摘要 受新能源“無穩(wěn)定電力、有基礎(chǔ)電量”的發(fā)電特性影響，西北地區(qū)電力電量平衡特性呈現(xiàn)新形態(tài)，電網(wǎng)同時(shí)面臨腰荷時(shí)段的新能源消納壓力及早晚高峰的保供壓力。基于高比例新能源電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了西北地區(qū)電力電量平衡的風(fēng)險(xiǎn)特性，梳理了國內(nèi)外電力系統(tǒng)面向區(qū)域供需平衡的關(guān)鍵技術(shù)及配套市場機(jī)制，立足西北地區(qū)源網(wǎng)荷發(fā)展態(tài)勢，提出了兼顧電力可靠供應(yīng)和新能源高效消納的西北電網(wǎng)電力電量平衡措施與建議。
1 西北電網(wǎng)電力電量平衡風(fēng)險(xiǎn)分析
1.1 基于新能源可信出力的電力電量平衡分析
不同時(shí)間尺度下的電力電量平衡分析是制定電網(wǎng)機(jī)組調(diào)度及外送運(yùn)行方式、安排電源電網(wǎng)規(guī)劃方案的基礎(chǔ)?；谖鞅彪娋W(wǎng)新能源發(fā)電歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合新能源歷史統(tǒng)計(jì)出力數(shù)據(jù)，將部分新能源可信出力納入日前平衡計(jì)劃中，替代火電開機(jī)備用。在日內(nèi)運(yùn)行時(shí)，若新能源實(shí)際出力大于日前預(yù)測出力，且常規(guī)機(jī)組已處于最小出力，則新能源存在棄電風(fēng)險(xiǎn)（見圖1的時(shí)段1）；若新能源實(shí)際出力遠(yuǎn)小于日前預(yù)測出力，且常規(guī)機(jī)組上調(diào)容量不足，則部分時(shí)段全網(wǎng)最大發(fā)電功率將小于最大負(fù)荷需求，即電網(wǎng)存在損失負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)（見圖1的時(shí)段2）。
圖1 新能源出力不確定性下的供需失衡風(fēng)險(xiǎn)
Fig.1 Power supply-demand imbalance risks caused by renewable output uncertainties
1.2 考慮新能源可信出力的備用容量留取模式
電網(wǎng)的備用容量留取原則一般為預(yù)測負(fù)荷的2%~5%，用來平衡短時(shí)間尺度下的源荷側(cè)波動?？紤]到現(xiàn)階段西北電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率約為99%，基于正態(tài)分布來刻畫負(fù)荷預(yù)測誤差的概率分布，建立負(fù)荷預(yù)測偏差概率密度函數(shù)，基于西北歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)損失負(fù)荷概率與備用率的關(guān)系如圖2所示。系統(tǒng)備用率的提升可有效降低系統(tǒng)切負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)，但風(fēng)險(xiǎn)降低效果呈現(xiàn)非線性關(guān)系且逐漸變緩，在電網(wǎng)運(yùn)行中，若要求將系統(tǒng)切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)概率降至1%以下，則需將系統(tǒng)備用率提升至3.8%以上。
圖2 系統(tǒng)備用率與切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)概率關(guān)系
Fig.2 The relationship between system reserve rate and load shedding risk probability
在電網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模比較小時(shí)，系統(tǒng)備用容量可由常規(guī)火電機(jī)組提供，但此種備用方法會增大火電機(jī)組出力、降低新能源的消納空間。西北電網(wǎng)采取將部分新能源可信出力納入備用的模式，新能源納入備用的容量等于新能源預(yù)測出力乘以新能源出力納入備用的比例。日前預(yù)測新能源出力納入備用的比例越高，消納空間越高，但由于新能源預(yù)測不準(zhǔn)確，系統(tǒng)供電缺口風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。
以2020年西北最大負(fù)荷典型日為例，統(tǒng)籌考慮負(fù)荷與新能源出力的綜合預(yù)測誤差，設(shè)置3.8%系統(tǒng)備用率、1%系統(tǒng)損失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)概率的應(yīng)用場景，在最大負(fù)荷時(shí)刻，西北電網(wǎng)新能源備用納入比例為0.39，納入備用量為9733 MW，即面臨最大負(fù)荷時(shí)，需要新能源最小出力為9733 MW。
在實(shí)際運(yùn)行中，西北電網(wǎng)采取基于保證出力（供電保證率95%）的模式將新能源納入備用?；诮y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全網(wǎng)新能源預(yù)測出力所對應(yīng)的備用納入比例如表1所示。在新能源裝機(jī)容量一定時(shí)，其預(yù)測出力越高，存在的潛在預(yù)測偏差越高，為降低電力電量失衡風(fēng)險(xiǎn)，新能源納入備用比例會進(jìn)一步下降，以實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組合理開機(jī)。
表1 實(shí)際運(yùn)行中的新能源納入比例
Table 1 Ratio of renewable energy output included in the system reserve during actual power grid operation
