需求响应、消纳高比例波动性可再生能源发电的必然要求。建立有效竞争的现货交易机制,发现价格，引导用户合理用电，促进新能源发电、储能装置参与实时平衡调节。

所述的辅助服务市场是按照谁受益、谁承担的原则建立电力用户参与的辅助服务分担共享机制，积极开展跨省跨区辅助服务交易。在现货市场开展备用、调频等辅助服务交易，中长期开展可中断负荷、调压等辅助服务。随着辅助服务交易机制的建立健全，火电、气电、负荷和新能源可以发挥自身优势参与市场交易，既获得高价值辅助服务收益，又促进大规模新能源并网消纳。

所述的风光水火打捆交易是指将风力、光伏等间歇性可再生能源能源电力与火电打捆交易，这是一项适应我国能源格局的灵活性措施。由于我国一次能源分布与负荷分布呈逆方向，为提高可再生能源消纳比例，必须实现将西北地区优势风光资源向华中、华东负荷密集区域输送。然而由于风光出力的间歇性与波动性，远距离输电对输电网络的可靠性要求与传输能力要求较高，且大幅增加了受电地区的灵活性压力，达不到众多高精企业对电能质量的需求。因此，可再生能源的跨省消纳面临着输电灵活性不足的重大难题。采取风光水火打捆交易的方式，在送电地区平滑电力曲线，降低了输电网络的可靠性风险，提高了线路容量利用率，也降低了受电地区的灵活性需求，提高了可再生能源消纳能力，降低了受电地区灵活性调度成本。

所述的中长期交易和跨省区交易是指建设中长期市场，建立相对稳定的中长期交易机制，鼓励市场主体间开展直接交易；构建区域市场，完善跨省跨区电力交易机制，促进市场化跨省跨区交易。中长期市场和跨省跨区交易的机制化、规范化有利于转变行政主导、打破市场壁垒、扩大电力市场消纳范围。

所述的分时电价是通过设计与时间相关的电价，促使电力用户在日常生活中改变自身用电习惯，改变系统用电曲线，达到促进可再生能源消纳效果的市场方式。设置分时电价，通过降低低谷时段电价促使低谷用电曲线上升，增加低谷可再生能源消纳，通过抬高高峰时段电价促使高峰用电曲线下降，降低尖峰供电压力，这是一个缓慢渐进的过程，且电力价格对用电需求的调节效果与用户需求弹性有关。分时电价可以有效降低负荷峰谷差，减轻系统灵活性需求压力，从而提高系统灵活性。

步骤三，建立考虑市场环境的促进新能源消纳的多尺度灵活性资源统一框架。

在一定时间尺度下，能够为电力系统灵活性需求提供服务的能力的来源即为灵活性资源。电力市场环境下，价格发挥经济杠杆作用将源－网－荷－储多环节紧密联系在一起，也由此全方位挖掘了系统内资源的灵活性潜力，灵活性资源由传统的发电侧机组扩展至多时间尺度、多维度的复杂体系。本发明将市场灵活性机制通过日前、季度以及长期时间尺度进行分类、将技术灵活性资源可根据位置不同分为源、网、荷、储能四个环节，并通过秒级、分钟级和小时级时间尺度进一步分类。本发明的统一框架是指在不同时间尺度下的灵活性市场机制应用于电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节时，各种灵活性资源在四个环节的不同时间尺度运行，从而实现在同分布位置的不同时间内共同促进新能源消纳。因此，根据考虑市场环境的促进新能源消纳的多尺度灵活性资源统一框架可以随着时间推进对新能源进行逐步消纳。

步骤四，评估新能源消纳能力。

从电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧等物理部分所提供的灵活性资源对可再生能源消纳的促进作用具有明显的差异性。新能源发电消纳能力的评估指标一方面用于衡量电力系统对新能源发电的最大消纳空间，另一方面用于衡量新能源发电在电力系统电力电量平衡中的贡献和实际利用率。

首先进行区域电力系统优化运行计算。获取电网数据，确定新能源机组的接入规模以及电源规划结果，收集风电、光伏以及负荷的年度出力数据，以区域电力系统年运行成本最小为目标函数，考虑调峰充裕性、电力平衡、系统备用容量、火电机组出力、火电机组爬坡等约束条件，逐点模拟电网运行状况，最终得到新能源电站的实际出力值和弃风、弃光量。

