施 濤，朱凌志，于若英

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電力系統(tǒng)靈活性評價研究綜述

施 濤，朱凌志，于若英

(中國電力科學研究院, 江蘇 南京 210003)

針對大規(guī)模風電場、光伏電站等間歇性電源接入后電力系統(tǒng)的靈活性問題，從電力系統(tǒng)靈活性的定義、量化指標、評價方法三方面系統(tǒng)地總結(jié)了當前國內(nèi)外電力系統(tǒng)靈活性評價研究的成果與進展。并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級的靈活性量化指標，電源擴展規(guī)劃、機組組合和經(jīng)濟調(diào)度等應(yīng)用場景下的靈活性評價方法等問題進行闡述與討論。最后，對電力系統(tǒng)靈活性的研究進行了展望，闡述了電力系統(tǒng)靈活性評價下一步研究中需要關(guān)注的問題和重點方向。

靈活性；量化指標；評價方法；電源規(guī)劃；調(diào)度運行

0 引言

近年來，隨著風電，光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的成熟和發(fā)展，大量風電場，光伏電站接入到現(xiàn)有電力系統(tǒng)中。與此同時，風電場、光伏電站出力的間歇性、隨機性和波動性對傳統(tǒng)以水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)下的電力系統(tǒng)規(guī)劃運行產(chǎn)生了深刻的影響[1-4]?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)對間歇性可再生能源發(fā)電(以下簡稱：間歇性電源)的接納能力，以及間歇性電源接入后對系統(tǒng)的靈活性需求等問題成為各方討論和關(guān)注的焦點[5-8]。因此，亟需一套完整的電力系統(tǒng)靈活性評價理論與方法，指導(dǎo)間歇性電源高滲透率條件下電力系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃與運行。圍繞電力系統(tǒng)的靈活性，目前研究和工程技術(shù)人員關(guān)注且致力于回答的幾個問題為：(1)電力系統(tǒng)靈活性的定義和內(nèi)涵。具體包括它的評價對象、評價目的及其對應(yīng)的時間尺度。(2)電力系統(tǒng)靈活性的量化指標。具體指不同的評價對象在不同的時間尺度下，其靈活屬性或需求的量化。(3)電力系統(tǒng)靈活性的評價方法。靈活性評價理論和方法體系必須涵蓋不同的評價對象，不同的應(yīng)用目的，不同的時間尺度。圍繞上述三個問題，本文總結(jié)當前國內(nèi)外針對電力系統(tǒng)靈活性評價研究的成果與進展，并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級的靈活性量化指標，電源擴展規(guī)劃、機組組合和經(jīng)濟調(diào)度等應(yīng)用場景下的靈活性評價方法等問題展開討論。

1 ?靈活性的概念和內(nèi)涵

1.1 靈活性的定義

電力系統(tǒng)的靈活性并不是一個全新的概念，早在20世紀90年代就有學者在文獻中提到了電力系統(tǒng)的靈活性問題。當時的“靈活性”概念產(chǎn)生于傳統(tǒng)電源擴展規(guī)劃時的不確定性問題中，旨在評價在一定的經(jīng)濟成本約束下，輸電系統(tǒng)的發(fā)展能否快速調(diào)整，以應(yīng)對初始規(guī)劃條件的變化[9-11]。由于當時以水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)的靈活性遠遠超過風電、光伏發(fā)電等間歇性電源，所以靈活性問題也未像現(xiàn)在這樣受到廣泛的關(guān)注。對于電力系統(tǒng)的靈活性，目前尚沒有統(tǒng)一的定義，各國研究機構(gòu)和研究人員的主要觀點包括：

NERC把電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)供需兩側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)的不確定性變化的能力。NERC認為電力系統(tǒng)的靈活性也應(yīng)包括：儲存能量的能力；高效機組組合和經(jīng)濟調(diào)度的能力[12]。

國際能源署(International Energy Agency, IEA)最早在向2008年日本北海道舉行的G8峰會上提交的報告中針對可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問題把靈活性定義為高滲透率間歇性電源接入條件下，電力系統(tǒng)保持可靠運行的能力。在其后續(xù)正式發(fā)布的報告[13]中指出：一個靈活的電力系統(tǒng)應(yīng)能在一定的經(jīng)濟成本約束下，快速響應(yīng)供需兩側(cè)大幅的功率與能量波動，對可預(yù)見、不可預(yù)見的變化和時間迅速反應(yīng)，負荷減小時減少供應(yīng)，負荷增加時增加供應(yīng)。一個靈活的電力系統(tǒng)既能消納大量的間歇性電源發(fā)出的電能，又能經(jīng)濟和高效地處理過剩的電能，也能保證可預(yù)測和不可預(yù)測的間歇性電源出力不足時系統(tǒng)電力供應(yīng)的充裕度。

