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第 42 卷第 9 期 水 力 发 电 学 报 Vol.42,No.9 2023 年 9 月 Journal of Hydroelectric Engineering Sept.2023 收稿日期：收稿日期：2023-03-27 接受日期：接受日期：2023-05-17 基金项目：基金项目：中国华能集团科技项目(HNKJ20-H20)作者简介：作者简介：庞锋(1964),男,教授级高工.E-mail:pangf_ 通信作者：通信作者：吴迪(1993),男,工程师.E-mail:W 基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 庞 锋，项华伟，吴 迪，黄文波（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）摘摘 要：要：可靠的电力支撑是电力系统安全稳定运行的重要基础。各类电源的可靠电力支撑作用是指在其可靠电力范围内，可根据系统负荷需求随时满发顶峰。本文提出基于可靠电力支撑的电力电量平衡计算方法，总体计算框架为结合电源装机和系统负荷需求进行备用及机组检修安排，在此基础上通过电力平衡确定各类电源各月（或旬、或周）的可靠电力支撑，进一步进行全年 8760 h 的电力电量平衡模拟，模拟思路为在满足各类电源最小技术出力或强迫出力前提下，尽量为风、光让出位置，在负荷高峰且风、光出力小时发电顶峰，总体实现各时刻电力电量平衡且尽可能吸纳风光。利用本计算方法分析山西电网不同抽水蓄能规模下的电力电量平衡，并分析了风电不确定性对电力电量平衡的影响，结果显示系统抽水蓄能增加将替代部分火电容量并增加抽水电量，从而增加新能源吸纳；若过多考虑风电的电力支撑，一旦风电受天气等影响降低出力，火电、水电等满发也难以满足负荷需求，将直接影响电力系统安全稳定。关键词：关键词：电力系统；安全稳定运行；可靠电力支撑；电力电量平衡 中图分类号：中图分类号：TM74 文献标志码：文献标志码：A DOI:10.11660/slfdxb.20230909 论文引用格式：论文引用格式：庞锋,项华伟,吴迪,等.基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡J.水力发电学报,2023,42(9):88-100.PANG Feng,XIANG Huawei,WU Di,et al.Electric power-energy balance in new-type power system based on power support J.Journal of Hydroelectric Engineering,2023,42(9):88-100.(in Chinese)Electric power-energy balance in new-type power system based on power support PANG Feng,XIANG Huawei,WU Di,HUANG Wenbo(Power China Guiyang Engineering Corporation Limited,Guiyang 550081,China)Abstract:The reliable power supply is critical for the safe and steady operation of a power system.The reliable power support function of power supplies refers to the immediate full-load operation within its reliable capacity according to the load demand of a power system.This paper presents a calculation method of power-energy balance based on the reliable power support.The overall framework is to arrange the units on standby and in maintenance according to the power supply installation and system load demand.On this basis,the support capacity of each month(or week,or ten days)for various power sources was determined through power balance,and the annual 8760 h power-energy balance simulation was carried out.The simulation idea is to make room for wind and photovoltaic power as much as possible