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国网能源研究院焦冰琦等:基于时序场景的全球联网电力流多期规划模型


该文受国家电网公司科技项目“跨时空尺度、多维度特征的能源综合配置技术研究”资助。


原文发表在《全球能源互联网》2019年第2卷第1期,欢迎品读(点击查看)


本文引文信息

焦冰琦,张富强,徐志成. 基于时序场景的全球联网电力流多期规划模型[J]. 全球能源互联网,2019,2(1):8-15.


JIAO Bingqi, ZHANG Fuqiang, XU Zhicheng. Multi-period planning model of power flow of global energy interconnection based on time series scenarios[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(1): 8-15(in Chinese).


1. 研究背景


加快推进清洁发展,实现以太阳能、风能等清洁能源替代化石能源,走绿色低碳可持续的全球能源转型道路是人类必然选择。世界范围内的清洁能源分布不均,同时未来全球能源需求还有很大的增长空间,这种供需矛盾客观上需要在更大区域和范围内进行资源优化配置。风能、太阳能等清洁能源主要转为电力加以利用。为此,探索通过大范围电力配置,实现全球清洁能源互联互通,以清洁和绿色方式满足全球电力需求,具有重要的战略和使命意义。


2. 研究现状


现有研究更多关注全球电力联网的宏观战略和区域层面的研究,较少建模分析全球联网的电力流格局。现有的区域或国家的中远期电力流格局研究中,多基于最大电力负荷平衡分析或者基于发电小时数的电量平衡分析,不能够有效计及系统运行特性对电力流方案的影响;而对于考虑了时序场景的分析方法,所考虑的对象主要局限在较小规模和区域,仅考虑了单一水平年的优化。


3. 主要研究内容


本文提出了基于时序场景的全球联网电力流格局分析方法。主要创新是:通过时序场景计及全球可再生能源资源和电力需求的分布特性,并将系统在典型场景中的运行信息在规划模型进行刻画,实现系统优化规划与运行模拟的适度耦合,从而可以兼顾电力和电量平衡;在此基础上,面向全球各大洲,考虑整个规划周期,以全球电力供应总成本最小化为目标,构建了全球联网电力流多期规划模型,并针对全球能源互联互通发展愿景开展了应用分析。

3.1 分析建模思路

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首先,搜集整理全球联网电力流分析相关数据与参数,包括政策、需求、资源与经济性等方面。

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其次,在参数输入基础上,选用聚类分析方法构建全球联网远景下的各大洲典型需求与可再生能源预想出力时序场景簇,用于刻画可再生能源的随机性与波动性以及负荷需求的变化趋势;接着构建以供电成本最小的全球互联发展优化目标,并综合考虑资源、机组特性、电力平衡、通道特性等运行与规划阶段的各类约束,形成全球电力流分析优化模型。

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最后,利用所构建模型,优化输出不同远景规划水平年的全球互联电力流方案,包括全球能源互联经济性、跨洲通道规模与流向、各大洲电源投产规模与时序、各大洲电力供需平衡、典型运行情况等。

图1 全球联网的电力流分析思路框架图


3.2 应用分析

应用本文所提出的全球联网的电力流格局分析模型,对2050年全球联网的总成本、电力流向及规模以及各洲电源发展情况开展研究。全球中远期电力需求预测水平为:2020、2030、2050年,全球用电量分别达到29万亿、37万亿、50万亿kWh。

在上述需求水平下,2016至2050年研究期限内,全球联网总费用现值达到309万亿元,投资成本、燃料成本以及固定运行成本是主要支出。2050年,通道容量占全球电力负荷的比重接近12%,而跨洲通道所受电量占全球用电量的比重9.2%;受入电力分别为亚洲、欧洲和北美洲,受入电量分别为1.2万亿、2.5万亿和0.85万亿kWh,占所在洲用电量的比重分别为5%、20%和10%;全球电源发展规模将从2015年的58亿千瓦增长至154亿kW。

图2 2016—2050年全球联网总费用及构成

此外,本文还研究了新能源成本变动对全球联网的影响,并对比了全球联网与区域自平衡方案。分析表明:新能源投资成本变动对全球联网的电力流格局有一定影响,新能源降本降低将利于扩大全球互联互通电力与电量规模。而与各洲自平衡方案相比,全球联网可降低电力供应成本,减小全球电源装机规模。


4.结论


本文采用时序场景的方式计及全球可再生能源资源和电力需求的分布特性,并在此基础上以全球电力供应总成本最小化为目标,综合考虑系统规划与运行相关约束,构建了全球联网电力流多期规划模型。最后面向全球联网2050发展愿景,对所提出的模型开展了应用分析。

影响全球联网的因素还包括输电技术经济性、电源投资经济性、地缘政治等,下阶段将深化研究不同因素的影响机理,并根据相关参数最新预测结果,滚动研究全球联网电力流格局演变趋势。


作者及团队简介

焦冰琦


博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所研究员,工程师。主要从事能源与电力规划、运行方面的研究工作。

张富强


博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所主任工程师,高级工程师。主要从事能源与电力规划、生产模拟与电力市场方面的研究工作。

徐志成


博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所研究员,工程师。主要从事储能、生产模拟、风光置信容量等方面的研究工作。

作者所在团队

依托于国家电网公司“能源电力规划实验室”和“适应高比例新能源的电力规划技术科技攻关团队”,研究方向包括能源电力行业发展战略与规划、电力系统运行生产模拟、新能源发展规划及消纳、能源经济与能源环境政策研究等,拥有自主开发的电力系统电源规划软件包GESP-V在内的5套模型工具,先后完成了电力系统革命战略、国家电网公司“十三五”电网发展规划、跨区输电及能源综合运输体系构建、新能源开发与消纳等一系列国家能源主管部门、国家电网公司委托的重大课题研究。

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编辑李锡

审核:白恺


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