新能源与火电一体化耦合的协同性能研究及组合设计

摘要：随着未来我国可再生能源装机容量的持续高速增长，电力系统将长期面临高比例可再生能源的消纳及协调问题。可再生能源与火电的集成耦合在快速协同调节等方面具备较大潜力，为可再生能源与火电的规模化协调发展开辟了一条新途径，但目前还未有耦合系统的协同性能评价方法及组合优化设计规则，导致其工程应用存在技术瓶颈。在可再生能源与火电的集成耦合机制的基础上，从耦合系统的发电计划制定与跟踪、协同调节及对电力系统的潮流波动影响等角度出发，建立了一套针对耦合系统的多维协同性能评价体系。在此基础上，建立了耦合系统组合设计问题的数学模型，并提出了区域电网中耦合潜力的辨识方法，以及发电单元的最优组合准则。最后，通过实际的区域电网算例对其工程应用进行了示范。

关键词：耦合系统;发电计划;协同调节;潮流波动;耦合潜力辨识;组合优化设计

0引言

目前我国能源结构正处于大变革时代，新能源消纳目标的大力推进促使风电、光伏等可再生能源的装机容量持续高速增长，占比逐年提高。可再生能源出力受到风、光一次能源的影响，具有天然的不确定性与波动性，而电网中电能存储成本高昂的特点导致发电与负荷须实时平衡。因此，可再生能源的运行需要常规水、火电机组提供调节能力支撑，其大规模接入给电力系统带来了巨大挑战。

目前，在可再生能源装机容量占比不断增加的背景下，我国的电力系统出现了如综合效率不高、源网储荷等环节的综合协调程度不够、各类电源的互补互济水平不足等深层次矛盾，并随着可再生能源装机容量占比的增加而日益恶化，亟待统筹优化。2020年8月，国家发改委与能源局发布了关于开展“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”的指导意见[1]，强调了区域性协调发展和新能源就地开发与消纳的政策趋势。两个“一体化”的概念符合合作共享与互利共赢的健康理念，有利于扩大电力资源的优化配置规模，进而落实电力行业的区域性协调发展战略。通过新能源电力的就地开发与就近消纳，电力资源的配置结构能够得到优化[2]，这不仅能降低电网在全国范围内进行灵活性调节的压力，还能提高新能源消纳的宏观水平。

可再生能源波动性强，其消纳主要靠电力系统的运行灵活性。在我国北方地区，由于水电、燃气机组等具有较高灵活性的可调电源占比少，因此电力系统的运行灵活性主要依靠火电机组的调节。前些年，火电以提高调峰能力为目的针对性地进行了灵活性改造[3]，但其与可再生能源发电场站联合运行的时间尺度在分钟级以上[4]，它们在更短时间尺度下的协调平抑波动、共同参与调节等方面的潜力没有得到发挥。此外，目前已开展的火电深度调峰[5]、热电机组灵活性改造[6]以及电热协调优化调度[7]等研究虽然已经有效地提高了电网的宏观调节能力，但针对电网中普遍存在的风电、光伏等可再生能源发电场站与火电机组可以集成耦合为一个发电主体的场景，尚未深入挖掘与利用该集成耦合场景所带来的性能优化、调节潜力与经济优势。

为了进一步挖掘和利用可再生能源与火电集成耦合场景的优势与潜力，并改善电力系统的运行状况，同时提升可再生能源的整体消纳水平，耦合系统成为了促进我国可再生能源与火电规模化协调发展的一条新途径。本研究基于可再生能源与火电的集成耦合机制，介绍了耦合系统的概念及其研究价值，提出并设计了耦合系统的性能评价指标体系，建立了区域电网中发电单元的耦合潜力辨识方法，以及耦合系统的组合优化设计准则。

1耦合系统的概念及其研究意义

从广义上讲，在区域电网中，将不同类型的电源所对应的发电机组进行集成耦合，从而形成一个包含不同电源类型的复合能源电能生产主体，称为耦合系统;从狭义上讲，对应于本文所研究的集成耦合场景，耦合系统特指将可再生能源与火电进行集成耦合所形成的电能生产主体。如图1所示，它表示了一个包含2个火电、2个风电与2个光伏的耦合系统。

在当前高比例可再生能源接入电网的背景下，研究耦合系统有着十分重要的意义。

首先，耦合系统可以通过其内部火电的快速调节能力在更短的时间尺度下平抑可再生能源的波动，同时利用多个可再生能源出力预测误差互补的优势，增加耦合系统整体出力的可控性与可预测性。前些年众多学者在火电灵活性改造方面开展了大量的研究，其重点是提高火电的调峰能力，同时可再生能源与火电联合运行的时间尺度也在分钟级以上，因此它们在更短时间尺度下的协调平抑波动、共同参与调节等巨大潜力没有得到发挥。所以，为了挖掘电力系统中火电与可再生能源在更短时间尺度下的协调互补潜力，研究耦合系统是最为直接的途径。同时，耦合系统作为一个发电主体，其需要根据其内部的可再生能源出力预测结果及火电的调节能力制定出力计划。由于可再生能源的出力存在着很大的不确定性，所以其预测通常会存在一定的误差，但当耦合系统内部多个可再生能源相组合的时候，各自的预测误差可能相互抵消而形成互补现象，从而降低耦合系统的整体出力预测误差[8]，进而提升耦合系统在出力的可控性与可预测性方面的性能，这也是包含多个可再生能源的耦合系统的应用潜力及研究价值之一。