while meeting the minimum technical output or forced output of various power sources,so as to realize the overall power-energy balance at all time with the wind and photovoltaic 庞 锋，等：基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 89 power being absorbed as much as possible.This calculation method has been applied to an analysis of the Shanxi power grid with different scales of pumped storage plants,and the impact of wind power uncertainty on power-energy balance was evaluated.The results show the increase in the systems pumped storage capacity will replace part of the thermal power capacity and increase the power for pumping,thus promoting the absorption of new energy sources.If the wind power committed too much as the power support role,in the case of wind power output is reduced by weather and other factors,the load demand could be difficult to be met even if the thermal power,hydropower and other kinds of power operate at full load,which suggests the harm to the safety and stability of power system.Keywords:power system;safe and stable operation;reliable power support;electric power-energy balance 0 引言引言 气候变化形势下，全球能源向清洁低碳转型，各国陆续制定碳中和目标1-3。20202021 年，习近平主席在多次国际会议提出 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和（以下简称“双碳”目标）4-5。我国能源行业碳排放达到全国总量的 80%以上，其中电力行业占能源行业的 80%以上6-7。实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军8，构建以新能源为主体的新型电力系统9是关键。构建新型电力系统的核心在于大力发展风电、光伏等新能源电力，系统将由新能源为主导，随着新能源渗透率的逐步提高，系统电力电量平衡特性将发生改变10-12，系统在大功率扰动下的频率稳定问题日益严重，影响电力系统安全稳定，同时限制了系统消纳新能源的能力13。并且新能源受天气变化影响，且具有随机性、间歇性及波动性，其发电出力具有高度的不确定性，因此其对电力系统的电力支撑作用是难以保证的，从而增加了新型电力系统的不确定性14。例如 2020 年西北风电中，出力低于装机 10%的情况最长为 5 天，华东光伏出力低于装机 20%的最长为 8 天。此外，一旦发生极端天气导致新能源脱网，电力系统安全稳定运行难以保证，例如 2016 年 9 月 28 日，强台风袭击澳洲南部地区，大量风机脱网，系统转动惯量不足，系统频率急速下降，最终导致系统频率崩溃；2021年 2 月中旬，美国得克萨斯州遭遇暴风雨极端天气，大量风机停运，400 万用户失去供电、供暖长达一周，电价涨到几十美元一度，影响社会动荡。由此可知，新型电力系统下，为保证电力系统安全稳定运行的首要任务，电力系统、综合能源系统等规划需要充分考虑新能源的不确定性15-16，利用梯级水电、火电、抽水蓄能等调节电源为电力系统提供可靠电力支撑，增加系统转动惯量，避免新能源电力不确定性对电力系统安全稳定的影响，同时可利用梯级水电等调节电源调节吸纳新能源电力，提升电力系统优化调度能力17。电力电量平衡计算是电力系统电源扩展优化、基地电源优化配置、单个电源合理规模确定的重要基础，是电力系统规划设计和电源设计中的重要内容之一。相对于以往的电力系统，新型电力系统更加复杂。电源结构由以往水电或火电为主转变为以新能源为主同时以水电、火电、抽水蓄能、化学储能等为支撑电源的复杂结构，电力电量平衡计算时需充分考虑新能源电力的不确定性，同时需考虑不同电源的可靠电力支撑的确定，从而保证电力系统在安全稳定运行的前提下尽可能低碳、高效及经济。