文獻[14]中電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)通過配置其各種資源，響應(yīng)系統(tǒng)凈負荷變化的能力。而“凈負荷”又指原始負荷中扣除間歇性電源出力之后的剩余負荷。

文獻[15]介紹了兩種靈活性的概念。第一種是G.Stiger在1937年提出的經(jīng)濟靈活性概念[16]，它主要指經(jīng)濟系統(tǒng)短期運行時，在不考慮附加成本的前提下，適應(yīng)不同需求條件變化的能力。第二種是在前者的基礎(chǔ)上，針對電力系統(tǒng)指出：電力系統(tǒng)的靈活性體現(xiàn)在其能否以較低的成本，改變自身的配置或者運行方式，快速響應(yīng)市場和監(jiān)管條件的變化。文中認為電力系統(tǒng)靈活性的定義類似于適應(yīng)性(調(diào)節(jié)適應(yīng)新狀況的能力)和魯棒性(預(yù)先滿足所有狀況的能力)等相關(guān)的概念。

文獻[17]討論了短時間尺度內(nèi)電力系統(tǒng)運行靈活性的量化評價問題。文中強調(diào)電力系統(tǒng)靈活性的定義應(yīng)針對電力系統(tǒng)運行中的某一特定的場景，作為其對應(yīng)研究領(lǐng)域問題的延伸和擴展。任何單一、通用的關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性的定義都是沒有意義的。文中同時指出電力系統(tǒng)靈活性評價必須考慮其對應(yīng)的經(jīng)濟代價，任何電力系統(tǒng)的靈活性都是在一定的經(jīng)濟代價下才能獲取的。

文獻[18]認為靈活性主要用來描述系統(tǒng)應(yīng)對電力供需波動性和不確定性，在一定的經(jīng)濟代價約束下保持系統(tǒng)可靠性的能力。一個“靈活”的系統(tǒng)本身是一個相對的概念。比如：兩個具備相同的負荷和風/光出力場景的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)A比系統(tǒng)B在同一時間尺度內(nèi)消納更多的風/光電能，則就可認為系統(tǒng)A比系統(tǒng)B更為靈活。

文獻[19-20]中討論了不確定條件下的電力系統(tǒng)規(guī)劃以及輸電網(wǎng)絡(luò)靈活性評估的問題。文中認為：從系統(tǒng)規(guī)劃的角度，一方面擴展電源的選址定容需要考慮到當前輸電網(wǎng)絡(luò)的物理條件；另一方面輸電網(wǎng)絡(luò)在未來的建設(shè)與發(fā)展要在不改變當前的供電質(zhì)量和連續(xù)性的條件下，保證新建電源的接入。文中將輸電系統(tǒng)的靈活性描述為電源擴展和運行不確性條件下，以合理的經(jīng)濟成本保證系統(tǒng)可靠性要求的能力。與文獻[20]觀點類似，文獻[21]中分析了需求側(cè)管理(Demand Side Mnagement, DSM)在提高電力系統(tǒng)靈活性方面的作用，給出了電源、負荷統(tǒng)籌考慮的機組組合模型。此處，負荷不僅是影響電力系統(tǒng)運行的“隨機源”，其可控部分同樣可以通過利用DSM機制成為“靈活源”參與電力系統(tǒng)隨機因素的應(yīng)對中。