1.3 與電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模相匹配的新能源最小出力測算分析
進(jìn)一步建立電網(wǎng)電力電量平衡測算體系，評估不同源網(wǎng)發(fā)展場景下的西北地區(qū)新能源最小出力需求，全網(wǎng)電力電量平衡方程式為
其中，
其中，新能源機(jī)組裝機(jī)與新能源保證出力呈單調(diào)正相關(guān)關(guān)系。
西北電網(wǎng)近幾年不同置信水平下新能源保證出力如圖3所示。考慮到西北電網(wǎng)新能源發(fā)電隨著裝機(jī)的增加而提升，西北電網(wǎng)新能源保證出力呈現(xiàn)逐年增長特征，基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的保證出力，可指導(dǎo)遠(yuǎn)期源網(wǎng)合理規(guī)劃與科學(xué)布局。
圖3 近年來西北電網(wǎng)新能源保證出力
Fig.3 The ensured output of renewable energy in Northwest power grid
2 西北電網(wǎng)電力電量平衡特征及挑戰(zhàn)
當(dāng)前西北電網(wǎng)平衡安全可分為2種：一種是新能源高比例消納及電力可靠供應(yīng)要求帶來的電力平衡風(fēng)險(xiǎn)，主要由電網(wǎng)負(fù)備用、新能源預(yù)測偏差及負(fù)荷偏差引起；另一種是轉(zhuǎn)型下電源結(jié)構(gòu)性矛盾帶來的電量平衡風(fēng)險(xiǎn)，主要由極端天氣、用電增長、跨區(qū)外濟(jì)容量不足、源荷發(fā)展不匹配以及新能源無法提供可信出力引起。
2.1 新能源高水平利用及電力可靠供應(yīng)要求下的電力平衡風(fēng)險(xiǎn)
1）新能源出力波動性與負(fù)荷尖峰化致使電力緊平衡。新能源出力與風(fēng)光等一次能源及氣候條件緊密耦合，無風(fēng)無光的氣候條件及高溫寒潮等極端天氣易對系統(tǒng)的新能源發(fā)電能力帶來沖擊，而難以預(yù)測的多風(fēng)及晴朗天氣會進(jìn)一步挑戰(zhàn)系統(tǒng)新能源消納能力。目前，風(fēng)光典型出力置信系數(shù)為5%~15%及0%~15%，疊加極端氣候場景影響，西北區(qū)內(nèi)區(qū)外同步的局部時(shí)段尖峰負(fù)荷與新能源出力特性難以匹配，新能源對電力的平衡支持能力不足。
2）新能源出力不確定性導(dǎo)致電力平衡存在缺口。在時(shí)間尺度上，西北電網(wǎng)可基本實(shí)現(xiàn)未來4 h內(nèi)的新能源發(fā)電出力可靠預(yù)測，但超過4 h的新能源出力預(yù)測準(zhǔn)確性不足，對火電機(jī)組啟停計(jì)劃提出較高要求；在空間上，目前新能源出力預(yù)測以省為單位，對于電網(wǎng)關(guān)鍵區(qū)域、重要通道近區(qū)的新能源出力關(guān)注較少，難以為調(diào)度運(yùn)行提供決策依據(jù)。
3）常態(tài)化負(fù)備用模式增加備用不足平衡風(fēng)險(xiǎn)。西北電網(wǎng)采取“全網(wǎng)常規(guī)電源負(fù)備用”的備用留取模式，該模式將新能源預(yù)測的95%置信概率出力納入備用。2020年西北電網(wǎng)常規(guī)能源負(fù)備用在500萬~1000萬kW，為新能源提供增發(fā)空間約230億kW?h，增發(fā)效果明顯。但該模式下，電力平衡已不由常規(guī)能源完全保障，而是取決于新能源出力。該種模式將電網(wǎng)平衡決定權(quán)交給了新能源，且備用計(jì)劃的制定遵循分調(diào)度區(qū)獨(dú)立的原則，因此，在應(yīng)對諸如新能源爬坡、機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)等高風(fēng)險(xiǎn)事件時(shí)，部分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可能出現(xiàn)由于備用資源不足而造成失負(fù)荷的情況。
4）調(diào)峰資源有限制約新能源高質(zhì)量消納。目前，電網(wǎng)晚高峰電力缺口持續(xù)增大導(dǎo)致切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，日間調(diào)峰能力嚴(yán)重不足導(dǎo)致棄風(fēng)棄光風(fēng)險(xiǎn)。西北地區(qū)調(diào)峰電源主要為梯級水電及煤電。其中，庫容水電受來水、防汛、防凌等多因素影響，全年豐平枯調(diào)峰能力差異較大，調(diào)節(jié)平衡能力有限；而部分煤電機(jī)組雖然已實(shí)施靈活性改造，深調(diào)可降至20%額定功率，但隨著西北地區(qū)火電裝機(jī)占比逐步下降，難以全面支撐全網(wǎng)深度調(diào)峰。
5）需求側(cè)靈活性資源不足。需求響應(yīng)主體多元，但受激勵(lì)價(jià)格、響應(yīng)模式、技術(shù)手段的約束，實(shí)施規(guī)模偏小。一是現(xiàn)階段大多以有序用電方式“削峰”，在迎峰度夏、度冬等高峰時(shí)段開展有序用電，而難以引導(dǎo)負(fù)荷在低谷時(shí)段充分“填谷”。二是實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制暫不成熟，現(xiàn)行西北峰谷時(shí)段的劃分不準(zhǔn)確、調(diào)整不及時(shí)，缺乏負(fù)荷側(cè)高效引導(dǎo)手段。三是需求側(cè)響應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施尚未普及，西北電網(wǎng)“虛擬儲能”等新型主體調(diào)節(jié)模式仍尚未大規(guī)模應(yīng)用。
2.2 電源結(jié)構(gòu)性矛盾下的電量平衡風(fēng)險(xiǎn)
1）常規(guī)電源“頂峰兜底”保障作用不足。受環(huán)保督查、安全生產(chǎn)整治等情況影響，常規(guī)火電改造滯后，加上靈活性改造后火電參與調(diào)峰調(diào)頻的邊際效益持續(xù)下降，火電企業(yè)普遍缺乏靈活性改造積極性；此外，為提高利潤，對沖煤價(jià)高企和低負(fù)荷率影響，部分火電轉(zhuǎn)型熱電聯(lián)產(chǎn)模式，一定程度上降低了機(jī)組發(fā)電能力。
