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1.研究背景
新型電力系統(tǒng)具有高比例可再生能源與高比例電力電子設(shè)備等主要技術(shù)特征，即大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電具有強(qiáng)間歇性、隨機(jī)性與波動(dòng)性等特點(diǎn)，且風(fēng)光發(fā)電呈日內(nèi)以及季節(jié)性波動(dòng)特性，與負(fù)荷需求不匹配。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的缺乏削弱了電力系統(tǒng)抗故障沖擊的能力，大量電力電子設(shè)備并網(wǎng)使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜化。因此，如何在多時(shí)間尺度上保持發(fā)電與負(fù)荷功率平衡、如何保持含高比例電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、如何對(duì)清潔能源進(jìn)行高效消納與優(yōu)化配置將成為未來(lái)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃的主要挑戰(zhàn)。為此，論文對(duì)電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與展望。
2.論文所解決的問(wèn)題及意義
新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法如圖1所示。論文首先分析與總結(jié)新型電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征；在此基礎(chǔ)上，總結(jié)能源供應(yīng)安全與能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)-政策不確定性兩方面挑戰(zhàn)，其涵蓋參數(shù)不確定性、政策不確定性、電力系統(tǒng)靈活性、電力系統(tǒng)充裕性、電力系統(tǒng)安全性、多時(shí)間尺度功率平衡等環(huán)節(jié)；然后，從長(zhǎng)期不確定性、短期不確定性、安全性評(píng)估、可靠性評(píng)估4個(gè)著眼點(diǎn)開(kāi)展研究，對(duì)不同方法的研究思路、應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。最后，對(duì)新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃模型的構(gòu)建與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與展望。
圖1 新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法
3.論文重點(diǎn)內(nèi)容
論文就以下五個(gè)方面進(jìn)行綜述：
（1）電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)
電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃指以能源供給與技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化算法優(yōu)化滿足能源需求等約束條件下成本最優(yōu)的技術(shù)選擇，其決策變量通常是在給定的時(shí)間與空間范圍內(nèi)對(duì)發(fā)電技術(shù)、發(fā)電容量與輸電容量的選擇。研究框架如圖2所示，其可用于電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、或者電源–電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃，也能評(píng)估不同能源政策、潛在技術(shù)發(fā)展等對(duì)能源系統(tǒng)的影響。
圖2 新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃框架
電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自兩方面：
1）能源供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)-政策不確定性方面；長(zhǎng)期不確定性指由于政府政策、能源價(jià)格波動(dòng)、新興技術(shù)等因素使得模型參數(shù)具有高度不確定性。其可表征為參數(shù)與政策不確定性。其中，參數(shù)不確定性主要分為技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)不確定性。政策不確定性受到國(guó)家或地區(qū)能源發(fā)展戰(zhàn)略的影響。
2）能源供應(yīng)的安全方面；論文從電力系統(tǒng)靈活性、充裕性、安全性與多時(shí)空功率平衡四方面闡述長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)。其中，靈活性解決短期與長(zhǎng)期供需不平衡帶來(lái)的靈活性需求。充裕性解決新能源發(fā)電與常規(guī)火電機(jī)組的區(qū)別與量化評(píng)估方法。安全性解決電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，包括功角穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性與電壓穩(wěn)定性。多時(shí)空功率平衡解決考慮不同區(qū)域的資源稟賦，合理規(guī)劃可再生能源發(fā)展，滿足大范圍資源優(yōu)化配置與功率平衡問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文就長(zhǎng)期不確定性、短期不確定性、安全性評(píng)估、可靠性評(píng)估四個(gè)方面進(jìn)行綜述：
（1）長(zhǎng)期不確定性
為了提高新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃在長(zhǎng)期不確定性條件下的魯棒性，目前常用概率性方法與情景分析法。概率性方法指在已知不確定性參數(shù)的概率分布情況下，使用期望最大等方法得到其規(guī)劃方案。情景分析法指在不確定參數(shù)的概率分布未知的情況下，使用情景分析方法對(duì)不確定參數(shù)取值范圍進(jìn)行合理假設(shè)，進(jìn)而得到其規(guī)劃方案。
（2）短期不確定性