文獻[22]認為電力系統(tǒng)的靈活性需求貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)展的每一個階段和電力系統(tǒng)運行的每一個過程，以應(yīng)對運行中影響電力供需平衡的隨機性和不確性因素。在傳統(tǒng)基于可控水、火發(fā)電的電源結(jié)構(gòu)下，電力系統(tǒng)的隨機性和不確定性主要源于負荷的波動，運行調(diào)度人員通過負荷預(yù)測、自動發(fā)電控制、經(jīng)濟調(diào)度等技術(shù)和市場手段滿足了負荷隨機波動下的電力系統(tǒng)靈活性需求。而現(xiàn)階段，大量風/光間歇性電源的接入，從發(fā)電側(cè)增加了電力系統(tǒng)運行的隨機性和不確定性，為保證電力供需平衡，相應(yīng)的靈活性需求也應(yīng)專門考慮。就電力系統(tǒng)的靈活性評價而言，文中認為主要體現(xiàn)在三個方面，分別是：(1)?物理條件方面，主要指電力設(shè)備元件本體的物理屬性和調(diào)節(jié)能力；(2)?工業(yè)技術(shù)方面，主要指維持電力平衡的控制措施和控制策略，如AGC等；(3)?市場和交易機制方面，主要指利用價格杠桿和電力交易機制實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行的靈活性需求。并且，文中認為雖然風/光等間歇性電源從發(fā)電側(cè)打破了原有基于負荷預(yù)測結(jié)果的靈活性控制機制，增加了系統(tǒng)的靈活性需求，但并不否認風/光等間歇性電源本身同樣可以作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)中(在一定的經(jīng)濟成本約束下，棄風、棄光同樣可以作為快速靈活調(diào)節(jié)手段)。

針對市場和交易機制的靈活性，文獻[23]中利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，分析了德國電力市場中負電價機制對提高電力市場靈活性、促進風電消納的影響。2008年歐洲能源交易所(European Energy Exchange)在德國城市Leipzig正式?jīng)Q定允許負電價參與電力市場競標。負電價機制的出現(xiàn)改變了以往一味強調(diào)提高技術(shù)靈活性、滿足風電接納的靈活性需求而忽略經(jīng)濟代價的誤區(qū)，使電力系統(tǒng)更為高效和經(jīng)濟地應(yīng)對影響電力供/需平衡的各種隨機因素。

文獻[24-25]中討論了靈活性評價在含間歇性電源在內(nèi)的電源規(guī)劃調(diào)度運行中的角色和作用。文中指出大規(guī)模間歇性電源的引入，使得系統(tǒng)運行的隨機性增強，其對應(yīng)的靈活性需求直接影響到整個系統(tǒng)的電力電量平衡。因此，在傳統(tǒng)用于電源擴展規(guī)劃的隨機生產(chǎn)模擬算法中增加了靈活性評估的環(huán)節(jié)，即從容量充裕度和運行靈活性兩方面考慮問題。

1.2 靈活性的內(nèi)涵

通過上述總結(jié)和分析，目前關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性的定義或內(nèi)涵可以歸納為以下幾點：

(1)?電力系統(tǒng)靈活性并不是一個全新的、孤立的概念，它是電力系統(tǒng)運行在不同時間尺度上應(yīng)對各種隨機因素和不確定條件、保持電力和能量平衡的必然要求，它貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)展與運行的每一個階段和過程。

(2)?早期的電力系統(tǒng)靈活性需求主要針對可控性較強的水電、火電為主的電源結(jié)構(gòu)下，負荷波動、電站擴容等因素帶來的隨機性和不確定條件。電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行人員利用網(wǎng)架優(yōu)化、負荷預(yù)測、經(jīng)濟調(diào)度等技術(shù)手段實現(xiàn)和滿足了相應(yīng)的靈活性需求。

(3)?現(xiàn)階段，大量風電、光伏發(fā)電等間歇性電源的接入，改變了傳統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，降低了整個電源系統(tǒng)的出力可控性，從發(fā)電側(cè)增加了電力系統(tǒng)運行的隨機性和不確定性，而原有的靈活性措施和能力并沒有考慮到這部分的靈活性需求。因此，必須在原有的電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行理論和技術(shù)體系中針對間歇性電源帶來的隨機性和不確定性條件作專門考慮和處理。

(4)?廣義的電力系統(tǒng)靈活性概念包含了電力系統(tǒng)在不同時間尺度上以合理的經(jīng)濟成本，應(yīng)對各種隨機因素和不確定條件，滿足各種安全約束條件，保持可靠供電的能力。狹義的電力系統(tǒng)靈活性概念主要指在機組組合和經(jīng)濟調(diào)度的時間尺度內(nèi)，針對間歇性電源帶來的隨機性和不確定性條件，以合理的經(jīng)濟成本，滿足各種安全約束條件，保持可靠供電的能力。