其次，以新能源的弃电率作为新能源消纳能力的评估指标，新能源弃电率λ表达如下：

其中，λ表示新能源的弃电率，ΔW表示弃风、弃光量总和，W表示风电场、光伏电站实际出力总和，P_wo,i表示第i个新能源电站计划出力值，P_w,i表示第i个新能源电站实际出力值，i表示新能源电站的编号，新能源电站包括风电场和光伏电站，I表示新能源电站的数量，t表示时间。

该评估结果将指导区域电力系统进行灵活性资源选取，进而，更新区域电力系统优化运行计算的边界条件，进一步优化计算结果，最终实现新能源的最大程度消纳。

附图说明

图1为本发明基于技术与市场灵活性的统一框架图；

图2为本发明基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

以下以本发明实施例为例说明本发明新能源消纳能力评估方法步骤。

步骤一，建立技术灵活性资源分析框架体系。

所述的技术灵活性资源包括电源侧的灵活性资源、电网侧的灵活性资源、负荷侧的灵活性资源和储能侧的灵活性资源。

所述的技术灵活性资源框架体系建立过程为收集技术灵活性资源，并将收集到的技术灵活性资源通过横向分布位置以及纵向时间尺度进行分类，横向分布位置包括电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧，时间尺度包括秒级、分钟级和小时级。

步骤二，建立市场灵活性机制分析框架体系。

所述的市场灵活性机制包括电力现货市场、辅助服务市场、风光水火打捆交易、中长期交易和跨省区交易以及分时电价。

所述的市场灵活性机制框架体系建立过程为收集市场灵活性机制，并将收集到的市场灵活性机制通过纵向时间尺度进行分类，时间尺度总体分为现货市场时间尺度以及中长期市场时间尺度，细致划分为日前、季度以及长期时间尺度。

步骤三，建立考虑市场环境的促进新能源消纳的多尺度灵活性资源统一框架。

在一定时间尺度下，能够为电力系统灵活性需求提供服务的能力的来源即为灵活性资源，电力市场环境下，价格发挥经济杠杆作用，将源－网－荷－储多环节紧密联系在一起，可以全方位挖掘了系统内资源的灵活性潜力，灵活性资源由传统的发电侧机组扩展至多时间尺度、多维度的复杂体系。本发明将市场灵活性机制通过日前、季度以及长期时间尺度进行分类，将技术灵活性资源可根据位置不同分为电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节，并通过秒级、分钟级和小时级时间尺度进一步分类。本发明的统一框架是指在不同时间尺度下的灵活性市场机制应用于电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节时，各种灵活性资源在四个环节的不同时间尺度运行，从而实现同分布位置的不同时间内共同促进新能源消纳。因此，根据考虑市场环境的促进新能源消纳的多尺度灵活性资源统一框架可以随着时间推进对新能源进行逐步消纳。

步骤四，评估新能源消纳能力。

从电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧等物理部分所提供的灵活性资源对可再生能源消纳的促进作用具有明显的差异性。新能源发电消纳能力的评估指标一方面用于衡量电力系统对新能源发电的最大消纳空间，另一方面用于衡量新能源发电在电力系统电力电量平衡中的贡献和实际利用率。

首先进行区域电力系统优化运行计算。获取电网数据，确定新能源机组的接入规模以及电源规划结果，收集风电、光伏以及负荷的年度出力数据，以区域电力系统年运行成本最小为目标函数，考虑调峰充裕性、电力平衡、系统备用容量、火电机组出力、火电机组爬坡等约束条件，逐点模拟电网运行状况，最终得到新能源电站的实际出力值和弃风、弃光量。

其次，以新能源的弃电率作为新能源消纳能力的评估指标，新能源弃电率λ表达如下：

其中，λ表示新能源的弃电率，P_wo,i表示第i个新能源电站计划出力值，P_w,i表示第i个新能源电站实际出力值，i表示新能源电站的编号，新能源电站包括风电场和光伏电站，I表示新能源电站的数量，t表示时间，ΔW表示弃风、弃光量总和，W表示风电场、光伏电站实际出力总和。

该评估结果将指导区域电力系统进行灵活性资源选取，进而，更新区域电力系统优化运行计算的边界条件，进一步优化计算结果，最终实现新能源的最大程度消纳。

Claims (5)

1.一种基于技术与市场灵活性统一框架的新能源消纳能力评估方法，其特征在于，所述的基于技术与市场灵活性统一框架是指在将不同时间尺度下的灵活性市场机制应用于电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节，各使灵活性资源在四个环节的不同时间尺度运行，实现同分布位置的不同时间内共同促进新能源消纳；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立技术灵活性资源分析框架体系；