2）新能源及水電發(fā)電量季節(jié)性差異大。新能源大發(fā)月與小發(fā)月的發(fā)電量存在波動，在迎峰度冬期間，將疊加防凌期、枯水期、低輻照度、風(fēng)資源持續(xù)偏小等因素，電量供應(yīng)出現(xiàn)硬缺口的概率極高。
3）外送通道及配套電源需持續(xù)優(yōu)化?！笆奈濉睍r(shí)期，預(yù)計(jì)西北沙戈荒大型風(fēng)光基地規(guī)劃建設(shè)約1.2億kW，且有超50%電量外送?，F(xiàn)有西北網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、站點(diǎn)布局及外送能力較難滿足地區(qū)風(fēng)光高速發(fā)展需求。需進(jìn)一步加快跨省跨區(qū)通道建設(shè)及配套電源投產(chǎn)，全面提升新能源空間配置能力。
4）省間現(xiàn)貨市場機(jī)制需進(jìn)一步完善。西北電網(wǎng)各省（區(qū)）間的負(fù)荷及新能源出力特性在季節(jié)上存在互補(bǔ)性，省間交易需求較大。一是缺乏靈活高頻的省間短期現(xiàn)貨交易機(jī)制，大量省間短期交易難以撮合；二是現(xiàn)貨市場與中長期市場銜接機(jī)制不清晰，在應(yīng)對新能源預(yù)測偏差、線路故障等場景時(shí)，現(xiàn)有現(xiàn)貨市場機(jī)制難以滿足新能源交易及消納需求。
3 西北電網(wǎng)電力電量平衡工作實(shí)踐
為應(yīng)對新能源波動性，保障西北區(qū)域全網(wǎng)電力電量平衡，西北電網(wǎng)開展了一系列的前期工作探索。
1）在源側(cè)新能源預(yù)測方面，建立預(yù)測分級、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)用化分級響應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)新能源可用功率-電量貢獻(xiàn)率的特征，結(jié)合棄電控制目標(biāo)、電網(wǎng)備用等因素，開展新能源預(yù)測電量分級預(yù)警工作，為電網(wǎng)柔性調(diào)度提供依據(jù)。
2）在網(wǎng)側(cè)柔性調(diào)度方面，提出將部分新能源可信出力納入電網(wǎng)備用的運(yùn)行機(jī)制，定量剖析了系統(tǒng)備用率與失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、提升新能源消納空間的耦合關(guān)系。結(jié)合西北電網(wǎng)各省錯(cuò)峰特性，進(jìn)一步將區(qū)域內(nèi)備用共享機(jī)制拓展到跨大區(qū)層面，跨區(qū)直流可回降量納入西北備用體系，實(shí)現(xiàn)“負(fù)備用”容量更大范圍和規(guī)模的常態(tài)化。
3）在荷側(cè)需求管理方面，在調(diào)研分析西北電網(wǎng)各類型負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，開展了系列峰谷電價(jià)優(yōu)化、提質(zhì)增效的措施。如2019年在青海開展了鐵合金行業(yè)峰谷電價(jià)優(yōu)化試點(diǎn)工作；2020年初，西北五省公司制定了利用峰谷電價(jià)提升負(fù)荷側(cè)調(diào)控能力試點(diǎn)推廣方案，穩(wěn)步擴(kuò)大峰谷電價(jià)優(yōu)化范圍和規(guī)模，推動西北電網(wǎng)需求側(cè)主動響應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行新模式。
4）在市場建設(shè)方面，一是豐富實(shí)時(shí)交易品種及類型，針對不同需求提出日前、實(shí)時(shí)雙邊交易、主控區(qū)置換等多種靈活、高效的日前及實(shí)時(shí)跨省短期交易品種，通過開展高頻密集的實(shí)時(shí)交易充分調(diào)用全網(wǎng)資源，促進(jìn)新能源消納。二是提出自備電廠“虛擬儲能”模式，挖掘各類手段的調(diào)峰能力，進(jìn)一步完善調(diào)峰服務(wù)市場規(guī)則，以提高傳統(tǒng)能源發(fā)電機(jī)組調(diào)峰的主動性與積極性，提升新能源消納空間。
5）在機(jī)組檢修方面，針對停電工程，借鑒事故分級模式，通過新能源風(fēng)險(xiǎn)辨識、分級及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)、源兩端停電工作統(tǒng)籌、協(xié)同，保障新能源消納最大化。同時(shí)，結(jié)合新能源發(fā)電資源月際間分布規(guī)律，避開新能源大發(fā)時(shí)段，形成基于新能源消納的停電“窗口期”。
4 面向高比例新能源電網(wǎng)的電力電量平衡關(guān)鍵技術(shù)及配套市場機(jī)制
電力電量平衡分析本質(zhì)上是在不同時(shí)間尺度下，通過對發(fā)用電平衡邊界的預(yù)測，根據(jù)不同平衡場景實(shí)際需求，基于規(guī)劃、運(yùn)行、市場等各類型綜合平衡方法，實(shí)現(xiàn)對源側(cè)多元機(jī)組出力、荷側(cè)柔性負(fù)荷、網(wǎng)側(cè)綜合互濟(jì)、儲側(cè)靈活調(diào)控等各類調(diào)節(jié)性資源的合理安排，以實(shí)現(xiàn)指定場景中可靠、低碳、靈活、經(jīng)濟(jì)等多類型目標(biāo)綜合優(yōu)化。電力電量平衡關(guān)鍵技術(shù)如圖4所示。
圖4 電力電量平衡關(guān)鍵技術(shù)
Fig.4 Key technologies for power supply-demand balance
4.1 短期電力平衡機(jī)制
為應(yīng)對新能源短期波動性，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)對新能源不確定性的快速響應(yīng)，以源網(wǎng)荷柔性調(diào)度及市場機(jī)制配套為著眼點(diǎn)，采用靈活調(diào)控手段引導(dǎo)主體主動參與至平衡機(jī)制中，保障短時(shí)間尺度下的電力平衡。
