高比例可再生能源场景下的电力系统灵活性规划研究

The flexibility resource of power system is urgent needed for both the future vision of clean power system and current solution of bottleneck of the development of renewable energy in China. From the point of power system planning, the cooperation planning among “generation-network-load-storage” focusing on the adequacy level of system flexibility resource will be the first question rather than the generation planning focusing on the adequacy level of generation resource..Previous research focusing on the flexibility issue are mainly adopting traditional method and add new step of checking the flexibility level of system, which is hardly meeting the requirement of the future vision of high penetration of renewable generation. The flexibility requirement and resources are both pluralistic, multi spatial and temporal scale, and transferable in different conditions. So new cooperation planning among “generation-network-load-storage” focusing on the system flexibility is new urgent technical challenge of power system planning..The balance principle between the flexibility resource and requirement is firstly proposed in the proposal, then new evaluation indices for flexibility are introduced, and simulation model for the different balance scenario is built for proceeding new evaluation and optimal planning method of “generation-network-load-storage” four elements balance. Case study and engineering design method of flexibility planning are also be explored in this project.

无论从未来电力系统发展的共同愿景，还是从我国可再生能源开发当下瓶颈来看，都对电力系统灵活调节资源提出了迫切需求。从规划角度来看，以发电充裕度为关键约束的电源容量规划已不是未来电力系统规划的核心问题，以系统灵活性充裕度为关键约束的“源-网-荷-储”协调规划将成为首要问题。.现有考虑灵活性的系统规划方案多在固有框架中增加灵活性校核环节，难以适用于未来高比例可再生能源场景的需求。未来电力系统灵活性的需求与供给都呈现多元化、多时空尺度、可以相互转化的特征。目前缺乏一套以灵活性为核心的电力系统“网-源-荷-储”协调规划方法。.本课题首先研究高比例可再生能源场景下多时间尺度灵活性供需动态平衡机理，提出灵活性评价指标体系，基于灵活性资源匹配的电力系统运行模拟建模，研究多源灵活性充裕度评估方法，提出“源-网-荷-储”四元结构平衡的优化规划模型，为电力系统提供未来高比例可再生能源场景设计案例及工程设计方法。

高比例可再生能源场景下电力系统规划的核心问题已经从以发电充裕度为关键约束的电源容量规划，转化为以系统灵活性充裕度为关键约束的源-荷-储协调规划。项目从灵活性平衡机理、定量评价、运行模拟和优化规划等方面开展了研究，提出了高比例可再生能源电力系统灵活性规划的理论与方法体系。项目主要工作及成果如下：.提出了电力系统多时空尺度灵活性的统一定义和数学描述方法。采用随机变量描述灵活性，从供、需二元平衡的角度阐明了电力系统全环节灵活性需求与资源的平衡机理，提出了多时间尺度的灵活性不足概率、不足期望等量化评价指标。并将电力规划模型的代数约束推广为概率约束，建立了灵活性指标与约束之间的线性关联，从而建立了一个物理意义明确、数学形式规范的电力系统灵活性优化规划模型。.提出了一种面向电-热广义负荷的电力系统非时序概率生产模拟数学模型，提出了分析概率约束的修正联合等效电量函数法和基于最小电热微增率的启发式生产模拟算法。该模型采用概率方法描述电力系统生产模拟，实现了电力电量平衡的代数和向灵活性平衡的概率卷积运算的转变，解决了规划阶段场景缺乏、由于场景组合产生的维数灾问题，并且具有计算速度快的明显优势，为电力系统灵活性定量评价和灵活性优化规划提供基本的数学方法。.针对源-荷-储一体化的灵活性协调规划的优化问题，建立了考虑灵活性平衡约束的含资源投资决策层和运行生产模拟校验层的双层优化规划模型，并提出了基于最大净收益微增率的求解方法。该模型物理意义明确，数学形式规范，能够在输电网的约束下，考虑源、荷、储任一环节的灵活性资源及其组合，解决了传统资源配置中采用试算和校验法的缺陷，并从机理上揭示了源-荷-储灵活性资源在不同时间尺度上的互补特性。.提出了一套面向可再生能源消纳的电力系统灵活性标准算例系统（FTS-213）。此系统可以应用于机组组合、经济调度、阻塞管理、灵活性资源优化配置等领域，为高比例可再生能源接入电力系统的研究提供标准平台。.本项目为未来高比例可再生能源电力系统灵活性资源的扩展规划提供了完整的数学工具和分析方法。