考虑系统灵活性的储能

考虑系统灵活性的储能-输电线路扩展

联合规划摘要：能源清洁化转型背景下，以风电光伏为代表的可再生能源持续快速发展，高比例可再生能源并网将会是未来电网的一个重要特征。随着风光电源逐渐成为主力电源，其接入及输送网络规划不但要解决电力电量平衡问题，还要应对电源强随机波动特性带来的灵活调节需求，对传统的输电网扩展规划带来全新的技术挑战。传统电源可控性强，其输送网络规划可以通过输电线路的增加或扩容实现，电力电量平衡是规划的主要技术依据。在可再生能源场景下，系统在维持电力电量平衡的同时，还需要提供充足的灵活调节资源以平衡风光电源的随机波动。因此，高比例风光电源场景下的电网扩展规划，迫切需要补充筹措灵活性资源的专项方案。关键词：输电线路，储能前言：强随机波动性的高比例风光电源接入及输送网络规划需要兼顾电力电量平衡和灵活性平衡，经典的输电线路扩展难以满足要求，储能-输电联合规划成为新的解决方案。建立基于灵活性定量评估的储能与输电线路扩展联合优化规划方法。首先，从灵活性角度分析“储-输”联合规划在兼顾电力电量平衡和灵活调节能力上的技术特点和优势；然后，建立考虑灵活性的“储-输”联合规划模型，并提出启发式与数学规划相结合的求解方法；最后，基于改进的Garver-6算例系统进行算法验证，结果表明：在高比例可再生能源场景下，“储-输”联合规划具备更好的经济性；储能有效改善了系统的上调灵活性，但成本是制约其规划容量扩大的重要因素。抽水蓄能、电化学、物理储能等电力储能装置在源荷端、网侧可以发挥其灵活调节能力，具有广阔的应用前景。本文选取爬坡较为快速、同时具备能量型与功率型特点的电化学储能装置作为专门灵活性资源进行分析，探索储能与输电网的联合规划方案以实现电力电量平衡和灵活性平衡双目标优化。一、考虑灵活性的“储-输”联合规划原理（一）高比例可再生能源场景“储-输”联合规划的技术必要性当负荷区域内的新能源比例增大时，净负荷的峰谷差增大，“尖峰”“尖谷”现象出现。随着可再生能源接入比例的不断提升，这种尖峰化趋势会更趋显著。系统特性的变化，使得灵活调节能力成为电网安全稳定运行的关键保障，也成为规划阶段必须纳入考虑的技术性能。单一的线路扩建规划难以经济地满足对灵活调节性能的技术需求。在高比例可再生能源接入场景下，由于新能源的强波动性和随机性，新能源出力低谷时段，电力系统存在一定的失负荷风险；而新能源出力高峰时段将会由于系统调节能力不足而产生弃电的现象。可见，即使输电线路容量足够大，系统的电平衡仍然存在风险。因此，有必要引入专门的灵活调节资源。储能装置移峰填谷对净负荷曲线进行整形，可以实现输电通道的“无线路扩容”，起到替代线路建设的效果。可以根据输电通道的尖峰负荷曲线特点对其建设功率、容量进行定制化选择。因此，“储-输”联合规划通过双措并举实现双目标优化，一方面通过输电线路扩展满足主体容量的输送需求，另一方面通过建设适当容量的储能装置提升灵活调节能力，在同时满足能量输送和灵活调节需求的前提下降低了规划方案的总成本。随着系统中的新能源比例增加，3类场景下扩建线路的成本在较大范围内不会改变，而建设储能的经济性则愈发凸显，储能建设的成本将会在更大的范围内低于线路扩建成本。（二）考虑灵活性的“储-输”联合规划思路灵活性是衡量波动性、不确定性日益增强的电力系统运行方式是否合理的一项重要指标，电力系统灵活性是未来高比例可再生能源电力系统运行、规划中所必须考虑的因素。为了量化分析“储-输”联合规划对灵活调节需求的满足程度，需要进行灵活性的定量评估。