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1.研究背景
新型電力系統(tǒng)具有高比例可再生能源與高比例電力電子設備等主要技術特征，即大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電具有強間歇性、隨機性與波動性等特點，且風光發(fā)電呈日內以及季節(jié)性波動特性，與負荷需求不匹配。同時，轉動慣量的缺乏削弱了電力系統(tǒng)抗故障沖擊的能力，大量電力電子設備并網使得系統(tǒng)動態(tài)特性復雜化。因此，如何在多時間尺度上保持發(fā)電與負荷功率平衡、如何保持含高比例電力電子設備的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、如何對清潔能源進行高效消納與優(yōu)化配置將成為未來電力系統(tǒng)長期規(guī)劃的主要挑戰(zhàn)。為此，論文對電力系統(tǒng)長期規(guī)劃的研究現(xiàn)狀進行綜述與展望。
2.論文所解決的問題及意義
新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法如圖1所示。論文首先分析與總結新型電力系統(tǒng)的主要技術特征；在此基礎上，總結能源供應安全與能源供應的經濟-政策不確定性兩方面挑戰(zhàn)，其涵蓋參數(shù)不確定性、政策不確定性、電力系統(tǒng)靈活性、電力系統(tǒng)充裕性、電力系統(tǒng)安全性、多時間尺度功率平衡等環(huán)節(jié)；然后，從長期不確定性、短期不確定性、安全性評估、可靠性評估4個著眼點開展研究，對不同方法的研究思路、應用場景與優(yōu)缺點進行了比較分析。最后，對新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型的構建與應用進行總結與展望。
圖1 新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)與解決方法
3.論文重點內容
論文就以下五個方面進行綜述：
（1）電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)
電力系統(tǒng)長期規(guī)劃指以能源供給與技術發(fā)展為基礎，采用優(yōu)化算法優(yōu)化滿足能源需求等約束條件下成本最優(yōu)的技術選擇，其決策變量通常是在給定的時間與空間范圍內對發(fā)電技術、發(fā)電容量與輸電容量的選擇。研究框架如圖2所示，其可用于電源規(guī)劃、電網規(guī)劃、或者電源–電網協(xié)同規(guī)劃，也能評估不同能源政策、潛在技術發(fā)展等對能源系統(tǒng)的影響。
圖2 新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃框架
電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩方面：
1）能源供應的經濟-政策不確定性方面；長期不確定性指由于政府政策、能源價格波動、新興技術等因素使得模型參數(shù)具有高度不確定性。其可表征為參數(shù)與政策不確定性。其中，參數(shù)不確定性主要分為技術與經濟參數(shù)不確定性。政策不確定性受到國家或地區(qū)能源發(fā)展戰(zhàn)略的影響。
2）能源供應的安全方面；論文從電力系統(tǒng)靈活性、充裕性、安全性與多時空功率平衡四方面闡述長期規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)。其中，靈活性解決短期與長期供需不平衡帶來的靈活性需求。充裕性解決新能源發(fā)電與常規(guī)火電機組的區(qū)別與量化評估方法。安全性解決電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題，包括功角穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性與電壓穩(wěn)定性。多時空功率平衡解決考慮不同區(qū)域的資源稟賦，合理規(guī)劃可再生能源發(fā)展，滿足大范圍資源優(yōu)化配置與功率平衡問題。
針對上述挑戰(zhàn)，本文就長期不確定性、短期不確定性、安全性評估、可靠性評估四個方面進行綜述：
（1）長期不確定性
為了提高新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃在長期不確定性條件下的魯棒性，目前常用概率性方法與情景分析法。概率性方法指在已知不確定性參數(shù)的概率分布情況下，使用期望最大等方法得到其規(guī)劃方案。情景分析法指在不確定參數(shù)的概率分布未知的情況下，使用情景分析方法對不確定參數(shù)取值范圍進行合理假設，進而得到其規(guī)劃方案。
（2）短期不確定性
