新能源波動(dòng)性及其調(diào)節(jié)資源分析

隨著新能源裝機(jī)功率的快速增長，新能源功率波動(dòng)性帶來的系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求同樣快速增加。

目前長期運(yùn)行的集中式現(xiàn)貨省級(jí)市場中，除了廣東的新能源裝機(jī)較小，暫時(shí)對系統(tǒng)運(yùn)行尚無顯著影響，其他幾個(gè)省級(jí)現(xiàn)貨市場的新能源滲透率都已經(jīng)很高。而新能源發(fā)電功率存在多周期的波動(dòng)，其不同周期波動(dòng)對資源稟賦差異較大的各省來說，可用調(diào)節(jié)手段存在差異。

(來源：微信公眾號(hào)“蘭木達(dá)電力現(xiàn)貨” 作者：湯慧娣、李紅玉)

2023年7月23日，山西能監(jiān)辦發(fā)布了《山西省電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源建設(shè)運(yùn)營現(xiàn)場監(jiān)管工作方案》，調(diào)節(jié)性電源只是滿足調(diào)節(jié)需求的一部分資源。而本文主要從山西2021年4月開展長周期現(xiàn)貨市場運(yùn)行以來的新能源實(shí)際發(fā)電功率數(shù)據(jù)出發(fā)，分析其波動(dòng)的多周期特點(diǎn)，并初步探討山西系統(tǒng)調(diào)節(jié)性資源方向。

一月周期波動(dòng)

首先定義月環(huán)比指標(biāo)：M月功率環(huán)比=M月平均功率/M-1月平均功率-1。以及新能源平均功率=風(fēng)電平均功率+光伏平均功率。

圖1山西新能源逐月平均功率(2021.4-2023.7)

圖2山西風(fēng)電逐月平均功率(2021.4-2023.7)

結(jié)論1：在月周期方面，山西新能源發(fā)電功率波動(dòng)與風(fēng)電發(fā)電功率波動(dòng)的相關(guān)性非常高。

從圖(1)、圖(2) 看出，環(huán)比相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98。風(fēng)電出力波動(dòng)幅度比新能源波動(dòng)幅度還要?jiǎng)×? 環(huán)比變化范圍在-46%至91%左右;新能源出力環(huán)比變化范圍在-40.8%到72.1%。這主要有兩個(gè)原因，一是截止2023年6月，山西風(fēng)電裝機(jī)一直大于光伏裝機(jī);二是風(fēng)電波動(dòng)性遠(yuǎn)大于光伏波動(dòng)性，所以合計(jì)的新能源波動(dòng)性小于純風(fēng)電的波動(dòng)性。

如果定義風(fēng)電大出力月標(biāo)準(zhǔn)為：月均風(fēng)電發(fā)電功率>總平均風(fēng)電發(fā)電功率*1.2;新能源大出力月標(biāo)準(zhǔn)為：月平均新能源發(fā)電功率>總平均新能源發(fā)電功率*1.2。其中，總平均功率為2021年4月-2023年7月的功率算術(shù)平均值。則從下表可以看出，除了2022年3月和2023年3月，表中其他各月均同時(shí)滿足新能源大出力月和風(fēng)電大出力月標(biāo)準(zhǔn)。

新能源大出力月和風(fēng)電大出力月基本重合。

結(jié)論2：山西新能源發(fā)電功率的月周期波動(dòng)非常劇烈。

自2021年4月至2023年7月山西現(xiàn)貨市場連續(xù)運(yùn)行28個(gè)月以來，28個(gè)月中有15個(gè)月的環(huán)比絕對值大于15%，達(dá)總月數(shù)的53.6%。

下表列舉了所有環(huán)比絕對值大于15%的月份。其中波動(dòng)最大的三個(gè)月是：2021年11月，環(huán)比上升72.12%;2022年12月，環(huán)比上升42.68%;2022年1月，環(huán)比下降40.76%。

月周期波動(dòng)主要發(fā)生在大風(fēng)季內(nèi)部逐月間和大風(fēng)季小風(fēng)季過渡月。山西大風(fēng)季主要是冬季和春季，秋季10月是風(fēng)從小到大的過渡月，6月是風(fēng)從大到小的過渡月。從上表來看，2021年10月新能源極小，11月大風(fēng)，導(dǎo)致11月的環(huán)比波動(dòng)極大;2022年1月屬于大風(fēng)季內(nèi)部，2021年12月風(fēng)比較大，而到2022年1月風(fēng)突然變小，因此出現(xiàn)了較大的環(huán)比下降;從2022年10月至2022年12月，連著三個(gè)月新能源功率環(huán)比漲幅都比較大，12月達(dá)到頂峰，新能源發(fā)電功率超過同樣大風(fēng)季的11月40%+。