本文采用的电力系统灵活性定义是指“在一定时间尺度下，系统通过优化调配各类型电源以及其他电网资源以满足负荷需求的能力”。电力系统灵活性具有方向性、状态相依性、双向转化性等特性。以灵活性为中心的运行规划，其核心为灵活性供给与需求的平衡。未来电力系统中最主要的灵活性需求来自可再生能源出力的不确定性，灵活性供给则来自传统火电、需求侧响应、储能、网络连接方式等。从系统整体角度，源网荷储全环节都参与灵活性平衡过程，考虑到本文的研究目标，选取储能装置作为灵活性资源的代表，着重分析输电线路和储能装置对提高系统灵活性的贡献。扩建输电线路增大了系统传输通道容量，同时也能够提升系统灵活性。由于输电线路传输能力基本上与输电通道线路回数成正比，因而输电线路扩容对灵活性的提升呈“阶梯性”特征。此外，输电线路扩建并不能无限提升系统灵活性。若将输电网络缩聚为一个点，则源-荷的调节能力（后文称作“固有灵活性”）即为输电线扩展对系统灵活性提升能够达到的极限。储能装置作为专门的灵活性资源，通过其合理调配可以降低输电通道的容量需求并对系统灵活性进行提升。储能装置功率、容量的选取灵活可调，能较好地实现“连续性”调节，并且储能装置可以通过能量的时空平移使系统灵活性突破源-荷“固有灵活性”的束缚。优化目标中，除输电线路建设成本外，还包含灵活性不足惩罚成本以及灵活性资源（储能装置）建设成本。其中，灵活性不足按照调节方向再细分为上调灵活性不足以及下调灵活性不足。在研究关注的运行时间段内，如果系统中的波动性电源以弃电的方式参与了灵活性调节，则认为系统在该段时间内下调灵活性不足，将弃电量与波动性电源总电量出力能力的比值定义为下调灵活不足电量占比。类似的，如果因灵活性不足而发生切负荷，则认为系统在该段时间内存在上调灵活性不足，将切负荷电量与总负荷电量的比值定义为上调灵活不足电量占比。上调、下调灵活性不足占比越低说明系统的灵活性越好。算法方面，本文采用“阶梯性”线路逐步扩展、“连续性”储能优化求解的方法，优化求解过程的物理意义较为明确，并且提高了求解效率。二、结论新能源大量馈入、系统波动性不断提升的未来场景下，从单一输电规划向“储-输”联合规划转型是一种必然的技术趋势。“储-输”联合规划可以充分考虑储能对于输电线路扩展的替代作用，相较于单一输电网扩展规划和网储串行规划，具有更优的技术经济性。在当前储能成本下，系统中的上调灵活性不足是对储能产生需求的根本动力。随着储能成本的下降并低于某个阈值时，储能方可以更有效发挥其灵活性下调作用，并对扩建线路有替代效应。和单一的数学规划算法相比，所提出的启发式与数学规划相结合的算法可以在保证计算精度的同时大幅度提高计算效率，具有更好的工程应用价值。参考文献：[1]胡毅，刘凯，吴田，刘艳，苏梓铭.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术,2014,40(11):3491-3499.[2]黄道春，黎鹏，阮江军，张亚飞,吴田.山火引发输电线路间隙放电机理与击穿特性综述[J].高电压技术,2015,41(02):622-632.陈仕龙，谢佳伟,毕贵红，张杰，张文英,高超.一种特高压直流输电线路神经网络双端故障测距新方法[J].电工技术学报,2015,30(04):257-264.梁才，刘文颖,但扬清，徐鹏，周喜超.输电线路的潮流介数及其在关键线路识别中的应用[J].电力系统自动化,2014,38(08):35-40.刘刚，席禹，唐