当前国内外的电力电量平衡研究主要着眼于供需平衡、优化及考虑新能源不确定性等方面。纪昌明等18将弃水电量成本考虑至短期电力电量平衡中，以总成本最低确定各电源的发电出力；刘德旭等19利用聚类分析方法将电力系统内各电源按发电特性划分，利用多目标优化求解；曾雪婷等20基于水文特征和水电站发电特性拟合水电转换曲线进行混合整数规划，从而计算高水电比重的电力电量平衡；刘明浩等21通过分析系统负荷与电站出力的不均匀性之间的关系来分析电力电量平衡。上述研究适用的能源类型单一，未考虑新能源的不确定性，且未提及不同电源的可靠电力支撑。部分学者为考虑新能源的不确定性，提出了基于随机优化的随机电力电量平衡22及柔性计算的概念23-24，但局限性在于物理意义不够清晰以及未明确不同电源的电力支撑作用。其余部分学者从其他侧重点研究电力电量平衡或相关研究，包括主要考虑水火90 水力发电学报 电25-27、考虑风电可信度28、考虑负荷预测的不确定性29、基于聚类算法30及研究抽蓄联合新能源替代火电31等，但总体均未提及到电力系统中的电力支撑概念及必要性。基于上述分析，本文针对新型电力系统的复杂结构，提出考虑新能源不确定性以及不同电源对系统电力支撑的电力电量平衡计算方法及原则，并以典型电力系统为例进行分析计算。1 电力支撑电力支撑 本文结合以新能源为主体的电力系统运行稳定要求，提出电力支撑的概念。电力支撑是指针对电力负荷，在充分合理利用具有随机性、波动性特点的新能源电力的前提下，电力系统在任何时刻、任何工况下，有足够的稳定电源提供稳定的电力，保证电力系统稳定运行。可提供稳定电力的电源必须有充足的电量保证，同时有稳定的电力输出。对于火电站而言主要是指工作容量，在燃料可得到保证的情况下，当电力负荷发生变化时，火电及时调整电力满足负荷需求；对于水电站而言主要考虑为检修、备用以外的工作容量，在水量保证的前提下，可为电力系统提供的容量；对于抽水蓄能等储能电站而言，其电力支撑则是指除检修之外且系统有电量支撑其蓄能的容量，即在此容量下，系统可在负荷低谷为储能电站提供蓄能电量，在系统需要电力时发出最大容量；对于风电、光伏等新能源电力，由于存在较大不确定性，且受气候影响较大，其电力支撑可采用保证率的概念来反映，例如考虑风电 95%保证率的出力作为可靠电力支撑，则该保证率下，风电可随时发出对应的出力；但对于光伏电站而言，由于仅在白天有出力，晚上无出力，需要结合白天与晚上的负荷情况进行考虑，若晚上的负荷高峰高于白天，则在一天内不能考虑光伏电站的电力支撑作用，若白天的负荷高于晚上负荷，则需结合早高峰与晚高峰的差值判断如何考虑光伏的电力支撑作用。总体而言，对于各类电源的可靠电力支撑主要是指电源在电力系统中的工作容量，在任何需要的时刻都能发出顶负荷。2 考虑电力支撑电力电量平衡计算方法考虑电力支撑电力电量平衡计算方法 2.1 总体计算框架总体计算框架 新型电力系统以风电、光伏等新能源为主体，但总体电源结构复杂。由于新能源电力具有较大的不确定性，因此在电力电量平衡计算中需要首先考虑各类电源对电力系统的电力支撑，确保电力系统安全稳定运行。考虑电力支撑的电力电量平衡计算方法总体计算框架为：结合电力系统负荷需求与不同电源装机容量，进行系统负荷备用、事故备用及机组检修安排；在备用及机组检修合理安排的基础上，在一定时间尺度内（月、旬或周）结合系统需求及电力平衡确定各类电源的工作容量，其中新能源工作容量按一定保证率进行确定；在各类电源工作容量的基础上进行 8760 h 电力电量平衡计算，主要是在满足各时段电力平衡的前提下，水电、火电、抽水蓄能等支撑电源与新能源的互补模拟计算，具体思路为在各类支撑电源工作容量范围内与新能源的互补，有新能源出力时为新能源让出位置，无新能源出力时则发出电力顶负荷。具体总体计算框架如图 1 所示。2.2 电力电量平衡计算模型电力电量平衡计算模型 2.2.1 考虑电力支撑的电力平衡考虑电力支撑的电力平衡 由上述总体计算框架可知，在电力系统负荷与备用需求、各类电源装机容量明确的基础上，首先进行系统电力平衡，即根据系统负荷需求和备用需求安排合理的各类电源的工作位置、承担备用及检修安排。其中系统备用主要指负荷备用及事故备用，负荷备用通常取系统最大负荷的 3%，事故备用通常取 10%，根据系统电源结构分配给电源承担，通常安排火电、水电等灵活性及可靠性较高的电源类型承担；对于机组检修安排则根据系统需求及电源装机，从系统需求小的时段开始安排检修并在一年内将所有机组检修完。以月、旬或周为工作容量确定时段，通过电力平衡确定各类电源的工作容量，其中确定时段主要是根据电力系统中火电站可满足的开机间隔时间而定。本文以月尺度为例说明以新能源为主体的新型电力系统中各类电源工作容量的确定。1）工作容量确定顺序 在新型电力系统中，含有新能源、水电、抽水蓄能电站等储能、火电等多种电源类型，其中前几者属于可再生能源，而火电属于化石能源电力，因此在保证电力系统安全稳定的前提下优先考虑以可再生能源支撑电力系统，因此电力系统中各电源工作容量确定的顺序总体为新能源、水电、抽水蓄能等储能电站，最后是火电。