結(jié)論3：應(yīng)對新能源發(fā)電功率月周期波動(dòng)的調(diào)節(jié)措施主要是火電開停機(jī)。

具體分大風(fēng)季、過渡期、小風(fēng)季分析。

大風(fēng)季：冬季和春季這種大風(fēng)季同時(shí)也是山西用電負(fù)荷高峰季節(jié)，因此如果按常規(guī)出現(xiàn)全月新能源平均發(fā)電功率較高，有助于山西電網(wǎng)充分供應(yīng)，除了供熱必開外，火電可以適當(dāng)停機(jī);遇到大風(fēng)季全月新能源平均出力水平持續(xù)偏低的情況，只能依靠火電開停機(jī)來滿足需求。

春季里4-5月為檢修高峰期，可開機(jī)火電容量較小，但同時(shí)用電負(fù)荷也低，所以通常不會(huì)出現(xiàn)供需緊張。

由于旬周期波動(dòng)和日周期波動(dòng)的存在，大風(fēng)月份中可能存在個(gè)別旬或個(gè)別日的新能源極小出力，在旬周期波動(dòng)和日周期波動(dòng)中分析。

過渡期：過渡期新能源月均功率水平差異很大，通常是負(fù)荷相對低谷期，也是檢修容量大幅度變化時(shí)期，同樣只能依靠火電開停機(jī)來滿足調(diào)節(jié)需求。

小風(fēng)季：極少出現(xiàn)新能源功率波動(dòng)，調(diào)節(jié)性需求很少;新能源小出力期間，火電開機(jī)較大，因此如有月周期波動(dòng)的調(diào)節(jié)需求，依然是依靠火電開停機(jī)滿足。

二旬周期波動(dòng)

從2021年4月到2023年7月，各旬新能源發(fā)電功率波動(dòng)和風(fēng)電發(fā)電功率波動(dòng)分別見圖(3)和圖(4)。

圖3山西新能源逐旬平均功率(2021.4-2023.7)

圖4山西新能源逐月平均功率(2021.4-2023.7)

對比圖(1)到圖(4)，旬波動(dòng)劇烈程度高于月波動(dòng)程度。

定義新能源波動(dòng)較大的旬：新能源旬環(huán)比絕對值大于30%的旬。

山西現(xiàn)貨市場連續(xù)運(yùn)行84個(gè)旬中，24個(gè)新能源波動(dòng)超過30%，達(dá)總旬?dāng)?shù)的28.5%;如果按旬環(huán)比絕對值超過20%統(tǒng)計(jì)，35個(gè)旬達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，占總旬?dāng)?shù)的42%。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都比月波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)高，由此可知，山西旬周期的調(diào)節(jié)需求也非常高。

與月波動(dòng)類似，新能源旬周期波動(dòng)帶來的調(diào)節(jié)性需求也主要由火電機(jī)組開停機(jī)來滿足。

如果在春季或冬季這種大風(fēng)季，有可能由于某旬的極小新能源出力導(dǎo)致系統(tǒng)整體供需形勢逆轉(zhuǎn)，逐旬現(xiàn)貨市場價(jià)格波動(dòng)很大。例如2023年1月下旬新能源大發(fā)，疊加過年低負(fù)荷，山西1月下旬實(shí)時(shí)市場價(jià)格算術(shù)均價(jià)僅107.5元/兆瓦時(shí)，平均開機(jī)126臺(tái);而2月上旬新能源功率環(huán)比下降接近44%，盡管平均開機(jī)接近140臺(tái)，實(shí)時(shí)市場價(jià)格算術(shù)均價(jià)依然大幅度攀升至431元/兆瓦時(shí)。

以山西電網(wǎng)的新能源實(shí)發(fā)功率數(shù)據(jù)來看，其月周期波動(dòng)和旬周期波動(dòng)程度都比較劇烈。而對這兩種周期波動(dòng)，山西的主要調(diào)節(jié)手段還是火電開停機(jī)為主。

在一些擁有長周期水電資源的省份，這部分需求可以由年調(diào)節(jié)水電或不完全年調(diào)節(jié)水電來滿足，但山西不具備這種條件。

以目前的儲(chǔ)能技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性，無法滿足月、旬周期的新能源波動(dòng)帶來的調(diào)節(jié)性需求。

新能源波動(dòng)性及其調(diào)節(jié)資源分析

接上篇，繼續(xù)分析山西新能源發(fā)電功率的日周期波動(dòng)和日內(nèi)波動(dòng)情況。

其中，日周期的波動(dòng)依然主要由機(jī)組啟停來滿足調(diào)節(jié)需求;而在目前階段，日內(nèi)波動(dòng)主要通過外送曲線調(diào)整和火電機(jī)組深度調(diào)峰來滿足調(diào)節(jié)需求，未來隨市場發(fā)展，用戶側(cè)負(fù)荷調(diào)整和儲(chǔ)能設(shè)施可以在日內(nèi)提供更多調(diào)節(jié)能力。