短期不確定性指由天氣與用戶行為的隨機(jī)性，導(dǎo)致數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的風(fēng)光出力與負(fù)荷需求的不確定。模型時(shí)空分辨率將直接影響模型的大小與變量的規(guī)模，進(jìn)而影響模型求解效率。權(quán)衡模型求解效率與準(zhǔn)確性是新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)之一。論文總結(jié)了兩類(lèi)處理不確定性的方法，包括外生法與內(nèi)生法，如圖3所示。外生法主要通過(guò)引入額外的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與評(píng)估模型等，對(duì)原有規(guī)劃模型的規(guī)劃方案進(jìn)行核驗(yàn)與修正，或者引入新的約束條件以迭代求解規(guī)劃方案。內(nèi)生法主要對(duì)長(zhǎng)期規(guī)劃中的短期運(yùn)行約束進(jìn)行精細(xì)化建模，以提高模型求解準(zhǔn)確性。
圖3 短期不確定性處理方法分類(lèi)
（3）保障系統(tǒng)發(fā)電充裕性
在我國(guó)發(fā)電充裕性機(jī)制不完善的情況下，可再生能源的快速發(fā)展與煤電的逐步退役使得發(fā)電充裕性問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。雖然可再生能源的接入能夠提高系統(tǒng)發(fā)電充裕性，但是其發(fā)電充裕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等容量的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組。為此，論文從發(fā)電充裕性來(lái)源、指標(biāo)與評(píng)估方法三方面來(lái)總結(jié)如何在電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃考慮發(fā)電充裕性約束。在發(fā)電充裕性評(píng)估方法方面，目前，美國(guó)不同電力市場(chǎng)對(duì)風(fēng)光可信容量的評(píng)估總結(jié)如表1所示。此外，也可根據(jù)需要采用基于可靠性評(píng)估、解析法與工程類(lèi)方法進(jìn)行可再生能源容量可信度評(píng)估。
表1 美國(guó)區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)光可信容量可信度
在評(píng)估方法方面，現(xiàn)有風(fēng)光可信容量計(jì)算方法與影響分析已較為透徹，但是在新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃中，以下幾個(gè)方面將有所不同：1）考慮不同時(shí)間尺度下的發(fā)電充裕性評(píng)估；目前充裕性規(guī)劃約束要求通常以年為基本單位，但風(fēng)光發(fā)電具有明顯的日特性、季節(jié)性特性與年際特性，在部分地區(qū)可能存在季節(jié)性充裕性不足的問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)功率失衡的風(fēng)險(xiǎn)增加。有必要研究更短時(shí)間尺度的風(fēng)光容量可信度計(jì)算方法、以及負(fù)荷隨機(jī)性對(duì)風(fēng)光可信容量的影響。2）考慮輸電阻塞對(duì)發(fā)電充裕性的影響；隨著可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，使得電網(wǎng)運(yùn)行愈加趨近輸電極限，因此，風(fēng)光容量可信度的計(jì)算需要考慮風(fēng)光發(fā)電機(jī)組的空間分布，以精細(xì)化評(píng)估不同空間位置的風(fēng)光可信容量。
（4）保障系統(tǒng)發(fā)電安全性
靜態(tài)安全性評(píng)估是保障電力系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)，論文從確定性與概率性評(píng)估兩方面總結(jié)長(zhǎng)期規(guī)劃模型如何考慮安全性約束。1）確定性評(píng)估常用N-1原則進(jìn)行安全性校核，為減少海量故障場(chǎng)景計(jì)算帶來(lái)的計(jì)算量問(wèn)題，可通過(guò)典型故障狀態(tài)生成或者迭代法逐步添加故障集，以減少計(jì)算量。然而，基于確定性原則的評(píng)估方法容易忽略事故發(fā)生的頻率和可能性以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性后果；2）在概率性評(píng)估方法中，蒙特卡洛抽樣法是常用的隨機(jī)模擬方法，通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行大量的抽樣，例如對(duì)系統(tǒng)中不同元件的狀態(tài)進(jìn)行抽樣，然后對(duì)每個(gè)事件進(jìn)行潮流計(jì)算，從而得到相應(yīng)的概率性指標(biāo)。
然而，傳統(tǒng)安全性評(píng)估方法難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃中源荷不確定性等問(wèn)題，具體包括：1）新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式多樣化，需要擴(kuò)展由可再生能源并網(wǎng)導(dǎo)致的故障集，刻畫(huà)系統(tǒng)故障或穩(wěn)定時(shí)的邊界；2）如何量化小概率、中高影響事件對(duì)安全性的影響；3）可再生能源機(jī)組與傳統(tǒng)同步機(jī)組的同步機(jī)制與動(dòng)態(tài)特性存在較大差異，使得經(jīng)典“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”定義不再適用，亟待完善相應(yīng)的基礎(chǔ)理論。
4.結(jié)論
電力部門(mén)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃無(wú)論是在長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃、短期電力系統(tǒng)運(yùn)行方面，都對(duì)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。針對(duì)新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃模型，本文總結(jié)目前主流的電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行模型研究框架以及建模過(guò)程中對(duì)長(zhǎng)期不確定性、短期不確定性、系統(tǒng)充裕性、系統(tǒng)安全性四個(gè)方面的主要解決方法，對(duì)不同方法的研究思路、應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析。最后，展望了電力系統(tǒng)長(zhǎng)期規(guī)劃有待進(jìn)一步研究的方向。包括：新興技術(shù)的研究、考慮不確定性的電力系統(tǒng)規(guī)劃決策、經(jīng)濟(jì)-電力-環(huán)境-健康等多部門(mén)耦合技術(shù)與模型，以及加強(qiáng)電力大數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用四個(gè)方面。
