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清华大学鲁宗相等:从灵活性平衡视角的高比例可再生能源电力系统形态演化分析

从灵活性平衡视角的高比例可再生能源电力系统形态演化分析

鲁宗相,李昊,乔颖

(清华大学电机工程与应用电子技术系)


本文发表在《全球能源互联网》2021年第1期“能源气候协同治理机制与路径”专栏,欢迎点击品读。本文得到国家自然科学基金资助。

研究背景

中国如何根据碳中和承诺相应调整可再生能源发展目标,探究深度不确定性条件下未来电网的愿景及其发展演化情景,是一个值得长期研究的问题。电力系统作为全社会最大的人造系统,其中长期发展情景受到诸多因素影响,其动态演化特征,例如电力系统技术进步、结构形态变化、政策取向等,无法采用概率模型描述。因此,基于海量场景,采用全局灵敏度分析(global sensitivity analysis)描绘高比例可再生能源电力系统演化路径成为一个值得探索的方法。


主要内容

1.未来电网演化的特征和驱动力研判

全球关于电力系统蓝图的研究焦点逐步由智能电网转向能源互联网,其核心在于高比例可再生能源电力系统的发展愿景。能源互联网的关键发展特征就是能源低碳化转型驱动的可再生能源电源的快速发展。

未来电力系统演化的主要驱动由内部技术驱动主导变为外部压力推动为主。风电、光伏等波动电源主导的未来电力系统的供需平衡,需要源网荷储各环节多向互动、额外的灵活资源支撑乃至多类型能源系统耦合等综合技术方案方可实现。

2.高比例可再生能源场景下的灵活性平衡

电力系统关注的4个关键性能指标是安全、可靠、灵活、经济,未来高比例可再生能源电力系统的特性变化使得关键性能指标的关注点发生变化,灵活平衡能力成为系统安全稳定运行的核心。

本文的重点是采用可以考虑路径发展深度不确定性的全局灵敏度方法对电力系统演化路径进行研究。采用一定的抽样方法将考虑灵活性资源及灵活性平衡的多种不确定性因素从分布范围中抽出海量样本,并将每组样本作为一组路径演化的边界条件输入到电力系统演化模型中,随后对这些演化路径进行统计和分析。

规划框架为基于典型日的双层优化,上层为投资决策,下层为典型日的小时级运行模拟,以运行成本与投资成本最小为目标进行优化。此建模框架考虑了各环节的灵活性能力,可以反映系统在小时级尺度及日尺度的灵活性平衡,且系统整体建模为多节点系统,可以考虑系统在空间上的灵活性平衡。

3.算例

以中国西北电网为例,采用抽样法进行海量演化路径生成与分析,得到结果如下图所示,其中实线和阴影分别表示规划结果的中位数和分布范围。

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电源结构演化路径

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灵活性资源演化路径

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碳排放演化路径

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新能源渗透率演化路径

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新能源渗透率

结论

1

在国际能源清洁化转型驱动下,电力系统不断推高可再生能源电源比例成为一个主流的发展趋势,而风电、光伏为主的波动电源的快速发展,使得系统灵活性成为规划和运行的核心问题,灵活性资源的协调发展是未来情景演化的关键因素。

2

本文采用一种考虑灵活性平衡的全局灵敏度方法,考虑影响演化路径的多重不确定性因素,抽样形成海量样本进行电力系统演化仿真,可以有效模拟系统中长期发展情景。

3

算例分析表明,风电、光伏为主的可再生能源发展路径,可以实现社会、经济和技术的综合目标,实现碳排放在2030~2035年达峰的国家目标。电池储能将成为中高比例可再生能源情景下的主要灵活性资源,在最多数的情境中,储能将在新能源容量渗透率为45%左右时介入系统,并在容量渗透率为65%左右时成为主导的灵活性资源。

本文引文信息

鲁宗相,李昊,乔颖. 从灵活性平衡视角的高比例可再生能源电力系统形态演化分析[J] . 全球能源互联网,2021,4(1):12-18.


LU Zongxiang, LI Hao, QIAO Ying. Morphological evolution of power systems with high share of renewable energy generations from the perspective of flexibility balance[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(1): 12-18(in Chinese).

研究团队

新能源电力系统动态分析与运行科研团队依托于清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,聚焦大规模风电、光伏并网的运行与规划,从2002年开始,广泛开展风电功率预测、光伏功率预测、风电场/光伏电站厂站端分析模型与有功/无功优化控制、可再生能源并网战略规划等研究课题,发表100多篇相关科技论文和3部著作,获批发明专利20余项,获省部级科技进步一等奖1项,三等奖1项,国网、南网科技进步奖4项。

团队带头人为清华大学电机系鲁宗相长聘副教授,主要研究方向为风电/太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性、分布式电源及微电网。主持国家自然科学基金2项、重点研发计划课题1项,863子课题1项,科技支撑项目子课题2项,国际合作项目1项。出版著作3部,发表论文100余篇,其中SCI收录10余篇,EI收录60余篇。获省部级及国家电网、南方电网奖励5项。中国科学引文数据库CSCD收录74篇论文,H指数为29,总被引3377篇次,2007、2014年度2次获得领跑者5000论文奖,1篇论文获中国科技期刊2016年度优秀论文奖。

作者简介

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鲁宗相


长聘副教授,博士生导师


研究方向为风电/太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性、分布式电源及微电网

E-mail:

luzongxiang98@tsinghua.edu.cn

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李昊


博士研究生


研究方向为电力系统规划

E-mail:

h-l16@mails.tsinghua.edu.cn

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乔颖


副研究员


研究方向为风电/太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性、分布式电源及微电网

E-mail:

qiaoying@tsinghua.edu.cn

编辑:张鹏

审核:白恺

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