(中國電力科學(xué)研究院新能源研究中心)

在“雙碳”目標(biāo)和新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，預(yù)計(jì)到2030年，我國新能源裝機(jī)容量將超過12億千瓦。新能源“大裝機(jī)、小出力”的特點(diǎn)給電力系統(tǒng)的電力電量平衡帶來巨大挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)面臨“保供電”和“保消納”雙重壓力。年/月中長期電力電量平衡量化分析是電力系統(tǒng)規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)電力保供和新能源消納至關(guān)重要。

新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬是科學(xué)量化分析電力電量平衡的有效方法。它通過建立“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”運(yùn)行模擬模型，開展長時(shí)間尺度時(shí)序運(yùn)行仿真，優(yōu)化各類電源開機(jī)及發(fā)電、線路交換功率等，是合理安排新能源發(fā)展規(guī)模、布局和時(shí)序，優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要手段。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬未考慮新能源出力的隨機(jī)波動(dòng)特性和電力系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序性，難以準(zhǔn)確模擬新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行，亟需開展新能源電力系統(tǒng)年/月時(shí)序生產(chǎn)模擬技術(shù)攻關(guān)。

依托國家和國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目，國家科技重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“新能源發(fā)電調(diào)度運(yùn)行技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”歷時(shí)10年，采用“基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用推廣”的技術(shù)路線，研發(fā)了新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬軟件（REPS）和國-網(wǎng)-省新能源消納能力協(xié)同計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了新能源電力系統(tǒng)中長期電力電量平衡量化分析，為我國新能源相關(guān)政策的制定和實(shí)施提供了重要依據(jù)。

（1）新能源中長期電量預(yù)測與時(shí)間序列建模

開展新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬需要預(yù)測新能源中長期電量，并構(gòu)建符合新能源運(yùn)行特性的出力時(shí)間序列。新能源中長期電量預(yù)測受氣候變化及局地特征對(duì)發(fā)電的影響，技術(shù)難度高，國內(nèi)外尚未開展；其出力序列隨機(jī)波動(dòng)形態(tài)復(fù)雜，時(shí)序模擬尤為困難。

團(tuán)隊(duì)提出了歷史發(fā)電序列變化規(guī)律挖掘與風(fēng)光資源氣候態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的中長期電量熵權(quán)組合預(yù)測方法；提出了基于SOM聚類和波動(dòng)過程轉(zhuǎn)移的風(fēng)電時(shí)間序列建模方法以及基于凈空確定性和天氣特征不確定性的光伏發(fā)電時(shí)間序列建模方法。采用28個(gè)省級(jí)及以上新能源運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。

圖1 風(fēng)電出力時(shí)間序列建模方法

圖2 光伏出力時(shí)間序列建模方法

（2）新能源電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬建模與快速求解

開展電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬需要準(zhǔn)確模擬電網(wǎng)運(yùn)行方式，且計(jì)算時(shí)間需滿足工程應(yīng)用要求。省級(jí)電網(wǎng)平衡范圍大，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)元件數(shù)量多，建立滿足電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況的生產(chǎn)模擬模型并實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算難度極大。

團(tuán)隊(duì)建立了基于火電機(jī)組啟停多狀態(tài)聚合、水電站時(shí)序多周期電力電量約束、抽蓄和電化學(xué)儲(chǔ)能多運(yùn)行狀態(tài)模擬、可調(diào)負(fù)荷電力電量縱橫轉(zhuǎn)移約束的時(shí)序生產(chǎn)模擬模型，提出了變量空間等價(jià)映射的非線性約束線性化和優(yōu)化模型逐周分解方法，實(shí)現(xiàn)了省級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行方式的快速準(zhǔn)確模擬。

（3）多區(qū)域交直流互聯(lián)系統(tǒng)生產(chǎn)模擬建模

實(shí)現(xiàn)新能源大范圍消納需要大電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)。我國跨省跨區(qū)交直流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行方式多變，且電力系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件互相耦合，交直流大電網(wǎng)生產(chǎn)模擬準(zhǔn)確建模和快速求解難度大。