4.1.1 區(qū)域發(fā)用電預(yù)測
高比例新能源電力系統(tǒng)預(yù)測主體多、時(shí)空尺度廣、耦合影響因素多維、數(shù)據(jù)模式復(fù)雜。新能源與負(fù)荷預(yù)測作為指導(dǎo)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)確定性的預(yù)測方法預(yù)測準(zhǔn)確性低、擴(kuò)展性差、數(shù)據(jù)處理難度大，不適用于高不確定性下的電力系統(tǒng)供需態(tài)勢預(yù)測。由此，國內(nèi)外專家學(xué)者提出一系列概率預(yù)測技術(shù)，通過評估預(yù)測不確定性的概率分布，實(shí)現(xiàn)對預(yù)測對象的概率分布信息的量化分析與建模。概率預(yù)測時(shí)間尺度有超短期（秒級）、短期（小時(shí)級、天級）、中長期（月度、季度）；主要表現(xiàn)形式包括概率密度預(yù)測、分位數(shù)預(yù)測、區(qū)間預(yù)測等；采用的方法有統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)測方法、人工智能預(yù)測方法、組合預(yù)測方法等。對于風(fēng)、光、水及負(fù)荷等源荷側(cè)差異化對象，以及不同時(shí)間尺度下需求場景，可分別選取不同的輸入元素及多類型的預(yù)測模型算法提升預(yù)測準(zhǔn)確度。
4.1.2 柔性調(diào)度機(jī)制
為保障電力系統(tǒng)中長期/實(shí)時(shí)電力電量平衡，解決辦法之一是基于全網(wǎng)電力電量平衡指標(biāo)，通過完善電網(wǎng)現(xiàn)有的優(yōu)化調(diào)度機(jī)制和管理手段，減少預(yù)測偏差帶來的不確定性影響。系統(tǒng)歸納了電力電量平衡指標(biāo)，指出高比例新能源電力系統(tǒng)不能僅以電力電量平衡充裕度為目標(biāo)，在規(guī)劃配置時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性、新能源消納率、碳排放率等多維目標(biāo)。介紹了面向電力電量平衡的剩余容量日利用小時(shí)控制法、余荷逐次后移法等模型方法在源側(cè)機(jī)組調(diào)度的應(yīng)用。分別基于機(jī)會約束、魯棒優(yōu)化、多階段優(yōu)化、隨機(jī)規(guī)劃等建立了考慮新能源預(yù)測誤差與負(fù)荷不確定性下電網(wǎng)電力電量平衡經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型和方法。分別提出了日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)等多時(shí)間尺度柔性調(diào)度機(jī)制，結(jié)合多類型的柔性響應(yīng)負(fù)荷，對調(diào)節(jié)性機(jī)組進(jìn)行滾動協(xié)調(diào)調(diào)度，以提升電網(wǎng)電力電量綜合平衡能力。
高占比新能源電力系統(tǒng)預(yù)測、調(diào)度、運(yùn)行涉及多目標(biāo)、多因素的協(xié)調(diào)耦合，現(xiàn)階段研究多采用不確定集構(gòu)建、多場景生成等方式描述隨機(jī)不確定因素，在確保系統(tǒng)電力電量平衡可行下獲得經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。但優(yōu)化過程決策變量與約束條件多，存在計(jì)算負(fù)擔(dān)重、收斂不穩(wěn)定、邊界等效假設(shè)較強(qiáng)等問題。可進(jìn)一步考慮通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)高比例新能源電力系統(tǒng)的可觀和可控，利用新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建替代傳統(tǒng)物理建模方法，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自趨優(yōu)電力電量平衡。
4.1.3 靈活備用機(jī)制
間歇性新能源與可響應(yīng)負(fù)荷的廣泛接入對靈活備用機(jī)制提出了更高要求，備用配置應(yīng)并行考慮負(fù)荷與新能源的波動特性以降低系統(tǒng)失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。備用機(jī)制的不確定性處理方法包括3種。1）統(tǒng)計(jì)學(xué)配置方法：基于新能源歷史出力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可得到生成新能源出力的概率分布函數(shù)，以新能源出力置信區(qū)間的下邊界（即一定保證出力）為標(biāo)準(zhǔn)，將新能源保證出力納入備用，如西北電網(wǎng)采取的備用留取模式。2）概率性配置方法：統(tǒng)籌考慮供需不確定性，通過設(shè)定電力系統(tǒng)供電可靠性置信區(qū)間并在該置信區(qū)間范圍內(nèi)滾動優(yōu)化備用方案，如建立考慮電網(wǎng)檢修、預(yù)測誤差等約束在內(nèi)的基于機(jī)會約束規(guī)劃的備用優(yōu)化方法；提出了基于新能源發(fā)電偏差優(yōu)化的備用容量在線滾動決策模型以保障供電可靠性。3）風(fēng)險(xiǎn)性配置方法：基于風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)確定電力系統(tǒng)備用裕度的配置，如以系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)最小為目標(biāo)建立旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化配置模型，保障新能源電力系統(tǒng)電力供給充裕度；考慮風(fēng)電備用風(fēng)險(xiǎn)，提出了融合經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、風(fēng)險(xiǎn)多指標(biāo)的期望值與最優(yōu)值的電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。