其次，可再生能源和火电在有、无功的调节特性上存在较大差异，经过协调配合，耦合系统可向电网提供更为优质的有、无功调节服务。在有功方面，火电与可再生能源在一次调频过程中所表现出来的调节速率受其各自的机制影响而呈现出较大的区别。电力电子器件的调节机制与锅炉汽轮机的动态过程有着天然的不同，因此形成了光伏的调节速率最快，其次是风电，而火电的调节速率相对最慢的特点。类似地，在调节深度等方面，火电与可再生能源也呈现出巨大的不同。综上，在一次调频的动作时序方面，可以通过一定的调节机制或顺序设置，例如光伏先动作、风电后动作、最后火电再动作的设置，使得火电、风电与光伏的不同调节速率和能力形成最佳的配合，进而让耦合系统整体向电网提供的辅助调频服务更为优质，也更大程度地利用了火电与可再生能源的协调互补能力[9]。而对于无功方面，可再生能源的电力电子装置在空闲时又可向电力系统提供无功补偿，例如光伏电站在夜间可通过无功可用容量来缓解火电进相运行的压力[10]，进而提高耦合系统整体控制电压的经济性。

再次，在电力市场环境下，耦合系统的协调配合有助于实现整体效益的最大化，同时其作为发电利益主体参与电力市场博弈也可提高火电的辅助调节积极性。当前接入电网的众多发电场站，实际上相当于众多不同的利益主体，每个利益主体都有其自身的利益目标，各主体之间的利益关系存在着某种程度上的竞争或博弈现象。当电网中可再生能源的出力波动导致功率失衡时，负责提供灵活性的火电参与调节的响应态度不够积极，因为这会降低其自身的安全性与经济性[11]。但是，如果采用耦合系统并设置合理的利益分配方式，它将作为一个发电利益主体，其内部的可再生能源出力波动将关乎耦合系统自身的经济性。因此，从耦合系统主体自身的利益出发，其内部提供灵活性的机组将在调节过程中表现出高度的积极性，进而形成可再生能源积极提供电量、火电积极提供辅助服务的格局，这从电网的宏观层面来看也是十分有利的。对于极少数运行条件较为苛刻的耦合系统，即使在某些情况下其电能质量难以达标，也能够通过并网后受助于电网的调度调节能力而实现电能的正常产生与输送。这时的电网调节压力也只来源于无法被各耦合系统内部消化的灵活性需求，其调度层面的调节难度也将随着节点数量与系统规模的减小而降低。因此，耦合系统的存在对提升电网整体的经济效益提供了支持。

最后，在新电改政策和新能源高比例消纳的背景与趋势之下，为了利用市场的资源配置潜力打破行业垄断，提高电能生产者与消费者的积极性，形成市场化的定价机制和交易模式，未来的电力市场必然会演化为一个由多个具有博弈与竞争关系的买方利益主体及卖方利益主体所共同构成的格局。届时电网的盈利将主要来源于输电、配电过程中所需要的过网费用，其相对于发电场侧的单一买方角色与相对于电力用户侧的单一卖方角色将不复存在，传统的电网垄断式交易模式将转变为各电力用户可绕过电网平台的限制而与生产电能的各发电公司直接进行双向选择与拍卖交易的新格局[12]。考虑到电力用户及电网对于电能指标的严格要求，作为卖方主体的各发电公司需要对其生产的电能的质量具有相当严格的控制，以使其电能质量满足电力用户与电网的需要。此时，如果火电、风电与光伏等各类发电公司均自成一个主体以参与市场交易，那么尽管火电等可控性较高的发电公司具有很大的优势，但受自然因素影响严重的可再生能源发电公司将因其出力的可控性非常低而难以支撑其在电力市场中占有一席之地。因此，如果采用耦合系统的配置方法，每一个耦合系统将作为一个参与市场交易与竞争的主体。由于每一个耦合系统内部都同时包含环保经济但出力可控性低的可再生能源，以及调节能力较强的火电等传统资源，因此其主体既可通过内部协同来保证整体输出的电能质量，又可通过尽量提升其内部可再生能源的消纳水平以拉低其整体发电成本，进而在卖方出价竞争中获得优势。