(5)?電力系統(tǒng)的靈活性及其對應(yīng)的措施可以分為兩大類型：技術(shù)靈活性和市場靈活性。技術(shù)靈活性表現(xiàn)為電力系統(tǒng)中各設(shè)備、元件、電源、電網(wǎng)乃至整個系統(tǒng)的功率和能量調(diào)節(jié)能力(幅值和速度)，它既包含元件和設(shè)備自有的靈活屬性，也包含系統(tǒng)級配置和調(diào)度后表現(xiàn)出的整體靈活屬性。從技術(shù)手段上包含電站和設(shè)備級的機組爬坡、能量存儲和系統(tǒng)級的負荷預(yù)測、發(fā)電預(yù)測、機組組合、經(jīng)濟調(diào)度等。市場靈活性與電力系統(tǒng)靈活性需求的經(jīng)濟代價約束相對應(yīng)，主要是通過電力市場交易規(guī)則和電價機制的靈活設(shè)計，使電力系統(tǒng)更為高效和經(jīng)濟地應(yīng)對影響電力供/需平衡的各種隨機因素，避免一味強調(diào)提高技術(shù)靈活性而忽略經(jīng)濟代價。市場靈活性觀點的引入使得間歇性電源、負荷等傳統(tǒng)的“隨機源”同樣可以作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)中，豐富了提高電力系統(tǒng)靈活性的措施。

2 ?靈活性量化指標

電力系統(tǒng)靈活性根據(jù)評價對象的不同可以分為：輸電系統(tǒng)靈活性和配電(需求側(cè))系統(tǒng)靈活性；也可以分為電源、儲能、可控負荷和電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性。整個電力系統(tǒng)的靈活性來源于上述各組成設(shè)備或子系統(tǒng)自身的物理屬性及其在系統(tǒng)中所處的角色和作用。根據(jù)上述關(guān)于靈活性概念和內(nèi)涵的討論，電力系統(tǒng)靈活性的量化指標應(yīng)能反映出其在維持電力系統(tǒng)能量和功率平衡上的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度，即：

由式(1)可以看出，能量、功率、爬坡率三個物理屬性本質(zhì)上反映的是電力設(shè)備與系統(tǒng)在一定安全和經(jīng)濟約束下進行能量交換或轉(zhuǎn)換時的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。

2.1 設(shè)備級靈活性量化指標

電源、儲能、可控負荷等設(shè)備的靈活性與其固有的物理屬性和當前所處的運行狀態(tài)相關(guān)。以傳統(tǒng)發(fā)電機組為例，為應(yīng)對負荷的變化，機組出力的靈活調(diào)節(jié)能力既取決于機組固有的額定容量、最小技術(shù)出力、啟停時間、爬坡率等固有物理屬性，又取決于機組當前的啟停和出力狀態(tài)。目前大多數(shù)文獻中設(shè)備級的靈活性指標都是基于設(shè)備的爬坡率、運行上下限、強迫停運率等物理約束考慮的。經(jīng)濟調(diào)度和機組組合場景下典型的設(shè)備級靈活性量化指標如式(2)～式(3)所示[14-15]。

(3)

(4)

上式中根據(jù)調(diào)節(jié)方向的不同將設(shè)備的靈活性分為向上調(diào)節(jié)靈活性和向下調(diào)節(jié)靈活性兩個指標分別定義。其中：表示第個時段；表示第臺設(shè)備；表示單位時段對應(yīng)的時間尺度；RR表示第臺設(shè)備功率向上調(diào)節(jié)的爬坡率；RR表示第臺設(shè)備功率向下調(diào)節(jié)的爬坡率；Online為布爾變量，表示第臺設(shè)備在第個時段的在/離線狀態(tài)(1/0)；S為第臺設(shè)備的啟動時間(式中默認S≤)；Prod,u為第臺設(shè)備在第個時段內(nèi)的出力狀態(tài)；max/min,u表示第臺設(shè)備的運行出力上下限。當需要設(shè)備停運時，令Online,u=0；當為儲能設(shè)備時，min,u≤0。當為可控負荷時，設(shè)備消耗能量，max,u=0，min,u≤0，RR,+=0。