短期不確定性指由天氣與用戶行為的隨機性，導致數(shù)小時甚至數(shù)天的風光出力與負荷需求的不確定。模型時空分辨率將直接影響模型的大小與變量的規(guī)模，進而影響模型求解效率。權衡模型求解效率與準確性是新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃面臨的主要挑戰(zhàn)之一。論文總結了兩類處理不確定性的方法，包括外生法與內生法，如圖3所示。外生法主要通過引入額外的電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與評估模型等，對原有規(guī)劃模型的規(guī)劃方案進行核驗與修正，或者引入新的約束條件以迭代求解規(guī)劃方案。內生法主要對長期規(guī)劃中的短期運行約束進行精細化建模，以提高模型求解準確性。
圖3 短期不確定性處理方法分類
（3）保障系統(tǒng)發(fā)電充裕性
在我國發(fā)電充裕性機制不完善的情況下，可再生能源的快速發(fā)展與煤電的逐步退役使得發(fā)電充裕性問題變得更加嚴峻。雖然可再生能源的接入能夠提高系統(tǒng)發(fā)電充裕性，但是其發(fā)電充裕性遠遠低于同等容量的傳統(tǒng)發(fā)電機組。為此，論文從發(fā)電充裕性來源、指標與評估方法三方面來總結如何在電力系統(tǒng)長期規(guī)劃考慮發(fā)電充裕性約束。在發(fā)電充裕性評估方法方面，目前，美國不同電力市場對風光可信容量的評估總結如表1所示。此外，也可根據(jù)需要采用基于可靠性評估、解析法與工程類方法進行可再生能源容量可信度評估。
表1 美國區(qū)域電網風光可信容量可信度
在評估方法方面，現(xiàn)有風光可信容量計算方法與影響分析已較為透徹，但是在新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃中，以下幾個方面將有所不同：1）考慮不同時間尺度下的發(fā)電充裕性評估；目前充裕性規(guī)劃約束要求通常以年為基本單位，但風光發(fā)電具有明顯的日特性、季節(jié)性特性與年際特性，在部分地區(qū)可能存在季節(jié)性充裕性不足的問題，導致系統(tǒng)功率失衡的風險增加。有必要研究更短時間尺度的風光容量可信度計算方法、以及負荷隨機性對風光可信容量的影響。2）考慮輸電阻塞對發(fā)電充裕性的影響；隨著可再生能源大規(guī)模并網，使得電網運行愈加趨近輸電極限，因此，風光容量可信度的計算需要考慮風光發(fā)電機組的空間分布，以精細化評估不同空間位置的風光可信容量。
（4）保障系統(tǒng)發(fā)電安全性
靜態(tài)安全性評估是保障電力系統(tǒng)安全性的基礎，論文從確定性與概率性評估兩方面總結長期規(guī)劃模型如何考慮安全性約束。1）確定性評估常用N-1原則進行安全性校核，為減少海量故障場景計算帶來的計算量問題，可通過典型故障狀態(tài)生成或者迭代法逐步添加故障集，以減少計算量。然而，基于確定性原則的評估方法容易忽略事故發(fā)生的頻率和可能性以及相應的經濟性后果；2）在概率性評估方法中，蒙特卡洛抽樣法是常用的隨機模擬方法，通過對隨機變量進行大量的抽樣，例如對系統(tǒng)中不同元件的狀態(tài)進行抽樣，然后對每個事件進行潮流計算，從而得到相應的概率性指標。
然而，傳統(tǒng)安全性評估方法難以適應新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃中源荷不確定性等問題，具體包括：1）新型電力系統(tǒng)的運行方式多樣化，需要擴展由可再生能源并網導致的故障集，刻畫系統(tǒng)故障或穩(wěn)定時的邊界；2）如何量化小概率、中高影響事件對安全性的影響；3）可再生能源機組與傳統(tǒng)同步機組的同步機制與動態(tài)特性存在較大差異，使得經典“轉子角穩(wěn)定性”定義不再適用，亟待完善相應的基礎理論。
4.結論
電力部門是實現(xiàn)碳中和的關鍵環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)長期規(guī)劃無論是在長期戰(zhàn)略規(guī)劃、短期電力系統(tǒng)運行方面，都對電力系統(tǒng)低碳轉型過程中的安全性與經濟性具有重要作用。針對新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃模型，本文總結目前主流的電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運行模型研究框架以及建模過程中對長期不確定性、短期不確定性、系統(tǒng)充裕性、系統(tǒng)安全性四個方面的主要解決方法，對不同方法的研究思路、應用場景與優(yōu)缺點進行比較分析。最后，展望了電力系統(tǒng)長期規(guī)劃有待進一步研究的方向。包括：新興技術的研究、考慮不確定性的電力系統(tǒng)規(guī)劃決策、經濟-電力-環(huán)境-健康等多部門耦合技術與模型，以及加強電力大數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應用四個方面。