現(xiàn)階段研究多采用不確定集構(gòu)建、多場景生成等方式描述隨機(jī)不確定因素。在高比例新能源系統(tǒng)中，源荷雙邊劇烈波動將致使系統(tǒng)對靈活性調(diào)節(jié)資源的需求大幅增加，在高可控常規(guī)電源被新能源替代、系統(tǒng)靈活電源比例日趨降低的發(fā)展形勢下，單純靠常規(guī)機(jī)組的備用電源保障系統(tǒng)電力電量平衡的模式成本昂貴且不可行，須進(jìn)一步挖掘源網(wǎng)荷各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性調(diào)節(jié)潛力參與電網(wǎng)電力電量平衡。
4.1.4 用戶側(cè)需求響應(yīng)
在用戶側(cè)，以儲能、電動汽車、電供暖、建筑電氣化為代表的新型多元化柔性負(fù)荷的出現(xiàn)，為電力系統(tǒng)提供了更大的靈活性，可應(yīng)對電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率不平衡問題。靈活的市場體系建設(shè)及有效的激勵(lì)機(jī)制對于將用戶側(cè)響應(yīng)潛力納入電網(wǎng)調(diào)控范圍內(nèi)具有重要意義。
1）市場競價(jià)：通過設(shè)置合理的用戶側(cè)交易品種，促使用戶將其可調(diào)節(jié)資源作為一種中長期/短期靈活交易產(chǎn)品主動參與市場競爭是現(xiàn)階段用戶側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的研究熱點(diǎn)。面向市場競價(jià)的用戶側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目包括需求側(cè)競價(jià)、容量市場項(xiàng)目和輔助服務(wù)項(xiàng)目等。用戶可基于其靈活可調(diào)節(jié)電力參與輔助服務(wù)市場競價(jià)、主輔市場聯(lián)合出清等；或基于其全部電力需求在集中市場提供需求側(cè)競價(jià)曲線等。構(gòu)建了基于電力庫的需求響應(yīng)資源交易模型并實(shí)現(xiàn)“多買方”“多賣方”出清。2）市場激勵(lì)：合理的激勵(lì)機(jī)制也可引導(dǎo)用戶側(cè)響應(yīng)資源高效響應(yīng)。面向市場激勵(lì)的用戶側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目包括直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷、緊急需求響應(yīng)等，理論研究主要集中在基于用戶側(cè)響應(yīng)偏好模型，利用息票策略、博弈論等數(shù)學(xué)建模方法實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)側(cè)激勵(lì)模式的優(yōu)選，從而引導(dǎo)用戶側(cè)自適應(yīng)調(diào)節(jié)用電行為，達(dá)到系統(tǒng)最大化消納新能源、實(shí)現(xiàn)電力電量平衡等目的。
4.1.5 電力平衡市場建設(shè)
平衡市場作為維持電力供需平衡的關(guān)鍵一環(huán)，是現(xiàn)貨市場的重要組成部分。國外典型電力市場引入市場化的平衡機(jī)制，由調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)用平衡輔助服務(wù)、調(diào)節(jié)機(jī)組出力等方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電力平衡。深入分析成熟的電力市場如北歐、英國和美國PJM平衡市場的設(shè)計(jì)，在平衡資源獲取、責(zé)任劃分和平衡考核結(jié)算等方面總結(jié)了平衡市場的基本運(yùn)行框架；指出平衡市場有助于為主輔市場提供實(shí)時(shí)價(jià)格發(fā)現(xiàn)信號，為不平衡電量結(jié)算和系統(tǒng)平衡成本結(jié)算分?jǐn)偺峁┮罁?jù)。
傳統(tǒng)的平衡輔助服務(wù)是面向負(fù)荷預(yù)測誤差、線路故障、機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)等概率性事件下的電網(wǎng)平衡問題，無法有效響應(yīng)高比例新能源電網(wǎng)快速變化的凈負(fù)荷。為解決大規(guī)模新能源并網(wǎng)下的靈活調(diào)節(jié)資源短缺問題，部分國家通過豐富市場化的短期靈活性交易品種，引導(dǎo)電網(wǎng)電力電量供需靈活性資源的高效精準(zhǔn)匹配。在北歐成熟的日前現(xiàn)貨市場中，設(shè)計(jì)了靈活塊交易的交易品種，包括小時(shí)交易、塊交易、鏈交易等，市場主體可根據(jù)實(shí)時(shí)能源特性在北歐集中式的平衡市場平臺競價(jià)投標(biāo)。在美國部分區(qū)域電力市場，配置了靈活調(diào)節(jié)服務(wù)交易品種（flexible ramping products，F(xiàn)RP），對市場主體提供與機(jī)會成本匹配的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)以保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡。
中國正處于輔助服務(wù)市場和主能量市場解耦運(yùn)行、中長期市場與現(xiàn)貨市場逐步銜接的階段。目前主能量市場仍按電量交易和偏差考核結(jié)算，系統(tǒng)以集中式計(jì)劃調(diào)度為主，缺乏實(shí)時(shí)電力平衡的激勵(lì)機(jī)制及平衡成本分?jǐn)偟氖袌鰴C(jī)制。需進(jìn)一步探索競爭性的平衡服務(wù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)平衡服務(wù)市場與現(xiàn)貨市場、市場運(yùn)營與集中調(diào)度的有效銜接；通過建立多時(shí)間尺度、多品種平衡資源市場化交易機(jī)制，明確平衡服務(wù)的真實(shí)價(jià)值，引導(dǎo)多元主體參與電力系統(tǒng)供需平衡調(diào)節(jié)及靈活性服務(wù)。