2.2 電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性描述

通常意義上的電力系統(tǒng)靈活性資源包括：水電、火電、燃氣發(fā)電等常規(guī)電源；抽水蓄能電站、電池、壓縮空氣等儲能設(shè)施；電動汽車、可控負荷、微網(wǎng)等需求側(cè)管理對象[26-32]。上述設(shè)施相對于電力網(wǎng)絡(luò)而言，其共有的特征就是同時具有能量、功率、爬坡率三方面的屬性。由于電力網(wǎng)絡(luò)本身并不具備能量變換和功率爬坡調(diào)節(jié)能力。因此，電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性也主要體現(xiàn)在其所能承受的傳輸容量即其功率屬性上，而電力網(wǎng)絡(luò)的功率屬性又取決于組成電力網(wǎng)絡(luò)的每一條支路的傳輸容量和整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。文獻[19]中基于輸電支路的靜態(tài)安全裕度和潮流分布因子定義了一種輸電網(wǎng)絡(luò)的靈活性指標，如式(5)~式(7)所示。

(6)

(7)

由上述指標的定義可知：電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性一方面取決于網(wǎng)絡(luò)中各個支路的安全裕度，裕度越大，可用于傳輸電能的容量越大；另一方面，在安全裕度相等的情況下，各支路相對于發(fā)電機節(jié)點的潮流分布因子越小，發(fā)電機節(jié)點的出力擾動對電力網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的影響越小，網(wǎng)絡(luò)也就越靈活。

2.3 系統(tǒng)級靈活性量化指標

系統(tǒng)級的靈活性量化指標主要用于衡量在一定的安全和經(jīng)濟約束下，整個系統(tǒng)所具備的靈活性調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)空間。目前針對系統(tǒng)級靈活性的量化指標主要分三種類型：(1)?利用系統(tǒng)的可靠性指標量化系統(tǒng)靈活性[34]。(2)?基于系統(tǒng)中各“靈活源”的能量、功率、爬坡率等特性定義總的系統(tǒng)級的技術(shù)靈活性指標。(3)?將系統(tǒng)各“靈活源”的經(jīng)濟特性與技術(shù)特性綜合考慮，把經(jīng)濟代價約束納入到系統(tǒng)的靈活性量化指標中。本文將介紹IRRE、NetFlexibility、T_USFI、TE_USFI四種典型的系統(tǒng)級靈活性量化指標。

2.3.1 量化指標一(IRRE)

文獻[14]中系統(tǒng)級的靈活性量化指標定義為

該指標主要用于分析機組組合和經(jīng)濟調(diào)度場景下系統(tǒng)在各個連續(xù)時段內(nèi)的靈活性，并進一步應(yīng)用到包含風電，光伏發(fā)電的電源擴展規(guī)劃中，以解決常規(guī)電源擴展規(guī)劃中主要注重容量的充裕度，而對實際運行中靈活性需求簡化處理的情況。

在式(8)的基礎(chǔ)上，文獻[14]利用靈活性不足的概率期望值(Insufficient Ramping Resource Expectation, IRRE)來描述特定時序場景下的系統(tǒng)靈活性，具體定義如下：

(10)

(11)

(13)

(14)

式(9)中：AFD,+/-()是基于式(8)所得到的離散累積分布函數(shù)，用來描述單位時間尺度為(如15 min、30 min、1 h)時系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的概率分布，可用Kaplan-Meier 法[35]估計的累積密度函數(shù)得出。NLR表示第時段的凈負荷量；NLR,t,+/-為第時段為應(yīng)對凈負荷變化所需的靈活調(diào)節(jié)量；為凈負荷時間序列樣本量；IRRP,t,+/-為系統(tǒng)在第時段內(nèi)時間尺度為的靈活調(diào)節(jié)能力不足概率；IRRE,t,+/-為系統(tǒng)在整個周期內(nèi)時間尺度為的靈活性不足的概率期望值。

2.3.2 量化指標二(NetFlexibility)

文獻[25]在文獻[14]、文獻[36]的基礎(chǔ)上進一步提出了用于機組組合和經(jīng)濟調(diào)度場景的系統(tǒng)級靈活性量化指標，如式(16)、式(17)所示。

(17)

式(16)、式(17)分別為系統(tǒng)向上和向下調(diào)節(jié)的靈活性指標，其中：為第個時段；是單位時段的時間長度；為場景編號；Contingency,+/-是系統(tǒng)運行中所需的備用容量；同式(10)，NLR,t為前后兩個時段的凈負荷差。

