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1.研究背景

  新型电力系统具有高比例可再生能源与高比例电力电子设备等主要技术特征，即大规模可再生能源发电具有强间歇性、随机性与波动性等特点，且风光发电呈日内以及季节性波动特性，与负荷需求不匹配。同时，转动惯量的缺乏削弱了电力系统抗故障冲击的能力，大量电力电子设备并网使得系统动态特性复杂化。因此，如何在多时间尺度上保持发电与负荷功率平衡、如何保持含高比例电力电子设备的电力系统稳定性、如何对清洁能源进行高效消纳与优化配置将成为未来电力系统长期规划的主要挑战。为此，论文对电力系统长期规划的研究现状进行综述与展望。

  2.论文所解决的问题及意义 

  新型电力系统长期规划面临的主要挑战与解决方法如图1所示。论文首先分析与总结新型电力系统的主要技术特征；在此基础上，总结能源供应安全与能源供应的经济-政策不确定性两方面挑战，其涵盖参数不确定性、政策不确定性、电力系统灵活性、电力系统充裕性、电力系统安全性、多时间尺度功率平衡等环节；然后，从长期不确定性、短期不确定性、安全性评估、可靠性评估4个着眼点开展研究，对不同方法的研究思路、应用场景与优缺点进行了比较分析。最后，对新型电力系统长期规划模型的构建与应用进行总结与展望。

图1 新型电力系统长期规划面临的主要挑战与解决方法

  3.论文重点内容  

  论文就以下五个方面进行综述：

  （1）电力系统长期规划面临的挑战

  电力系统长期规划指以能源供给与技术发展为基础，采用优化算法优化满足能源需求等约束条件下成本最优的技术选择，其决策变量通常是在给定的时间与空间范围内对发电技术、发电容量与输电容量的选择。研究框架如图2所示，其可用于电源规划、电网规划、或者电源–电网协同规划，也能评估不同能源政策、潜在技术发展等对能源系统的影响。

图2 新型电力系统长期规划框架

  电力系统长期规划面临的挑战主要来自两方面：

  1）能源供应的经济-政策不确定性方面；长期不确定性指由于政府政策、能源价格波动、新兴技术等因素使得模型参数具有高度不确定性。其可表征为参数与政策不确定性。其中，参数不确定性主要分为技术与经济参数不确定性。政策不确定性受到国家或地区能源发展战略的影响。

  2）能源供应的安全方面；论文从电力系统灵活性、充裕性、安全性与多时空功率平衡四方面阐述长期规划面临的挑战。其中，灵活性解决短期与长期供需不平衡带来的灵活性需求。充裕性解决新能源发电与常规火电机组的区别与量化评估方法。安全性解决电力系统动态稳定问题，包括功角稳定性、频率稳定性与电压稳定性。多时空功率平衡解决考虑不同区域的资源禀赋，合理规划可再生能源发展，满足大范围资源优化配置与功率平衡问题。

  针对上述挑战，本文就长期不确定性、短期不确定性、安全性评估、可靠性评估四个方面进行综述：

  （1）长期不确定性

  为了提高新型电力系统长期规划在长期不确定性条件下的鲁棒性，目前常用概率性方法与情景分析法。概率性方法指在已知不确定性参数的概率分布情况下，使用期望最大等方法得到其规划方案。情景分析法指在不确定参数的概率分布未知的情况下，使用情景分析方法对不确定参数取值范围进行合理假设，进而得到其规划方案。

  （2）短期不确定性

  短期不确定性指由天气与用户行为的随机性，导致数小时甚至数天的风光出力与负荷需求的不确定。模型时空分辨率将直接影响模型的大小与变量的规模，进而影响模型求解效率。权衡模型求解效率与准确性是新型电力系统长期规划面临的主要挑战之一。论文总结了两类处理不确定性的方法，包括外生法与内生法，如图3所示。外生法主要通过引入额外的电力系统优化运行与评估模型等，对原有规划模型的规划方案进行核验与修正，或者引入新的约束条件以迭代求解规划方案。内生法主要对长期规划中的短期运行约束进行精细化建模，以提高模型求解准确性。

图3 短期不确定性处理方法分类

  （3）保障系统发电充裕性

  在我国发电充裕性机制不完善的情况下，可再生能源的快速发展与煤电的逐步退役使得发电充裕性问题变得更加严峻。虽然可再生能源的接入能够提高系统发电充裕性，但是其发电充裕性远远低于同等容量的传统发电机组。为此，论文从发电充裕性来源、指标与评估方法三方面来总结如何在电力系统长期规划考虑发电充裕性约束。在发电充裕性评估方法方面，目前，美国不同电力市场对风光可信容量的评估总结如表1所示。此外，也可根据需要采用基于可靠性评估、解析法与工程类方法进行可再生能源容量可信度评估。

表1 美国区域电网风光可信容量可信度

  在评估方法方面，现有风光可信容量计算方法与影响分析已较为透彻，但是在新型电力系统长期规划中，以下几个方面将有所不同：1）考虑不同时间尺度下的发电充裕性评估；目前充裕性规划约束要求通常以年为基本单位，但风光发电具有明显的日特性、季节性特性与年际特性，在部分地区可能存在季节性充裕性不足的问题，导致系统功率失衡的风险增加。有必要研究更短时间尺度的风光容量可信度计算方法、以及负荷随机性对风光可信容量的影响。2）考虑输电阻塞对发电充裕性的影响；随着可再生能源大规模并网，使得电网运行愈加趋近输电极限，因此，风光容量可信度的计算需要考虑风光发电机组的空间分布，以精细化评估不同空间位置的风光可信容量。

  （4）保障系统发电安全性

  静态安全性评估是保障电力系统安全性的基础，论文从确定性与概率性评估两方面总结长期规划模型如何考虑安全性约束。1）确定性评估常用N-1原则进行安全性校核，为减少海量故障场景计算带来的计算量问题，可通过典型故障状态生成或者迭代法逐步添加故障集，以减少计算量。然而，基于确定性原则的评估方法容易忽略事故发生的频率和可能性以及相应的经济性后果；2）在概率性评估方法中，蒙特卡洛抽样法是常用的随机模拟方法，通过对随机变量进行大量的抽样，例如对系统中不同元件的状态进行抽样，然后对每个事件进行潮流计算，从而得到相应的概率性指标。

  然而，传统安全性评估方法难以适应新型电力系统长期规划中源荷不确定性等问题，具体包括：1）新型电力系统的运行方式多样化，需要扩展由可再生能源并网导致的故障集，刻画系统故障或稳定时的边界；2）如何量化小概率、中高影响事件对安全性的影响；3）可再生能源机组与传统同步机组的同步机制与动态特性存在较大差异，使得经典“转子角稳定性”定义不再适用，亟待完善相应的基础理论。

  4.结论  

  电力部门是实现碳中和的关键环节，电力系统长期规划无论是在长期战略规划、短期电力系统运行方面，都对电力系统低碳转型过程中的安全性与经济性具有重要作用。针对新型电力系统长期规划模型，本文总结目前主流的电力系统规划与优化运行模型研究框架以及建模过程中对长期不确定性、短期不确定性、系统充裕性、系统安全性四个方面的主要解决方法，对不同方法的研究思路、应用场景与优缺点进行比较分析。最后，展望了电力系统长期规划有待进一步研究的方向。包括：新兴技术的研究、考虑不确定性的电力系统规划决策、经济-电力-环境-健康等多部门耦合技术与模型，以及加强电力大数据在电力系统规划中的应用四个方面。