4.2 中長期電量平衡機(jī)制
新型電力系統(tǒng)建設(shè)下，源網(wǎng)荷儲規(guī)劃呈現(xiàn)出互動性、不確定性、多目標(biāo)性、多階段性、多主體性等新特征，從源網(wǎng)規(guī)劃層面結(jié)合源網(wǎng)荷儲運(yùn)行特性保障電網(wǎng)中長期電力電量平衡、促進(jìn)新能源健康發(fā)展亟待進(jìn)一步深化研究。
4.2.1 源網(wǎng)荷儲協(xié)同規(guī)劃
新形勢下的源網(wǎng)規(guī)劃需要對電力系統(tǒng)不同時(shí)空尺度下的電力電量平衡態(tài)勢及靈活性需求進(jìn)行預(yù)測和分析，以滿足負(fù)荷增長需求為導(dǎo)向，統(tǒng)籌考慮互動性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境效益等多目標(biāo)，為電力系統(tǒng)的規(guī)劃及運(yùn)行提供邊界條件及規(guī)劃方案。其中，由于新能源出力及負(fù)荷多時(shí)空耦合具有較大的不確定性，需要進(jìn)一步研究多目標(biāo)下考慮不確定性的源網(wǎng)荷儲協(xié)同規(guī)劃方法。國內(nèi)外專家學(xué)者基于概率建模、模糊建模、區(qū)間建模、多場景分析、機(jī)會約束和魯棒優(yōu)化等理論方法處理規(guī)劃環(huán)節(jié)不確定性；基于加權(quán)系數(shù)法、ε-約束法、法線邊界交叉法、博弈論、Pareto 理論處理等方法解決多目標(biāo)問題?？偟膩碇v，國內(nèi)外研究側(cè)重于基于不同的模型及算法為規(guī)劃者提供不同靈活尺度下的規(guī)劃方案，從而使規(guī)劃方案足以應(yīng)對源荷側(cè)長短期多重不確定性，保障系統(tǒng)電力電量平衡。
此外，現(xiàn)階段面向源網(wǎng)荷協(xié)同規(guī)劃多通過時(shí)序概率仿真、隨機(jī)生產(chǎn)模擬技術(shù)及運(yùn)行模擬技術(shù)等方法實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的評估校驗(yàn)。而高比例新能源電網(wǎng)凈負(fù)荷呈現(xiàn)出季節(jié)敏感性高、日波動性強(qiáng)，不同規(guī)劃目標(biāo)下對運(yùn)行時(shí)間尺度顆粒度訴求不一致，且規(guī)劃方案的種類繁多、參數(shù)各異，從數(shù)學(xué)上應(yīng)屬于高維非線性優(yōu)化問題，計(jì)算求解難度較大。這也給“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同規(guī)劃下的電力電量平衡帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)階段缺乏適用于高比例可再生能源的源網(wǎng)荷儲協(xié)同規(guī)劃的系統(tǒng)模型，及其配套的時(shí)序仿真技術(shù)、模擬規(guī)劃流程及實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)。
4.2.2 多能互補(bǔ)供應(yīng)體系電源結(jié)構(gòu)
從國內(nèi)外新能源電力消納的情況來看，電源結(jié)構(gòu)中需要增加與新能源裝機(jī)容量相應(yīng)的60%以上的靈活性調(diào)節(jié)電源，但截至2021年底，中國含燃?xì)鈾C(jī)組、抽水蓄能、日調(diào)節(jié)水電機(jī)組在內(nèi)的靈活性調(diào)節(jié)電源裝機(jī)僅占總電源裝機(jī)的18.5%。僅依靠傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)組靈活性提升難以匹配新能源快速增長下的靈活性需求。廣義的靈活性調(diào)節(jié)電源還包括風(fēng)光水儲耦合互補(bǔ)系統(tǒng)、用戶側(cè)綜合能源供應(yīng)、網(wǎng)源側(cè)規(guī)?；瘍δ艿燃夹g(shù)。
在高比例新能源電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線將隨著新能源出力的波動而產(chǎn)生較大波動，在進(jìn)行電源規(guī)劃時(shí)，若忽略或者過于簡化新能源出力的高隨機(jī)性，極易增加由于電源結(jié)構(gòu)性不合理而導(dǎo)致的電網(wǎng)電力電量平衡風(fēng)險(xiǎn)。如何在電源規(guī)劃中全面評估電力系統(tǒng)廣泛的靈活調(diào)節(jié)資源并作為優(yōu)化決策變量納入規(guī)劃模型中，成為電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的重點(diǎn)問題。指出在電源投資決策模型中靈活性充裕度配置不足易導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤評估電網(wǎng)的新能源接納能力；提出了適應(yīng)中長期的低成本高靈活性的電源規(guī)劃模型；建立評估發(fā)電系統(tǒng)靈活性指標(biāo)，提出了基于帕累托最優(yōu)的面向靈活性與經(jīng)濟(jì)性均衡的電源規(guī)劃模型；通過對機(jī)組靈活性評價(jià)分級，實(shí)現(xiàn)新能源消納與電力電量平衡目標(biāo)下的電源擴(kuò)展規(guī)劃決策。
面對國內(nèi)能源轉(zhuǎn)型和碳減排要求，需要構(gòu)建多元協(xié)同的新型供應(yīng)體系，打造“強(qiáng)平衡”型電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、規(guī)模及空間布局的綜合優(yōu)化。合理的電源規(guī)劃方案有助于從電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度提高新能源的消納能力、保障足夠靈活性充裕度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電力電量實(shí)時(shí)平衡，滿足電網(wǎng)迎峰度夏以及迎峰度冬期間的電力電量供應(yīng)需求。