(來源：微信公眾號(hào)“蘭木達(dá)電力現(xiàn)貨” 作者：湯慧娣)

逐月啟動(dòng)費(fèi)用

對于月周期、旬周期乃至日周期的新能源功率波動(dòng)，山西的主要調(diào)整措施都是火電機(jī)組啟停。因此，首先分析一下2022年1月-2023年6月山西市場運(yùn)營費(fèi)用中機(jī)組啟動(dòng)費(fèi)用的逐月變化情況。

從圖1可見，2023年一季度機(jī)組啟停臺(tái)次和啟動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用都低于同期;但二季度的機(jī)組啟動(dòng)臺(tái)次明顯高于同期，費(fèi)用方面，23年4、5月的啟動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用都高于同期，同時(shí)也明顯高于一季度水平。

根據(jù)山西市場運(yùn)營費(fèi)用結(jié)算公告，“機(jī)組啟動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用是指對按照日前現(xiàn)貨市場出清結(jié)果提供啟動(dòng)服務(wù)的機(jī)組，按照啟動(dòng)報(bào)價(jià)的一定比例進(jìn)行的補(bǔ)償。”因此，2023年4-6月啟動(dòng)費(fèi)用的趨勢和啟動(dòng)機(jī)組臺(tái)次的趨勢不完全一致。

圖1機(jī)組啟動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用和啟停次數(shù)逐月情況

二  日周期波動(dòng)及其調(diào)節(jié)措施

從圖1可見，2023年4月機(jī)組啟動(dòng)補(bǔ)償費(fèi)用和機(jī)組啟動(dòng)臺(tái)次的水平都比較高，遠(yuǎn)高于上期2023年3月和同期2022年4月。

23年4月及同期的新能源逐日波動(dòng)情況如圖2。

圖2 新能源實(shí)際發(fā)電功率逐日波動(dòng)

圖3 新能源日均功率的分布情況

直觀來看2023年3月的新能源功率分布最均勻;2023年4月分布最分散，且圖中集中區(qū)間的日均功率值在三個(gè)月里為最大，日均功率在1084萬千瓦到1360萬千瓦之間的日數(shù)達(dá)到10天。

如果定義一個(gè)指標(biāo)：“新能源日波動(dòng)率月均值”來表示新能源實(shí)際發(fā)電功率的日波動(dòng)幅度。統(tǒng)計(jì)公式為：新能源逐日波動(dòng)率月均值=AVERAGE(ABS(D日新能源實(shí)發(fā)功率/D-1日新能源實(shí)發(fā)功率-1))。

類似的，定義指標(biāo)“競價(jià)空間日波動(dòng)率月均值”表示各月競價(jià)空間的日波動(dòng)幅度。統(tǒng)計(jì)公式為：競價(jià)空間逐日波動(dòng)率月均值=AVERAGE(ABS(D日競價(jià)空間/D-1日競價(jià)空間-1))。

2022年4月、2023年3月和2023年4月，這兩個(gè)波動(dòng)率指標(biāo)數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：

表中可見，無論是新能源的日波動(dòng)率還是競價(jià)空間的日波動(dòng)率，都是2023年4月最高，上期2023年3月最低，同期2022年4月數(shù)值介于兩者之間。

從業(yè)務(wù)邏輯上，新能源實(shí)際發(fā)電功率和競價(jià)空間的逐日波動(dòng)大，機(jī)組啟停臺(tái)次就會(huì)高，啟動(dòng)費(fèi)用也會(huì)高，23年4月及其上期同期的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。

三 日內(nèi)(逐小時(shí))波動(dòng)及其調(diào)節(jié)措施

首先定義峰谷差和峰谷差率指標(biāo)。

風(fēng)電功率日內(nèi)峰谷差=某一日風(fēng)電實(shí)發(fā)功率最大值-該日風(fēng)電實(shí)發(fā)功率最小值

風(fēng)電功率日內(nèi)峰谷差率=某一日風(fēng)電日內(nèi)峰谷差/該日風(fēng)電實(shí)發(fā)功率平均值

實(shí)際競價(jià)空間峰谷差=某一日實(shí)際競價(jià)空間最大值-該日實(shí)際競價(jià)空間最小值

實(shí)際競價(jià)空間峰谷差率=某一日實(shí)際競價(jià)空間峰谷差/該日實(shí)際競價(jià)空間平均值

從2022年1月至2023年8月20日為止，風(fēng)電日內(nèi)峰谷差率和實(shí)際競價(jià)空間峰谷差率呈現(xiàn)反方向變化，即風(fēng)電日內(nèi)波動(dòng)大的月份，競價(jià)空間日內(nèi)波動(dòng)更小。