團(tuán)隊(duì)建立了時(shí)序限額及環(huán)流抑制的省間交流聯(lián)絡(luò)線、調(diào)節(jié)頻次和形狀動(dòng)態(tài)約束的階梯化跨區(qū)直流聯(lián)絡(luò)線輸送功率優(yōu)化模型，以及多層分區(qū)嵌套的備用容量優(yōu)化模型，提出了全局與局部變量解耦迭代的分布式優(yōu)化快速求解方法，解決了包含6大區(qū)域電網(wǎng)、27個(gè)省級(jí)電網(wǎng)的聯(lián)合生產(chǎn)模擬難題。

（4）新能源生產(chǎn)模擬軟件和消納能力協(xié)同計(jì)算平臺(tái)

國-網(wǎng)-省多級(jí)電網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)同計(jì)算分析需要保證數(shù)據(jù)同步和結(jié)果的一致性。由于應(yīng)用需求復(fù)雜、分析場景眾多，軟件的適應(yīng)性、靈活性和業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)難度巨大。

團(tuán)隊(duì)提出了本地分散優(yōu)化、遠(yuǎn)程互聯(lián)邊界校核與結(jié)果共享的國-網(wǎng)-省消納能力協(xié)同計(jì)算方法，建立了源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)對(duì)象組件化、優(yōu)化模型動(dòng)態(tài)裝載的軟件架構(gòu)，研發(fā)了新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬軟件和國-網(wǎng)-省消納能力協(xié)同計(jì)算平臺(tái)，具備新建案例、電網(wǎng)建模、風(fēng)電/光伏發(fā)電時(shí)間序列建模、運(yùn)行方式設(shè)定、案例批量生成與計(jì)算、協(xié)同計(jì)算等功能。平臺(tái)已成為國家電網(wǎng)公司促進(jìn)新能源消納的重要分析工具。

研究成果已在國調(diào)中心、南網(wǎng)總調(diào)、東北、西北、華北、吉林、青海等28個(gè)省級(jí)及以上電力調(diào)控中心應(yīng)用。自2014年以來，連續(xù)8年開展了國家電網(wǎng)新能源消納能力滾動(dòng)分析計(jì)算，相關(guān)結(jié)果納入《國家電網(wǎng)年度運(yùn)行方式》，并報(bào)國家能源局作為新能源布局及開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的重要依據(jù)。利用項(xiàng)目成果，完成了國家電網(wǎng)“十四五”逐省、逐年新能源消納和系統(tǒng)供電保障能力評(píng)估，為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供了重要支撐。

成果支持國家發(fā)改委完成了清潔能源發(fā)電第三方評(píng)估。通過分析不同措施在未來的潛力,從技術(shù)層面、政策層面提出了切實(shí)可行的促進(jìn)新能源消納的措施建議。研究成果支撐開展了“碳中和目標(biāo)下能源格局和電網(wǎng)發(fā)展方式研究”、“我國新一代能源系統(tǒng)戰(zhàn)略研究”、“雙碳目標(biāo)下我國新能源發(fā)展及消納模式” 等重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目研究，為相關(guān)建議和政策出臺(tái)提供了重要支撐。

針對(duì)大規(guī)模新能源接入帶來的電力電量平衡量化分析問題，突破了新能源中長期電量預(yù)測及長時(shí)間出力序列建模方法、交直流互聯(lián)多層級(jí)電網(wǎng)生產(chǎn)模擬技術(shù)，研發(fā)了新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬軟件和國-網(wǎng)-省新能源消納能力協(xié)同計(jì)算平臺(tái)。成果已應(yīng)用于國調(diào)中心、南網(wǎng)總調(diào)、東北、西北、華北等28個(gè)省級(jí)及以上電力調(diào)控中心，對(duì)優(yōu)化新能源裝機(jī)布局及開發(fā)時(shí)序、促進(jìn)新能源高效消納、提升新能源調(diào)度運(yùn)行水平發(fā)揮了重要作用。