4.2.3 多品種能源互補(bǔ)互濟(jì)
“風(fēng)光水火儲一體化”“源網(wǎng)荷儲一體化”協(xié)同發(fā)展是高比例新能源電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。1）在不同時(shí)間尺度與空間尺度上，風(fēng)、光、水等不同可再生能源種類出力具有一定的互補(bǔ)特性及區(qū)域平滑效應(yīng)，其波動性隨空間范圍的擴(kuò)大而減小。2）在耦合互補(bǔ)性能上，新能源與水電、儲能、火電等可調(diào)節(jié)設(shè)備構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化，可發(fā)揮不同能源品種的優(yōu)勢與潛力。具體而言，在調(diào)節(jié)速率上，光伏調(diào)節(jié)速率最快，其次是風(fēng)電，而火電的調(diào)節(jié)速率相對最慢；在調(diào)節(jié)深度方面，常規(guī)機(jī)組可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)而成本相對高，而新能源機(jī)組調(diào)節(jié)成本低但處于優(yōu)先發(fā)電位置，調(diào)節(jié)能力相對較弱。多品種能源協(xié)調(diào)運(yùn)行耦合互補(bǔ)互濟(jì)，有利于擴(kuò)大電力供需資源的優(yōu)化配置規(guī)模，降低電網(wǎng)在大范圍內(nèi)的平衡壓力。
4.2.4 大電網(wǎng)調(diào)峰備用綜合互濟(jì)
互聯(lián)電網(wǎng)在整合多區(qū)域調(diào)峰備用資源及優(yōu)化配置方面的優(yōu)勢逐步凸顯，跨區(qū)調(diào)峰備用綜合互濟(jì)作為解決系統(tǒng)低谷調(diào)峰困難、提升電網(wǎng)調(diào)度靈活性、保障大電網(wǎng)電力電量平衡的有效途徑，引起了廣泛關(guān)注。
多區(qū)域調(diào)峰備用調(diào)度機(jī)制的建設(shè)需統(tǒng)籌考慮區(qū)域電網(wǎng)新能源出力及負(fù)荷特性、多區(qū)域調(diào)峰備用資源的供需差異性、多區(qū)域效益分配機(jī)制及區(qū)域間互聯(lián)線路約束等多維度問題。依據(jù)區(qū)域備用資源供需特性，以全網(wǎng)備用容量最小為目標(biāo)建立全網(wǎng)備用配置模型，以提升區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但降低全網(wǎng)備用容量易忽略小概率的風(fēng)險(xiǎn)事件，源荷出力隨機(jī)特性會進(jìn)一步增加全網(wǎng)面向電力電量平衡的風(fēng)險(xiǎn)控制成本。部分專家學(xué)者通過將系統(tǒng)電力電量平衡風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)納入互聯(lián)電網(wǎng)調(diào)峰備用配置模型中，建立考慮不確定性下的調(diào)峰備用跨區(qū)優(yōu)化調(diào)度模型。如量化失負(fù)荷概率和棄風(fēng)概率與多區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行備用間的耦合關(guān)系；基于電力電量不足概率期望值指標(biāo)約束，提出了多區(qū)域概率性備用獲取模型，以指導(dǎo)考慮跨區(qū)備用供需匹配下的機(jī)組組合安排；提出了面向典型場景下的多區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控模型及備用機(jī)制。此外，進(jìn)一步打破區(qū)域省間調(diào)峰備用交易壁壘，利用市場化手段及效益分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)省間和區(qū)域間主動備用互濟(jì)，有利于降低有序用電與新能源棄電風(fēng)險(xiǎn)概率，提升大電網(wǎng)多區(qū)域靈活性資源優(yōu)化配置能力。
4.2.5 多元市場統(tǒng)一銜接
市場作為新能源高效消納的“指揮棒”，實(shí)現(xiàn)碳市場、輔助服務(wù)市場、現(xiàn)貨市場及中長期市場等多元省間省內(nèi)統(tǒng)一融合，以市場價(jià)格引導(dǎo)新能源及源荷側(cè)靈活性資源協(xié)調(diào)發(fā)展。一是可開展新能源與火電、水電、自備電廠的發(fā)電權(quán)及碳交易市場，或基于一定的效益分配機(jī)制引導(dǎo)多能源耦合系統(tǒng)聯(lián)合參與主輔多級市場，形成新能源積極提供穩(wěn)定電量、常規(guī)能源深度配合平滑電力服務(wù)的格局。二是可加快調(diào)節(jié)性資源容量市場建設(shè)，一方面，靈活性資源投資的部分成本可通過容量市場回收，解決企業(yè)投資回報(bào)率較低的問題；另一方面，可為新能源規(guī)模發(fā)展拓寬市場化消納空間。三是分階段逐步推進(jìn)電力市場、碳市場、綠證市場等建設(shè)，剖析電力潮流與碳流、電價(jià)與碳價(jià)的時(shí)空耦合關(guān)系，如提出了基于碳排約束下計(jì)及碳交易和綠證交易的市場集中出清模型；分析了碳交易對電力市場出清均衡的影響。
5 西北電網(wǎng)電力電量平衡應(yīng)對措施
5.1 短期電力平衡問題應(yīng)對措施
針對新能源高水平利用率及尖峰負(fù)荷保供要求帶來的平衡問題，建議從調(diào)度管理及市場機(jī)制建設(shè)方面進(jìn)行提升。