庞 锋，等：基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 91 图图 1 电力电量平衡总体计算框架电力电量平衡总体计算框架 Fig.1 Overall calculation framework of electric power and energy balance 2）新能源工作容量确定 当前主要的新能源电力主要为光伏和风电，光伏电站出力存在明显的间隙性，即白天有出力晚上无出力，大部分电力系统存在早高峰与晚高峰两个负荷高峰，光伏白天虽对电力系统有支撑，但晚上则失去该支撑作用，因此暂不考虑光伏电站的电力支撑作用；风力发电在一天内均有出力，对电力系统存在电力支撑作用，但由于风电亦存在较大的不确定性，因此采用保证率的形式确定风电的支撑容量，即针对风电 8760 h 出力，取一定保证率对应的出力作为支撑容量，考虑电力系统安全稳定要求高，可取保证率 95%及以上。对于风电而言，其电力支撑则为其在系统中的工作容量。3）水电工作容量确定 常规水电电力支撑则是指检修机组、备用容量之外的工作容量，其容量之间的关系具体见下式：imselHHHHH （1）式中：iH为电力系统水电总装机容量，MW；mH为水电检修容量，MW；sH、eH、lH分别为水电 工作容量、承担电力系统的事故备用容量、负荷备用容量，MW。4）抽水蓄能等储能电站工作容量确定 以抽水蓄能电站为例说明储能电站对系统电力支撑即工作容量的确定。暂不考虑抽水蓄能电站等储能电站承担系统备用，仅作紧急事故备用考虑。抽水蓄能电站的工作容量以确定时段内电力系统中有支撑其抽水的电量为前提，而在新型电力系统中，可优先考虑以风电、光伏等新能源电力作为抽水蓄能电站的抽水电量，并且在其工作容量确定时需结合新能源出力过程，同时仅考虑检修机组以外的容量，总体以下式进行控制：simsws1000010PPPEEPt （2）式中：sP为电力系统抽水蓄能电站工作容量，MW；iP、mP分别为抽水蓄能电站装机容量、检修容量，MW；sE、wE分别为确定时段内的光伏、风电电 量，亿 kWh；为抽水蓄能电站转换效率，一般取0.75；t 为确定时段内的小时数，h。5）火电工作容量确定 由于电力支撑是指在确定时段内随时可实现满发，因此火电电力支撑主要是指机组检修及承担系统备用之外的火电工作容量，是火电开机容量扣除负荷备用及事故备用容量的一半后的容量。火电工作容量在电力系统中最后确定，在其余电源类型工作容量确定的基础上采用火电工作容量去平衡92 水力发电学报 电力系统需求，若系统火电装机过大，在满足系统需求的前提下还有剩余，则火电存在空闲容量。具体火电各容量之间关系如下：islemrosle2TTTTTTTTTT （3）式中：iT为火电装机容量，MW；sT、lT、eT、rT、mT分别为火电工作容量、承担系统的负荷备用、事故备用、检修容量、空闲容量，MW；oT为火电开 机容量，MW。6）电力系统电力平衡 在电力系统各类电源工作容量即可靠电力支撑确定后，系统总体则达到电力平衡，具体为各类电源工作容量之和与系统最大负荷平衡，系统负荷备用与各类电源承担的负荷备用平衡，系统事故备用与各类电源承担的事故备用平衡，具体见公式：maxs,l,e,iiiDNLNRN （4）式中：maxD为某月最大负荷，MW；L、R分别为系统所需负荷备用及事故备用，MW；s,iN为各类电源工作容量，MW；l,iN、e,iN为各类电源承担系 统的负荷备用、事故备用容量，MW。结合上述电力平衡计算方法，以山西省电力系统为例，分析得到电力平衡成果（见图 2 及表 1）。图图 2 电力系统各月电力平衡示意图电力系统各月电力平衡示意图 Fig.2 Schematic for monthly power balance of the power system 表表 1 电力系统电力平衡电力系统电力平衡 Table 1 Power balance of the power system 系统/电源 序号 项目 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 电力系统 1 系统需求 79563 72719 74980749807412378411831708190276539 78878 80994835201.1 最大负荷 71445 65113 67114671146635570149745507351568493 70563 72150745501.2 系统备用 8118 7607 7867786777688261862083878046 8315 884489702 空闲容量 8 24 20 22 17 16 2 17 14 15 15 0 风电 3 工作容量 2111 2111 2111211121112111211121112111 2111 21112111-20000020000400006000080000100000120000123456789101112负荷或出力/MW月份风电工作容量水电工作容量抽蓄工作容量火电工作容量水电承担备用火电承担备用水电检修抽蓄检修火电检修火电空闲最大负荷系统最大负荷+备用庞 锋，等：基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 93 续表续表 系统/电源 序号 项目 