定義RF,t,s為

式中：為靈活電源編號；為靈活電源數(shù)目；為可變電源(Variable Generation)編號；為可變電源數(shù)目；P,i,s為靈活電源在場景下第個時段的機組出力；RES,i,s為可變電源在場景下第個時段的機組出力。

系統(tǒng)的靈活性指標取決于向上調(diào)節(jié)時的最大值，向下調(diào)節(jié)時的最小值，即靈活電源向上/向下的調(diào)節(jié)空間，如式(19)~式(21)所示。

(20)

(21)

2.3.3 量化指標三(T_USFI))

文獻[20]針對電源擴展規(guī)劃問題定義了不確定場景下的技術(shù)靈活性指標(Technical Uncerta-inty Scenarios Flexibility Index，T_USFI)，如式(22)所示。

式中：為新建電源的待選并網(wǎng)點數(shù)目；ΔP為系統(tǒng)技術(shù)靈活性優(yōu)化目標下，各待選并網(wǎng)點的注入功率。

系統(tǒng)技術(shù)靈活性的優(yōu)化目標如式(23)所示。

2.3.4 量化指標四(TE_USFI)

由上可知：電力系統(tǒng)的靈活性必須滿足一定的經(jīng)濟代價約束，對此的處理方法一是對目標方案進行經(jīng)濟代價評估和校核，另一種是直接將經(jīng)濟代價最小化納入到系統(tǒng)的靈活性優(yōu)化目標中。文獻[20]中針對電源擴展規(guī)劃問題，提出了一種不確定場景下的技術(shù)經(jīng)濟靈活性指標(Technical Economical Uncertainty Scenarios Flexibility Index，TE_USFI)，如式(24)所示。

式中：C為輸電支路剩余容量的邊際成本；M為輸電支路的剩余容量；為輸電支路數(shù)目；為已建電源的并網(wǎng)點數(shù)目；C(Pgen)為節(jié)點注入功率為Pgen時的發(fā)電成本；med為網(wǎng)損的單位平均成本；loss為系統(tǒng)網(wǎng)損。其中第一項代表輸電網(wǎng)絡(luò)的剩余容量成本；第二項代表已建電源的發(fā)電成本變化量；第三項代表網(wǎng)損成本的變化量。

該優(yōu)化模型對應(yīng)的控制變量是成本約束下的已建電源的注入功率和待建電源的注入功率(規(guī)劃年負荷曲線給定)。

對應(yīng)的，系統(tǒng)在不確定場景下的技術(shù)經(jīng)濟靈活性指標(Technical Economical Uncertainty Scenarios Flexibility Index，TE_USFI)定義如式(25)所示。其中：為待建電源的并網(wǎng)點數(shù)目。

另外，定義

(26)

實際上，輸電支路剩余容量的邊際成本不需要任何人支付，但剩余容量的減少限制了網(wǎng)絡(luò)以最低的成本進行能量供給的能力，同時對調(diào)度成本也帶來影響。因此，剩余容量在這里作為一個影響經(jīng)濟代價的變量考慮。

3 ?靈活性評價方法

風電、光伏發(fā)電等間歇性電源接入到電力系統(tǒng)后，其對應(yīng)的靈活性需求也同時納入到相關(guān)的電源擴展規(guī)劃、機組組合和經(jīng)濟調(diào)度等問題中。目前的處理方法：一方面，通過對間歇性電源出力狀態(tài)的概率分布、轉(zhuǎn)移頻率、有效容量的等時序特性的量化，把間歇性電源出力的隨機性及其對應(yīng)的靈活性需求納入到相關(guān)的隨機生產(chǎn)模擬算法中[37-42]。另一方面，根據(jù)給定的靈活性評價指標，開發(fā)單獨的靈活性評價模塊，對相關(guān)規(guī)劃或運行方案進行靈活性評價和校核。本節(jié)針對后者，根據(jù)2.3節(jié)中相關(guān)靈活性指標的定義，介紹幾種電源擴展規(guī)劃、機組組合和經(jīng)濟調(diào)度問題中的靈活性評價方法。