這主要是由于競價(jià)空間的波動(dòng)由負(fù)荷日內(nèi)波動(dòng)、外送需求日內(nèi)波動(dòng)和風(fēng)、光日內(nèi)波動(dòng)多個(gè)波動(dòng)構(gòu)成，其中負(fù)荷、外送和光伏的波動(dòng)均具有較為固定的時(shí)間分布，而風(fēng)電功率最為隨意，與時(shí)間的相關(guān)性較差，因此可以說風(fēng)電的日內(nèi)波動(dòng)被競價(jià)空間的其他構(gòu)成部分壓平了。

圖4 風(fēng)電功率日內(nèi)波動(dòng)和競價(jià)空間波動(dòng)

那么日內(nèi)競價(jià)空間的波動(dòng)主要和什么有關(guān)?答案是光伏發(fā)電功率。

圖5 光伏發(fā)電功率和競價(jià)空間日內(nèi)波動(dòng)情況

圖5可見，2022年1月到9月，光伏功率和競價(jià)空間的峰谷差率相關(guān)性很高，10-11月比較特別;2022年12月到2023年3月，光伏功率和競價(jià)空間的峰谷差率繼續(xù)存在高相關(guān)性，但從2023年4月開始，光伏功率和競價(jià)空間峰谷差率的相關(guān)性出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)。

圖6對比了2023年3月-8月(截止8.20)的用電分時(shí)均值、競價(jià)空間分時(shí)均值、外送分時(shí)均值和新能源分時(shí)均值，從3月到5月，新能源尤其是光伏中午的凸起完全無法用外送來覆蓋，外送全天均值小于新能源，因此競價(jià)空間的中午谷段需求都明顯比實(shí)際用電的谷段更低;而在6月，外送總平均水平已經(jīng)大于新能源實(shí)發(fā)功率，只是中午還不能完全覆蓋，因此6月競價(jià)空間峰谷差依然明顯超出用電負(fù)荷的峰谷差。到7-8月，由于外送曲線完全覆蓋了新能源出力，即使7、8月的光伏出力超出了4、5月，8月甚至也超過了3月，但7-8月的競價(jià)空間幾乎被壓平了，從圖5上體現(xiàn)出7-8月的峰谷差率急劇下降。

圖62023年3月-8月(截止20日)用電負(fù)荷、競價(jià)空間、外送和新能源對比

各月的外送曲線如圖7所示。4-5月水平差不多，較小;3月和6月水平差不多，中等;7-8月水平差不多，很高。

圖7 23.3月-23.8月實(shí)際外送曲線

所以，在日內(nèi)新能源波動(dòng)方面，主要的逐小時(shí)波動(dòng)來自光伏。同時(shí)，光伏功率對競價(jià)空間的影響程度也要受到外送曲線和外送水平的影響。外送計(jì)劃和實(shí)際由省間中長期和省間現(xiàn)貨市場形成，所以7-8月的外送并不是由山西省內(nèi)發(fā)電企業(yè)或市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)決定的，算是一種客觀形成的調(diào)節(jié)措施。至于儲(chǔ)能，如果把競價(jià)空間全月分時(shí)值做平均，再考慮24小時(shí)均值計(jì)算的峰谷差，同樣考慮新能源的全月分時(shí)均值計(jì)算的峰谷差，可見如果完全使用儲(chǔ)能來滿足每日峰谷差的調(diào)節(jié)需求，按放電6000MW功率、85%效率統(tǒng)計(jì)，最少需建設(shè)7000MW儲(chǔ)能設(shè)施?？紤]到峰谷差算的是全月均值，極端情況下個(gè)別日期峰谷差可以超過平均值2倍。

從2023年3月至8月數(shù)據(jù)來看，山西應(yīng)對日內(nèi)新能源波動(dòng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)措施或客觀形成措施主要包括：

根據(jù)對日周期波動(dòng)和日內(nèi)波動(dòng)情況分析，我們將山西應(yīng)對新能源各周期波動(dòng)的主要措施做出總結(jié)，其主要包括：1) 火電啟停：應(yīng)對多周期波動(dòng)2) 抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行：應(yīng)對日內(nèi)波動(dòng)3) 火電深調(diào)：應(yīng)對日內(nèi)波動(dòng)4) 外送曲線調(diào)整：個(gè)別月份應(yīng)對日內(nèi)波動(dòng)，需要需求省份配合5) 獨(dú)立儲(chǔ)能：未來應(yīng)對日內(nèi)波動(dòng)的主要措施6) 用戶負(fù)荷調(diào)整：未來應(yīng)對多周期波動(dòng)的主要措施