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 常规水电 4 装机容量 1030 1030 1030103010301030103010301030 1030 103010304.1 工作容量 679 942 939939940935931933937 677 4139274.2 承担备用 94 88 91 91 90 95 10097 93 96 1021044.3 检修容量 258 0 0 0 0 0 0 0 0 258 5150 抽水蓄能 5 装机容量 14900 14900 14900149001490014900149001490014900 14900 14900149005.1 工作容量 14300 14900 14900149001490010400146001310010800 12800 13400149005.2 承担备用 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5.3 检修容量 600 0 0 0 0 450030018004100 2100 15000 火电 6 装机容量 70418 70418 70418704187041870418704187041870418 70418 70418704186.1 工作容量 54356 47160 49163491634840356704569095737154645 54976 56226566136.2 承担备用 8024 7519 7776777676788166852182907953 8219 874288676.3 检修容量 8031 15716 1345913457143195533498747407805 7208 543549396.4 空闲容量 8 24 20 22 17 16 2 17 14 15 15 0 2.2.2 电力电量平衡模拟模型电力电量平衡模拟模型 通过电力平衡确定各类电源各月工作容量即可靠电力支撑，在此基础上利用火电、水电及抽水蓄能等调节电源与风电、光伏进行逐时出力互补，从而尽可能吸纳风电、光伏等新能源出力。以典型日负荷曲线为例（见图 3），由于风电无调节能力，按一定保证率确定的工作容量宜置于基荷位置，对于火电、水电、抽水蓄能，结合其调节能力及支撑作用，工作容量分别置于基荷、腰荷及峰荷位置，各类支撑电源在其工作容量区间与风电剩余出力及光伏出力进行互补，总体以新能源吸纳电量最大为目标函数，具体见下式：8760a,sa,w1MaxMax100000iiiEEsw（5）式中：a,sE、a,wE分别为光伏、风电全年吸纳电量，亿kWh；is、iw分别为光伏、风电全年第i小时 的吸纳出力，MW。各类调节电源与新能源出力进行互补，总体思路为在满足火电最小技术出力、水电强迫出力的基础上，在火电、水电各自的工作容量区间调节火电出力、水电出力，为新能源出力腾出位置，若各类电源出力之和超过负荷，则采用抽水蓄能利用超出负荷的新能源电力进行抽水，在负荷高峰各类电源出力不足时，采用抽水蓄能在其工作容量范围内发电顶峰，若采用抽水蓄能抽水后，各类电源出力和仍超过负荷，则弃掉超出部分新能源电力，具体公式描述如下：minwminwwiiiiiiiiiththThhHpPdthhpsw （6）94 水力发电学报 式中：minth、minh分别为火电最小技术出力、水电 强迫出力，其中水电强迫出力是指生态流量下放必须发出的生态基荷或机组稳定运行的最小出力，两 者取大值，MW；ith、ih、ip分别为第i时刻的火电、水电、抽水蓄能出力，MW；id第i时刻的负 荷，MW。结合各类电源与新能源出力的总体思路，图4为典型日电力电量平衡示意图。由图4可知，在各调节电源工作容量范围内，火电、水电在满足最小技术出力和强迫出力后尽量为风、光让出通道，抽水蓄能电站在风光出力超过负荷时抽水，在负荷高峰且风光出力小时发电顶峰，总体实现各时刻电力电量平衡且尽可能吸纳风光。图图 3 典型日负荷下工作容量位置分配示意图典型日负荷下工作容量位置分配示意图 Fig.3 Schematic for allocations of different working capacities under typical daily load 图图 4 典型日电力电量平衡示意图典型日电力电量平衡示意图 Fig.4 Schematic of electric power and energy balance under typical daily load 庞 锋，等：基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 95 3 实例研究实例研究 3.1 实例概况实例概况 本文选择山西电网为典型电力系统进行电力电量平衡分析。根据相关规划，山西电网2030年全社会最大负荷69000 MW、全社会用电量为4140亿kWh，省内汇集网对网外送电力9000 MW、外送电量529.5亿kWh。