3.1 電源擴展規(guī)劃中的靈活性評價

文獻[14]為解決包含風電場的電源擴展規(guī)劃問題在以LOLE(loss of load expectation)和EENS (expected energy not served)為指標的容量裕度分析模塊和生產(chǎn)成本分析模塊之間，引入靈活性分析模塊，通過啟發(fā)式迭代分析，最終得到同時滿足容量裕度和靈活性需求的電源擴展規(guī)劃方案。文中針對系統(tǒng)的靈活性指標IRRE，提出了相應(yīng)的求解算法流程，如圖1所示。該算法的輸入數(shù)據(jù)主要為負荷和間歇性電源的時序數(shù)據(jù)，間歇性電源以外的各常規(guī)機組的額定容量、強迫停運率、最大/最小運行出力、啟停時間、向上/向下爬坡率、成本數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的時序分辨率取決于研究人員所關(guān)注的單位時間尺度(15?min、30?min、1?h等)。步驟(4)~步驟(11)按照式(8)~式(15)定義的各項指標和參數(shù)逐時段、逐步計算，最后得到該時序場景下系統(tǒng)的靈活性指標：IRRE。

文獻[20]針對電源擴展規(guī)劃中的不確定性因素，提出了一套基于T_USFI和TE_USFI靈活性指標，考慮輸電網(wǎng)絡(luò)約束的靈活性評價算法。該算法的主要思想是通過蒙特卡洛模擬得到節(jié)點注入功率和潮流數(shù)據(jù)，建立式(23、式(24)對應(yīng)的目標函數(shù)，并利用遺傳算法進行求解，得到式(22)、式(25)對應(yīng)的靈活性指標計算過程會形成兩個數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫1 由蒙特卡洛模擬得到支路潮流和節(jié)點注入功率；數(shù)據(jù)庫2 包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如分布系數(shù))、節(jié)點注入分量、支路余量、受成本限制的注入分量、受成本限制的支路余量、發(fā)電余量和損失成本等。

圖1 IRRE求解算法流程圖[14]

3.2 機組組合和經(jīng)濟調(diào)度中的靈活性評價

文獻[25]基于文獻[14]和文獻[36]提出的IRRE和PFD(Periods of Flexibility Deficit)指標，介紹了一種經(jīng)濟調(diào)度和機組組合場景下的靈活性評價方法，以確定輸電網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)靈活性的影響，如圖2所示。文中認為在給定的電源結(jié)構(gòu)和負荷水平下，輸電系統(tǒng)的靈活性受兩方面的影響：(1)機組組合經(jīng)濟調(diào)度模型中的輸電網(wǎng)絡(luò)約束；(2)由于“靈活源”在網(wǎng)絡(luò)中分布的位置不同，輸電阻塞(預(yù)測誤差，或者突發(fā)故障造成)可能限制一部分系統(tǒng)靈活性的實現(xiàn)。圖2描述了如何分析和量化輸電網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)靈活性影響的分析過程。用于確定靈活性的三個選項被校核以用于驗證建模的復(fù)雜性對靈活性評估的影響。

圖2中包含3個選項、4個階段。階段A代表機組組合和經(jīng)濟調(diào)度過程，產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)度計劃；階段B基于階段A的調(diào)度計劃，計算得出各“靈活源”在每個時段內(nèi)具備的靈活性。階段C用于確定輸電阻塞對不同位置的“靈活源”的靈活性能否實現(xiàn)，即系統(tǒng)實際可用靈活性的影響；只有階段C中包含在選項3中，是因為只有在階段C中同時考慮了輸電網(wǎng)絡(luò)約束和輸電阻塞對靈活性實現(xiàn)的影響。階段D是根據(jù)上一階段的結(jié)果，計算整個系統(tǒng)的靈活性指標。

圖2 機組組合和經(jīng)濟調(diào)度中的靈活性評價[25]

選項1表示在不考慮輸電網(wǎng)絡(luò)約束的情況下，根據(jù)優(yōu)化目標制定對應(yīng)時間尺度內(nèi)的調(diào)度計劃?；谶@個調(diào)度計劃，可以計算得出每個“靈活源”在每個時段內(nèi)的靈活性(階段B)，進而可以計算得出整個時間周期內(nèi)系統(tǒng)的靈活性指標(階段D)。選項2中，機組組合和經(jīng)濟調(diào)度模型中考慮了輸電網(wǎng)絡(luò)約束。階段B和階段D的作用和選項1中相同。選項3在選項2的基礎(chǔ)上，考慮了輸電阻塞情況下，“靈活源”的分布對實際可用靈活性的影響(階段C)。因此，選項3中可以確定輸電網(wǎng)絡(luò)約束和靈活源分布位置所決定的系統(tǒng)真正能實現(xiàn)的靈活性指標。