步骤2：建立市场灵活性机制分析框架体系；

步骤3：建立考虑市场环境的促进新能源消纳的多时间尺度下灵活性资源统一框架体系；

步骤4：评估新能源消纳能力。

2.根据权利要求1所述的新能源消纳能力评估方法，其特征在于：所述步骤1建立技术灵活性资源分析框架体系的方法如下：

收集技术灵活性资源，将收集到的技术灵活性资源通过横向分布位置以及纵向时间尺度进行分类，横向分布位置包括电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧，时间尺度包括秒级、分钟级和小时级；

所述的电源侧技术灵活性资源包括具有灵活调节能力的发电机组，包括火电机组、水电机组为代表的常规发电机组以及抽水蓄能电站；

网架侧技术灵活性资源包括区域电网互联以及微网；

负荷侧技术灵活性资源包括在负荷管理和需求响应方面的负荷；

储能侧技术灵活性资源包括电池储能、飞轮储能、超级电容储能以及氢储能。

3.根据权利要求1所述的新能源消纳能力评估方法，其特征在于：在所述步骤1利用技术灵活性资源最大限度挖掘新能源消纳潜力的基础上，所述步骤2建立市场灵活性机制分析框架体系是利用电力市场灵活性机制作为引导收集市场灵活性机制，将收集到的市场灵活性机制通过纵向时间尺度进行分类，时间尺度总体分为现货市场时间尺度以及中长期市场时间尺度，划分为日前、季度以及长期时间尺度，采用现货市场与中长期市场相结合的模式，通过调频、调峰手段辅助服务市场、风光水火打捆、跨省区交易以及分时电价，利用市场机制最大限度发挥新能源消纳的程度；

所述的电力的现货市场主要指开展日前、日内、实时电能量交易和备用、调频等辅助服务交易；建立有效竞争的现货交易机制,发现价格，引导用户合理用电，促进新能源发电、储能装置参与实时平衡调节；

所述的辅助服务按照谁受益、谁承担的原则，建立电力用户参与的辅助服务分担共享机制，积极开展跨省跨区辅助服务交易；在电力现货市场开展备用、调频辅助服务交易，中长期市场开展可中断负荷、调压辅助服务；

所述风光水火打捆交易是指将风力、光伏这类间歇性可再生能源能源电力与火电打捆交易，在送电地区平滑电力曲线；

所述中长期交易和跨省区交易是指中长期市场和跨省跨区交易的机制化、规范化，鼓励市场主体间开展直接交易，构建区域市场,完善跨省跨区电力交易机制,促进市场化跨省跨区交易；

所述的分时电价是通过设计与时间相关的电价，促使电力用户在日常生活中改变自身用电习惯，改变系统用电曲线，达到促进可再生能源消纳效果的市场方式。

4.根据权利要求1所述的新能源消纳能力评估方法，其特征在于：所述步骤3，市场环境在下，建立多时间尺度下电力系统灵活性资源统一框架体系的方法如下：

将市场灵活性机制通过日前、季度以及长期时间尺度进行分类、将技术灵活性资源分为电源侧、网架侧、负荷侧和储能侧四个环节，并通过秒级、分钟级和小时级时间尺度进一步分类。

5.根据权利要求1所述的新能源消纳能力评估方法，其特征在于：所述步骤4利用新能源弃电率对区域电力系统中新能源的消纳能力进行评估；

所述的新能源发电消纳能力的评估指标用于衡量电力系统对新能源发电的最大消纳空间，并用于衡量新能源发电在电力系统电力电量平衡中的贡献和实际利用率；

评估方法如下：

首先进行区域电力系统优化运行计算，获取电网数据，确定新能源机组的接入规模以及电源规划结果，收集风电、光伏及负荷的年度出力数据，以区域电力系统年运行成本最小为目标函数，考虑调峰充裕性、电力平衡、系统备用容量、火电机组出力、火电机组爬坡这些约束条件，逐点模拟电网运行状况，最终得到新能源电站的实际出力值和弃风、弃光量；

以新能源的弃电率作为新能源消纳能力的评估指标，新能源弃电率λ表达如下：

其中，λ表示新能源的弃电率，ΔW表示弃风、弃光量总和，W表示风电场、光伏电站实际出力总和，P_wo,i表示第i个新能源电站计划出力值，P_w,i表示第i个新能源电站实际出力值，i表示新能源电站的编号，新能源电站包括风电场和光伏电站，I表示新能源电站的数量；

该评估结果将指导区域电力系统进行灵活性资源选取，进而，更新区域电力系统优化运行计算的边界条件，进一步优化计算结果，最终实现新能源的最大程度消纳。

Images