新能源电力系统生产模拟关键技术及应用

(中国电力科学研究院新能源研究中心)

在“双碳”目标和新型电力系统建设背景下，预计到2030年，我国新能源装机容量将超过12亿千瓦。新能源“大装机、小出力”的特点给电力系统的电力电量平衡带来巨大挑战，电力系统面临“保供电”和“保消纳”双重压力。年/月中长期电力电量平衡量化分析是电力系统规划和优化运行的基础，对电力保供和新能源消纳至关重要。

新能源电力系统生产模拟是科学量化分析电力电量平衡的有效方法。它通过建立“源-网-荷-储”运行模拟模型，开展长时间尺度时序运行仿真，优化各类电源开机及发电、线路交换功率等，是合理安排新能源发展规模、布局和时序，优化电力系统运行方式的重要手段。传统的电力系统生产模拟未考虑新能源出力的随机波动特性和电力系统运行的时序性，难以准确模拟新能源电力系统的运行，亟需开展新能源电力系统年/月时序生产模拟技术攻关。

依托国家和国家电网公司科技项目，国家科技重点领域创新团队“新能源发电调度运行技术创新团队”历时10年，采用“基础研究、技术攻关、系统研发、应用推广”的技术路线，研发了新能源电力系统生产模拟软件（REPS）和国-网-省新能源消纳能力协同计算平台，实现了新能源电力系统中长期电力电量平衡量化分析，为我国新能源相关政策的制定和实施提供了重要依据。

（1）新能源中长期电量预测与时间序列建模

开展新能源电力系统生产模拟需要预测新能源中长期电量，并构建符合新能源运行特性的出力时间序列。新能源中长期电量预测受气候变化及局地特征对发电的影响，技术难度高，国内外尚未开展；其出力序列随机波动形态复杂，时序模拟尤为困难。

团队提出了历史发电序列变化规律挖掘与风光资源气候态预报结果深度学习相结合的中长期电量熵权组合预测方法；提出了基于SOM聚类和波动过程转移的风电时间序列建模方法以及基于净空确定性和天气特征不确定性的光伏发电时间序列建模方法。采用28个省级及以上新能源运行数据验证了所提方法的有效性和优越性。

图1 风电出力时间序列建模方法

图2 光伏出力时间序列建模方法

（2）新能源电力系统时序生产模拟建模与快速求解

开展电力系统生产模拟需要准确模拟电网运行方式，且计算时间需满足工程应用要求。省级电网平衡范围大，源、网、荷、储元件数量多，建立满足电力系统实际运行工况的生产模拟模型并实现快速计算难度极大。

团队建立了基于火电机组启停多状态聚合、水电站时序多周期电力电量约束、抽蓄和电化学储能多运行状态模拟、可调负荷电力电量纵横转移约束的时序生产模拟模型，提出了变量空间等价映射的非线性约束线性化和优化模型逐周分解方法，实现了省级电网运行方式的快速准确模拟。

（3）多区域交直流互联系统生产模拟建模

实现新能源大范围消纳需要大电网互联互济。我国跨省跨区交直流网架结构复杂、运行方式多变，且电力系统运行边界条件互相耦合，交直流大电网生产模拟准确建模和快速求解难度大。

团队建立了时序限额及环流抑制的省间交流联络线、调节频次和形状动态约束的阶梯化跨区直流联络线输送功率优化模型，以及多层分区嵌套的备用容量优化模型，提出了全局与局部变量解耦迭代的分布式优化快速求解方法，解决了包含6大区域电网、27个省级电网的联合生产模拟难题。

（4）新能源生产模拟软件和消纳能力协同计算平台

国-网-省多级电网统一协同计算分析需要保证数据同步和结果的一致性。由于应用需求复杂、分析场景众多，软件的适应性、灵活性和业务流程的设计难度巨大。

团队提出了本地分散优化、远程互联边界校核与结果共享的国-网-省消纳能力协同计算方法，建立了源-网-荷-储对象组件化、优化模型动态装载的软件架构，研发了新能源电力系统生产模拟软件和国-网-省消纳能力协同计算平台，具备新建案例、电网建模、风电/光伏发电时间序列建模、运行方式设定、案例批量生成与计算、协同计算等功能。平台已成为国家电网公司促进新能源消纳的重要分析工具。

研究成果已在国调中心、南网总调、东北、西北、华北、吉林、青海等28个省级及以上电力调控中心应用。自2014年以来，连续8年开展了国家电网新能源消纳能力滚动分析计算，相关结果纳入《国家电网年度运行方式》，并报国家能源局作为新能源布局及开发时序优化的重要依据。利用项目成果，完成了国家电网“十四五”逐省、逐年新能源消纳和系统供电保障能力评估，为新型电力系统构建提供了重要支撑。

成果支持国家发改委完成了清洁能源发电第三方评估。通过分析不同措施在未来的潜力,从技术层面、政策层面提出了切实可行的促进新能源消纳的措施建议。研究成果支撑开展了“碳中和目标下能源格局和电网发展方式研究”、“我国新一代能源系统战略研究”、“双碳目标下我国新能源发展及消纳模式” 等重点咨询项目研究，为相关建议和政策出台提供了重要支撑。

针对大规模新能源接入带来的电力电量平衡量化分析问题，突破了新能源中长期电量预测及长时间出力序列建模方法、交直流互联多层级电网生产模拟技术，研发了新能源电力系统生产模拟软件和国-网-省新能源消纳能力协同计算平台。成果已应用于国调中心、南网总调、东北、西北、华北等28个省级及以上电力调控中心，对优化新能源装机布局及开发时序、促进新能源高效消纳、提升新能源调度运行水平发挥了重要作用。