4 ?結(jié)論與建議

本文系統(tǒng)地總結(jié)了當前國內(nèi)外針對電力系統(tǒng)靈活性評價研究的成果與進展，并在此基礎(chǔ)上就廣義的電力系統(tǒng)靈活性定義和內(nèi)涵，電力系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、子系統(tǒng)等不同組成部分和層級的靈活性量化指標，電源擴展規(guī)劃、機組組合和經(jīng)濟調(diào)度等應(yīng)用場景下的靈活性評價方法等問題展開討論。本文認為：

(1)?電力系統(tǒng)靈活性需求存在于電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行的各個階段，對應(yīng)于不同的時間尺度。廣義的電力系統(tǒng)靈活性概念旨在描述在一定的經(jīng)濟約束下，電力系統(tǒng)在不同時間尺度上應(yīng)對各種隨機因素和不確定條件，保持電力和能量平衡的能力。電力系統(tǒng)的靈活性包含技術(shù)靈活性和市場靈活性兩方面。

(2)?電力系統(tǒng)靈活性的量化指標設(shè)計從技術(shù)的角度主要基于組成電力系統(tǒng)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)以及子系統(tǒng)在維持電力系統(tǒng)能量和功率平衡上的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。這一方面取決量化對象在能量、功率、爬坡率等方面的物理屬性；另一方面又取決于其當前的運行狀態(tài)和調(diào)節(jié)裕度。

(3)?電力系統(tǒng)靈活性評價方法與其對應(yīng)的靈活性量化指標及應(yīng)用場合密切相關(guān)。靈活性評價過程中既要考慮系統(tǒng)的技術(shù)靈活性，又要考慮一定經(jīng)濟代價約束即市場靈活性；既要考慮電源系統(tǒng)的潛在靈活調(diào)節(jié)能力，又要考慮網(wǎng)絡(luò)約束下的實際可用靈活調(diào)節(jié)能力。

(4)?電力系統(tǒng)靈活性理論與方法的研究應(yīng)從目前的技術(shù)靈活性研究出發(fā)，逐步往市場和交易機制的靈活性方面深入，建立電力系統(tǒng)各靈活性調(diào)節(jié)措施對應(yīng)的經(jīng)濟代價模型，研究如何利用價格杠桿和電力交易機制來激發(fā)電力系統(tǒng)中潛在的靈活調(diào)節(jié)能力，探索風電場、光伏電站、可控負荷等傳統(tǒng)的“隨機源”作為“靈活源”參與到電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)中的可能性，從技術(shù)和市場兩方面構(gòu)建適用于高滲透率間歇性可再生能源發(fā)電接入的電力系統(tǒng)靈活性理論與方法體系。

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(編輯 魏小麗)

Overview on power system flexibility evaluation

SHI Tao, ZHU Lingzhi, YU Ruoying

(China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

Aiming at flexibility problem originated from integration of large-scale intermittent generation source, such as wind farm, photovoltaic power station, etc, the corresponding research achievements and process are systematically summarized from three aspects of power system flexibility: the concept and definition, quantitative indexes, evaluation method. On this basis, key issues of power system flexibility are expatiated and discussed, which include the generalized definition and connotation of power system flexibility; the quantitative flexibility evaluation indexes of power unit, power grid and power subsystem; the flexibility evaluation method in generation expansion planning, unit commitment and economic dispatch scenarios, etc. Finally, the research direction of power system flexibility is prospected and the concerns in the next research stage of power system flexibility evaluation are expounded.

flexibility; quantitative index; evaluation method; generation plan; dispatching and operation

10.7667/PSPC150806

中國電力科學研究院創(chuàng)新基金項目(CEPRI: NY83-14-007)

2015-08-13；

2016-01-28

施 濤(1982-)，男，通信作者，博士，高級工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行技術(shù)研究；E-mail: shitao@epri.sgcc.com.cn 朱凌志(1975-)，男，博士，高級工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究；E-mail: zhulingzhi@epri.sgcc.com.cn 于若英(1988-)，女，碩士，工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行技術(shù)研究。E-mail: yuruoying@ epri.sgcc.com.cn