1）提升新能源與負(fù)荷多時(shí)空尺度的預(yù)測精度，為提升電網(wǎng)柔性調(diào)控水平提供更好支撐。持續(xù)優(yōu)化提升新能源預(yù)測考核標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步拓展預(yù)測的空間尺度，提高電網(wǎng)關(guān)鍵區(qū)域、重要通道近區(qū)的新能源出力的關(guān)注度。細(xì)化負(fù)荷預(yù)測顆粒度，從日前預(yù)測分解到日內(nèi)分時(shí)預(yù)測，研究氣候、節(jié)假日等關(guān)鍵環(huán)境因素對負(fù)荷預(yù)測的耦合影響機(jī)理。
2）建立“水電協(xié)同”運(yùn)行模式和黃河全流域水庫水量調(diào)度模式。以水量調(diào)度計(jì)劃、水庫安全水位等條件為約束，以水資源利用最大化為目標(biāo)，綜合電網(wǎng)安全、新能源消納等需求，進(jìn)一步提升干支流聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度水平，充分發(fā)揮水電廠調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)黃河流域資源利用和高質(zhì)量發(fā)展。
3）推動儲能、抽水蓄能、光熱發(fā)電等靈活性調(diào)節(jié)電源入網(wǎng)。完善儲能、抽水蓄能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的市場化補(bǔ)償機(jī)制及市場建設(shè)方案；探索對光熱發(fā)電、配有合理比例儲能的新能源發(fā)電給予一定價(jià)格激勵(lì)的政策可行性，利用價(jià)格引導(dǎo)推動儲能、抽水蓄能、光熱發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)性能。
4）加快省間現(xiàn)貨市場及省內(nèi)輔助服務(wù)市場建設(shè)進(jìn)程。一是完善以中長期交易為主、現(xiàn)貨交易為補(bǔ)充的省間交易體系，擴(kuò)大新能源跨省交易與省間互補(bǔ)余濟(jì)規(guī)模。二是探索省級現(xiàn)貨市場逐步引入用戶側(cè)的可行性，推動市場由單邊到雙邊的轉(zhuǎn)變，將電力供應(yīng)形勢傳導(dǎo)至用戶，有序擴(kuò)大市場主體和資源優(yōu)化配置的范圍。三是統(tǒng)籌中長期、現(xiàn)貨與應(yīng)急調(diào)度多層級交易框架，推進(jìn)調(diào)峰、備用、頂峰多類型輔助服務(wù)品種，為新能源更大范圍消納提供市場基礎(chǔ)。
5）完善電力需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制。分階段、分重點(diǎn)建立用戶需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目，引入電動汽車、智慧樓宇等新興負(fù)荷，基于需求側(cè)靈活響應(yīng)資源的時(shí)間、地點(diǎn)、響應(yīng)效果與類型價(jià)值制定適應(yīng)的需求側(cè)響應(yīng)價(jià)格機(jī)制，進(jìn)一步擴(kuò)大可參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的用戶規(guī)模，在電力供應(yīng)緊張時(shí)期挖掘調(diào)用可中斷負(fù)荷，引導(dǎo)節(jié)約、有序、合理用電。
5.2 中長期電量平衡問題應(yīng)對措施
針對中長期源網(wǎng)結(jié)構(gòu)矛盾帶來的平衡問題，建議以源網(wǎng)資源優(yōu)化配置展開。
1）開展煤炭價(jià)格指導(dǎo)。建議政府部門聯(lián)合大型煤企、發(fā)電集團(tuán)共同建立煤炭、電力的鏈條式能源經(jīng)營管理機(jī)制，結(jié)合不同時(shí)期的需求提出適度的煤炭指導(dǎo)價(jià)格或價(jià)格限值，營造良好的火力發(fā)電的上下游生態(tài)環(huán)境。
2）開展兼顧“保安全”和“調(diào)結(jié)構(gòu)”雙目標(biāo)的水火電新增規(guī)模和布局研究。落實(shí)“科學(xué)發(fā)揮煤電對高峰用電的支撐作用，切實(shí)保障能源安全”要求，結(jié)合“十四五”期間新能源年度裝機(jī)規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮電力保供安全和新能源發(fā)展目標(biāo)，開展常規(guī)電源發(fā)展的適應(yīng)性研究。根據(jù)電網(wǎng)安全約束和調(diào)峰電源支撐的需求，建議政府相關(guān)部門采用機(jī)組“延壽”及緩建火電分批建設(shè)投產(chǎn)等方式提升電力供應(yīng)保障能力。
3）強(qiáng)化跨區(qū)備用互濟(jì)機(jī)制，打造“全國一盤棋”。加大跨區(qū)平衡統(tǒng)籌力度。將電網(wǎng)平衡的范圍逐漸由“西北統(tǒng)籌”常態(tài)化轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭珖y(tǒng)籌”，結(jié)合省間市場及跨區(qū)輔助服務(wù)市場的進(jìn)度，建立跨區(qū)直流柔性調(diào)整機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。
預(yù)計(jì)在未來電網(wǎng)運(yùn)行中，西北電網(wǎng)新能源高比例消納及電力可靠供應(yīng)引起的短期電力平衡風(fēng)險(xiǎn)依然存在，但其風(fēng)險(xiǎn)概率將隨著調(diào)度管理技術(shù)的發(fā)展及市場建設(shè)的優(yōu)化變得相對可控。針對能源轉(zhuǎn)型下電源結(jié)構(gòu)矛盾引起的中長期電量風(fēng)險(xiǎn)，極有可能由過去部分時(shí)段的小概率事件轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟛糠謺r(shí)段均有可能出現(xiàn)的大概率事件，亟須引起充分重視，引導(dǎo)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)與布局，保障全網(wǎng)電力電量平衡及新能源的健康發(fā)展。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