2耦合系统的协同度评价

尽管耦合系统在前述各方面具备很大潜力，但国内外的相关研究基本处于空白状态，这使得其应用与推广存在不少技术瓶颈，其中之一便是缺少耦合系统的组合优化设计方法。目前，在耦合系统的应用层面，如何对区域电网进行耦合潜力辨识，以及如何组合其中的众多发电单元以形成耦合系统成为了首要问题，而该问题的关键在于缺乏一套耦合系统的协同性能评价体系，从而难以对其组合设计问题建立优化模型。因此，鉴于可再生能源与火电的集成耦合机制已经明确，应首先建立一套合理的耦合系统协同性能评价指标体系，并据此对耦合潜力辨识及组合优化设计等问题建立相应的数学模型，从而为耦合系统应用的首要问题提供解决方案。

根据耦合系统的研究意义，易知在不考虑还未普及的博弈型开放电力市场的作用时，其存在所带来的性能提升主要基于出力预测误差互补、对内快速平抑波动与对外配合提供调节三个方面。因此，耦合系统协同性能评价指标的设计应主要围绕这三个方面来进行。此外，根据耦合系统的运行机理，其内部有功波动的平抑过程具有责任指向性，因此其发电单元间电气距离的不同将在运行层面对电网的潮流波动产生不同的影响。由于本研究建立该协同性能评价体系的重要目的之一是解决实际电网中耦合系统的应用问题，因此必须考虑耦合系统的形成与运行对电网的安全稳定影响。

结合上述四点，本研究对应地从制定与跟踪发电计划、对内平抑波动、对外提供调节以及对系统潮流的影响四个方面出发，建立了耦合系统的四维协同度(Synergy,SNG)评价指标体系，其中包含出力预测互补度(OutputPredictionComplementaryDegree,OPCD)、有功波动平抑度(PowerFluctuationStabilizationDegree,PFSD)、有功调节协个风电与光伏等可再生能源电场。因此，当多个可再生能源发电场站耦合在一起之后，其出力总和的整体预测误差期望将会由于将含有不同方向的各可再生能源的出力预测误差进行概率加和运算而呈现出不同程度的降低，从而可以使得耦合系统主体在其整体出力计划曲线制定的层面获取一定程度的性能提升，

同度(PowerRegulationCoordinationDegree,PRCD)概率以及潮流波动影响度(PowerFlowInfluenceDegree,PFID)四个指标。在本研究中，建立该协同评价体系的数学基础为基于历史数据的统计分析，以及离散随机变量的概率分布与相关运算。

综上所述，对于任意一个耦合系统，都可以利用该协同度评价体系中的前三项指标，对其宏观的运行性能或内部各发电单元间的整体协同程度进行量化表征，进而反映出该电能生产主体在有功出力方面的性能。同时，还可以利用该协同度评价体系中的第四项指标，来对其内部发电单元在运行时影响电网潮流的程度进行量化表征，进而反映出该组合方式对系统安全的影响。在该协同度评价体系中，各项指标的数值大小与结果优劣并没有完全一致的对应关系。同时，由于各指标间具有一定的相互独立性，笼统地设定权重以给出综合评价结果的意义不大。因此，本研究所设计的协同度评价指标体系具有相当的灵活性，其工程应用需根据实际场景对各项指标的要求来确定相应的数学模型。

2.1出力预测互补度OPCD

耦合系统作为一个包含高比例可再生能源且受电网宏观管辖的发电主体，其得以正常运行的一大重要前提是发电计划曲线的制定与跟踪，同时其整体发电计划曲线的制定依据主要来源于其

根据上述原理，基于耦合系统中各可再生能源预测出力与实际出力的历史数据，本研究定义出力预测互补度OPCD以对耦合系统整体预测误差期望的减小程度进行表征。它表达了由于耦合系统的存在，将多个可再生能源电场进行耦合后的整体出力预测误差期望的绝对值与原来各可再生能源的出力预测误差期望的绝对值之和的比值，其计算公式为：

ååXf(t)-åXp(t)

tii

sA(t)

内部各可再生能源电场的预测出力结果及其内部火电等传统资源的调节能力，但可再生能源所具有的不确定性会引入预测误差，这将影响电力系统的运行性能。例如对于风电，在不同时间尺度下预测误差的影响存在着差异：秒级到分钟级的误差SOPCD=içA÷èø(1)主要影响系统调频备用的容量需求，分钟级到十分钟级的误差主要影响系统的旋转备用，小时级的误差主要影响系统的非旋转备用，而数小时级的误差[13]其中，t表示历史一段时间中的某一时刻，Xf(t)表示第i个可再生能源发电场站在该时刻的预测出力，Xp(t)表示第i个可再生能源发电场站在该时刻的主要影响系统的机组组合计算结果等等。

在通常情况下，由于一般火电场的装机容量及调节能力都相较于一般可再生能源电场的装机容量及其波动水平更大[14]，因此从经济性的角度来讲，一个合理的耦合系统组合中一般应包含多实际出力，sA(t)表示历史数据采样的离散时间点总数。