高比例可再生能源电力系统的源-荷协同灵活性评估框架及其应用

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Flexibility Evaluation Framework Integrating Supply and Demand for High Renewable Share Power Systems

本文针对高比例可再生能源并网带来的系统灵活性挑战，提出了一种源-荷协同的灵活性评估框架。研究人员通过建立供需两侧灵活资源（FRs）的运行模型，构建了基于基线净负荷（BNL）的能量转移、功率平衡和爬坡率三维指标体系。案例研究表明，随着可再生能源渗透率（REPR）提升至50%，系统灵活性需求显著增加，需求侧资源（如PEV、CAC-CS）可提供约50%的季节性能量转移灵活性，有效弥补传统灵活资源的不足。该研究为高比例可再生能源电力系统的协同规划提供了量化工具和实践路径。

　　

随着全球碳中和目标的推进，电力系统作为碳减排的关键领域，正经历着以风电、光伏为代表的可再生能源大规模并网的深刻变革。然而，可再生能源固有的间歇性和波动性，彻底颠覆了传统“源随荷动”的运行模式，转向“源荷协同”的新范式。这一转变对电力系统的灵活性——即电网响应净负荷变化、调节功率注入或吸收的能力——提出了前所未有的挑战。在高比例可再生能源场景下，如何精准量化系统灵活性需求，并协调调度源-荷两侧的灵活资源（FRs），成为制约可再生能源消纳的瓶颈问题。

长期以来，电力系统规划往往侧重于供应侧灵活资源（如燃煤、燃气机组、水电、抽水蓄能等），而忽视了需求侧巨大的灵活性潜力。需求侧资源如电动汽车（PEV）、分布式电池储能（DBS）、带冷储的集中式空调系统（CAC-CS）以及可时移负荷（TSA）等，虽被逐渐认识，但其灵活性贡献缺乏统一、多维度的量化评估方法，难以与供应侧资源进行有效对比和协同规划。现有研究在灵活性度量方面也存在局限：或侧重于单一维度（如能量、功率、爬坡），或偏重于建模而非标准化评估，且鲜有框架能系统整合源-荷两侧资源，分析其在区域电力系统中的协同效应。

为了解决上述问题，发表在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上的这项研究，旨在构建一个全面的源-荷协同灵活性评估框架。该框架的核心目标是实现对不同类别灵活资源在多维度灵活性贡献上的标准化、可比较评估，从而为高比例可再生能源电力系统的规划与运行提供决策支持。

为达成研究目标，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，基于多源数据集（电网数据、地理信息系统数据、智能电表数据、车辆活动数据）进行数据收集与预处理，合成了省级负荷曲线并估算了灵活性资源参数。其次，建立了供应侧（燃煤、燃气、水电、抽水蓄能）和需求侧（CAC-CS, PEV, DBS, TSA）灵活资源的聚合运行模型。第三，构建了以基线净负荷（BNL）为锚点的日前滚动优化调度模型，该模型以最小化运行成本为目标，同时满足功率平衡、设备运行约束及跨日耦合约束。最后，提出了一套包含能量转移（EI, EA）、功率平衡（PI, PA）和爬坡率（RU, RD）的三维灵活性指标体系，用于量化评估各类资源在调度结果中的灵活性贡献。

系统灵活性需求分析

研究表明，随着可再生能源渗透率（REPR）的增加，系统对所有类型的灵活性需求均显著上升。当REPR达到50%时，能量注入（EI）需求从0.081增至0.161，功率吸收（PA）需求增长尤为迅速，并在REPR超过30%后反超功率注入（PI）需求，凸显了高比例可再生能源下功率过剩问题的加剧。向上爬坡（RU）需求始终高于向下爬坡（RD）需求，这主要是由于傍晚负荷高峰与光伏出力快速下降在时间上重合所致。此外，光伏渗透率（PVPR）的提高会进一步加剧功率和爬坡需求的不平衡性。季节性分析表明，夏季由于负荷高，其灵活性需求（尤其是PI）远高于冬季和过渡季。

灵活资源供应的时空特性与季节性变化

通过对典型周运行结果的分析发现，不同资源在不同季节的灵活性输出模式各异。抽水蓄能（PS）、电动汽车（PEV）和水电在冬、夏、过渡季均能提供双向（注入和吸收）灵活性。燃煤机组主要提供能量注入灵活性，但其在REPR较高时，由于基线出力较低，吸收过剩功率的能力受限（EA, PA指标下降>80%）。燃气机组则在夜间功率缺额严重时启动。CAC-CS和PEV表现出与PS相似的灵活性输出模式，交替进行正负灵活性调节。需求侧资源在每个季节提供了约49%-55%的总能量转移灵活性，其中PEV和CAC-CS的贡献尤为突出，有效缓解了季节性灵活性压力。

供应侧灵活资源的灵活性供应能力

通过雷达图对比不同REPR和PVPR场景下供应侧资源的归一化灵活性指标发现：燃煤机组的角色随REPR增加向功率缺额注入转变，其过剩功率吸收能力大幅下降；燃气机组在低REPR时表现出较高的功率注入灵活性，但在高REPR时其作用减弱；水电凭借可调节水库，在功率注入和吸收方面均表现稳健；抽水蓄能则在过剩功率吸收和向上爬坡方面表现卓越，其相关指标在高REPR下增长了4-10倍，凸显了其在应对净负荷陡变中的关键作用。

需求侧灵活资源的灵活性供应能力及其替代潜力

需求侧资源普遍表现出比功率注入更强的功率吸收灵活性。在高REPR场景下，PEV和CAC-CS等需求侧资源在灵活性特性上与抽水蓄能等快速调节资源相似。例如，CAC-CS利用冷储转移冷负荷，其运行策略与PS类似；PEV则在爬坡灵活性方面表现优异。灵活性指标分析揭示了需求侧资源对快速调节供应侧资源（如水电、PS）的替代潜力，以及在高PVPR场景下对燃煤机组功率缺额注入能力的补充作用。容量缩放分析表明，PEV和PS的灵活性指标随容量增加呈近似线性增长，但PEV在较高参与规模下存在饱和效应。经济性分析进一步支持了替代潜力，PEV可替代部分PS容量，显著降低年化系统成本。

研究结论与讨论

本研究提出了一个集成源-荷两侧灵活资源的统一评估框架，并建立了一套三维灵活性度量体系。通过对省级电网的案例研究，得出主要结论：首先，可再生能源渗透率的提高加剧了系统灵活性需求，尤其表现为功率过剩和净负荷陡增爬坡挑战。其次，传统燃煤机组的角色向功率缺额注入转变，而抽水蓄能和水电的灵活调节作用增强。最后，需求侧资源（特别是PEV和CAC-CS）提供了约50%的季节性能量转移灵活性，其灵活性特征与快速调节资源相似，显示出巨大的替代潜力和与传统资源的互补性。

该框架为区域能源转型规划提供了重要工具，但其应用也存在一定局限，例如适用于自平衡的区域系统或微电网，对主要依靠外送或受入电力的系统适用性需进一步研究；框架侧重于小时级净负荷变化，未考虑日内平衡和爬坡需求；需求侧资源的表征依赖于聚合参数和已验证的基线功率曲线，这对实际应用提出了数据要求。尽管如此，该研究为推动源-荷协同的灵活性规划、支撑高比例可再生能源并网目标提供了有力的方法论支持和实践启示。