根据电源发展规划，2030年山西省总装机规模为204700 MW，其中，煤电86790 MW（内网57990 MW+点对网外送28800 MW），占42.4%；风电40000 MW（省调39000 MW+点对网外送1000 MW），占19.5%；光伏65000 MW（省调60000 MW+点对网外送5000 MW），占31.8%；燃气机组3480 MW，占1.7%；水电1030 MW，占比0.5%，抽水蓄能3900 MW，占比1.9%；生物质发电1500 MW，占比0.7%；其他小机组3000 MW，占比1.5%。由此可知，山西电网是以火电为主的高新能源占比的电力系统。3.2 电网负荷特性及新能源出力特性电网负荷特性及新能源出力特性 3.2.1 电网负荷特性电网负荷特性 1）年负荷曲线 根据山西省相关电力规划，山西省2030年负荷曲线（见图5）年负荷曲线呈现“W”型，总体呈夏、冬双高峰，春、秋双低谷的特点，两个高峰分别出现在7月、12月，2月份负荷最低。图图 5 山西电网山西电网 2030 年年负荷曲线年年负荷曲线 Fig.5 Annual load curve of Shanxi power grid in 2030 2）典型日负荷曲线 山西电网2030年典型日负荷曲线（见图6）基本上呈现“双峰双谷”形态，夏季早高峰较为突出，持续时间为10:0014:00，晚高峰较为平缓，持续时间为16:0021:00；冬季晚高峰均较早高峰突出，早高峰持续时间8:0012:00，晚高峰持续时间为17:0021:00。（a）夏季 （b）冬季 图图 6 山西电网山西电网 2030 年典型日负荷曲线年典型日负荷曲线 Fig.6 Typical daily load curves of Shanxi power grid in 2030 0.700.750.800.850.900.951.00012345678910 11 12负荷率月份0.600.650.700.750.800.850.900.951.000123456789101112131415161718192021222324负荷率时刻0.600.650.700.750.800.850.900.951.000123456789101112131415161718192021222324负荷率时刻96 水力发电学报 3）外送负荷曲线 山西省外送电力主要为雁淮直流外送6000 MW、晋北特高压交流外送3000 MW。根据现状送电曲线形式，特高压直流通道按100/70曲线送电，在1、7、8、12月四个大负荷月满送，其他小负荷月高阶按60%能力送电；特高压交流通道全年按100/75/50曲线送电，但送电最大月份有所差异；2030年送电曲线形式按现状考虑，仅送电负荷发生变化。具体外送曲线如图7所示。3.2.2 新能源出力特性新能源出力特性 山西省2030年省调光伏装机容量为60000 MW、风电装机容量为39000 MW，图8为光伏、风电年内出力特性及典型日出力特性曲线。由图8可知，光伏年内春季出力大、冬季出力小，日内最大出力在13:00左右；风电年内出力为冬季出力大、夏季出力小，日内晚上出力大白天出力小。（a）雁淮直流 （b）晋北交流 图图 7 山西电网山西电网 2030 年外送负荷曲线年外送负荷曲线 Fig.7 Outbound load curves of Shanxi power grid in 2030 （a）年内出力特性 （b）日内出力特性 图图 8 山西电网光伏、风电年内及日内出力特性山西电网光伏、风电年内及日内出力特性 Fig.8 Annual and intra-day output characteristics of photovoltaic and wind power in Shanxi power grid 3.3 不同抽水蓄能规模下电力电量平衡分析不同抽水蓄能规模下电力电量平衡分析 山西电网已建、在建抽水蓄能电站装机容量为3900 MW，经电源优化配置分析，山西电网2030年抽水蓄能经济合理规模为14900 MW。针对电力0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00123456789101112131415161718192021222324负荷率时刻雁淮直流（6000MW）1、7、8、12月雁淮直流（6000MW）2-6、9-11月0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0123456789101112131415161718192021222324负荷率时刻晋北交流（3000MW）1-4、10-12月晋北交流（3000MW）5-9月0.000.050.100.150.200.250.300.350.4012345678910 11 12平均出力率月份风电平均出力光伏平均出力0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901357911 13 15 17 19 21 23出力率时刻风电光伏庞 锋，等：基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡 97 系统不同抽水蓄能规模，采用上述电力电量平衡计算模型分析电力电量平衡，进而分析不同抽蓄规模间的成果差异。