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)同時面臨腰荷時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)計數(shù)據(jù)，分析了西北地區(qū)電力電量平衡的風(fēng)險特性，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)計出力數(shù)據(jù)，將部分新能源可信出力納入日前平衡計劃中，替代火電開機(jī)備用。在日內(nèi)運(yùn)行時，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（見圖1的時段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（見圖1的時段2）。
圖1 新能源出力不確定性下的供需失衡風(fēng)險
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，但風(fēng)險降低效果呈現(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，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)險概率的應(yīng)用場景，在最大負(fù)荷時刻，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，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，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，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，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，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
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。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)險事件時，部分風(fēng)險區(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，日間調(diào)峰能力嚴(yán)重不足導(dǎo)致棄風(fēng)棄光風(fēng)險。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，但受激勵價格、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、度冬等高峰時段開展有序用電，而難以引導(dǎo)負(fù)荷在低谷時段充分“填谷”。二是實(shí)時電價機(jī)制暫不成熟，現(xiàn)行西北峰谷時段的劃分不準(zhǔn)確、調(diào)整不及時，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
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期，預(yù)計西北沙戈荒大型風(fēng)光基地規(guī)劃建設(shè)約1.2億kW，且有超50%電量外送。現(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?。▍^(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，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、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)時交易品種及類型，針對不同需求提出日前、實(shí)時雙邊交易、主控區(qū)置換等多種靈活、高效的日前及實(shí)時跨省短期交易品種，通過開展高頻密集的實(shí)時交易充分調(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，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)測時間尺度有超短期（秒級）、短期（小時級、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)時等多時間尺度柔性調(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?？蛇M(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。備用機(jī)制的不確定性處理方法包括3種。1）統(tǒng)計學(xué)配置方法：基于新能源歷史出力數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，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)險性配置方法：基于風(fēng)險指標(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，提出了融合經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、風(fēng)險多指標(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)時功率不平衡問題。靈活的市場體系建設(shè)及有效的激勵機(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：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)。面向市場競價的用戶側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目包括需求側(cè)競價、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、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：合理的激勵機(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，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)時價格發(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)計了靈活塊交易的交易品種，包括小時交易、塊交易、鏈交易等，市場主體可根據(jù)實(shí)時能源特性在北歐集中式的平衡市場平臺競價投標(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)激勵以保障系統(tǒng)實(shí)時平衡。
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)以集中式計劃調(diào)度為主，缺乏實(shí)時電力平衡的激勵機(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，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?，F(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，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。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、電價與碳價的時空耦合關(guān)系，如提出了基于碳排約束下計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)電給予一定價格激勵的政策可行性，利用價格引導(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)資源的時間、地點(diǎn)、響應(yīng)效果與類型價值制定適應(yīng)的需求側(cè)響應(yīng)價格機(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)合不同時期的需求提出適度的煤炭指導(dǎo)價格或價格限值，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)險依然存在，但其風(fēng)險概率將隨著調(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，極有可能由過去部分時段的小概率事件轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟛糠謺r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。