电力电量平衡计算时，电力支撑不足时采用新增火电开机来平衡，对风电 8760 h 出力进行排频，取 95%保证率对应的风电出力作为风电工作容量，对于光伏电站，由于 2030 年最大负荷出现在 12 月，该月典型日负荷最大负荷出现在晚上基本无光伏出力的时刻，故暂不考虑光伏的电力支撑作用；8760 h 电力电量平衡模拟计算时，火电最小技术出力取开机容量的 50%60%，且对于不同抽水蓄能规模，采用的火电最小技术出力一致。针对不同抽水蓄能规模，按电力电量平衡计算模型步骤，通过电力平衡确定不同电源工作容量即可靠电力支撑，进而进行 8760 h 电力电量平衡模拟计算，从而得到抽水蓄能规模 3900 MW、14900 MW 方案的电量平衡成果如表 2 所示。由表 2 可知，系统抽水蓄能装机规模增加后，系统所需火电装机容量减少，火电电量减少，新能源吸纳电量增加，抽水蓄能抽水电量及发电电量均增加。以最大负荷日为例分析不同抽水蓄能规模电力电量平衡成果差异，如图 9 所示。由图 9 可知，系统抽水蓄能规模增加，抽水蓄能电站对电力系统的工作容量增加，系统所需火电电力支撑减少，火电最小技术出力降低，从而增加风电、光伏吸纳，同时抽水蓄能电站容量增加，通过抽水进一步增加新能源电量。表表 2 不同抽水蓄能规模下全年电量平衡成果不同抽水蓄能规模下全年电量平衡成果 Table 2 Annual electricity balance results under different installed capacities of pumped storage 序号 项目 单位 抽蓄 3900 MW 抽蓄 14900 MW 1 系统所需火电装机 MW 81948 70418 2 系统所需电量 亿 kWh 4669.50 4669.50 2.1 水电 亿 kWh 29.68 29.68 2.2 火电 亿 kWh 3329.38 3004.31 2.3 新能源 亿 kWh 1334.56 1705.84 2.4 抽蓄抽水 亿 kWh-96.50-281.31 2.5 抽蓄发电 亿 kWh 72.37 210.99 3 新能源弃电率%30.82 11.57 （a）抽蓄 3900 MW （b）抽蓄 14900 MW 图图 9 不同抽水蓄能规模下最大负荷日电力电量平衡不同抽水蓄能规模下最大负荷日电力电量平衡 Fig.9 Electric power and energy balance on maximum load day under different installed capacities of pumped storage 98 水力发电学报 3.4 新能源不确定性对电力电量平衡影响分析新能源不确定性对电力电量平衡影响分析 对于山西电网而言，若考虑风电 8760 h 的出力是确定不变的，结合系统负荷需求变化，风电对电力系统的支撑作用可进一步提高，取保证率50%对应的风电出力作为风电工作容量时，可减少系统火电装机及各月开机容量，从而增加新能源吸纳率；但风电具有较大不确定性，易受极端天气的影响，以最大负荷日为例，若该日部分风电受天气影响与电网断连，系统风电出力降低，则原本提供的工作容量将无法提供可靠电力支撑。图 10 为风电工作容量按 50%保证率对应出力下，考虑风电出力是确定及不确定两种情况下最大负荷日电力电量平衡图，其中风电出力不确定时出力降低 50%。由图 10 可知，考虑风电出力确定的情况下，风电工作容量按 50%保证率出力考虑时，能够满足电力电量平衡，风电、光伏弃电率较低；但若考虑风电出力不确定，假设风电出力降低 50%，在负荷晚高峰时段，火电、水电全部满发也难以顶峰，即在该时段系统可靠电力支撑不足，将直接影响电力系统安全稳定运行。因此，以电力系统安全稳定运行为首要任务，考虑风电等新能源的不确定性，风电的电力支撑作用不宜考虑过多，保证率宜取高，可按 90%以上考虑。（a）考虑风电为确定的 （b）考虑风电不确定性 图图 10 最大负荷日考虑风电确定与不确定情况电力电量平衡最大负荷日考虑风电确定与不确定情况电力电量平衡 Fig.10 Electric power and energy balance in the maximum load day considering the certainty and the uncertainty 4 讨论讨论 安全稳定运行是电力系统的首要任务，电力系统中需要确保有电力支撑的电源。在以新能源为主体的新型电力系统下，新能源占比较大，考虑一定的新能源电力支撑作用，可替代火电等化石能源电源，可提升电力系统运行经济性；但由于新能源出力的不稳定及易受天气等因素影响，不宜过多考虑其对电力系统的电力支撑作用，电力系统的电力支撑主要由火电、水电等可靠性、稳定性较高的电源承担。主要原因是可靠性高的电源可在新能源出力不足甚至没有出力的时刻，快速发电满足负荷要求，而对于新能源等出力不稳定电源，若考虑过多电力支撑作用，对于确定时段火电开机就会降低，一旦新能源出力受天气等因素影响，其余电源按开机容量全部满发也难以顶满负荷，从而影响电力系统安全稳定。因此，本文认为新型电力系统虽以新能源为主，但系统电力支撑主要由火电、水电等稳定调节电源承担，在此基础上尽量去在满足火电最小技术出力、水电强迫出力的前提下，尽可能调节出力为新能源让出位置从而吸纳新能源电力，而新能源电力支撑可在保证率较高