湖北新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)劃研究

劉暢 李泰軍 陳前

摘要：總結(jié)分析湖北省新能源發(fā)展與規(guī)劃情況，提出目前湖北新能源與電網(wǎng)發(fā)展存在的不協(xié)調(diào)因素及問題?？紤]新能源出力的波動性、季節(jié)周期性等特點，提出了一種含概率信息的新能源各季節(jié)典型日出力曲線確定方法，利用該方法可確定用于規(guī)劃的新能源的可信容量，作為規(guī)劃研究的新能源出力模型基礎(chǔ)。開展網(wǎng)源協(xié)調(diào)規(guī)劃研究，研究未來湖北規(guī)劃電網(wǎng)對新能源的接入消納能力及適應(yīng)性，提出新能源預(yù)警機制，為湖北新能源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展及規(guī)劃工作提供方向性指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：新能源；電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展；規(guī)劃

中圖法分類號：F426. 61 文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2018.0211

近年來，以風(fēng)電和太陽能發(fā)電為主的新能源發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展，我國也已成為全球風(fēng)電和太陽能發(fā)電規(guī)模最大、增長速度最快的國家[1]。湖北省新能源正處于高速發(fā)展期[2]，在省委科學(xué)發(fā)展、綠色發(fā)展的戰(zhàn)略部署下，預(yù)計未來10～15年，將是湖北省新能源持續(xù)快速發(fā)展的時期。

電網(wǎng)是消納新能源的基礎(chǔ)，若新能源與電網(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)，將帶來投資浪費和棄風(fēng)、棄光等問題[3]。因此，著力解決湖北省的新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展問題，是保證湖北綠色發(fā)展戰(zhàn)略順利實施的關(guān)鍵，能夠更好地滿足經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的需要。本文深入分析了湖北新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展存在的主要問題，在對新能源電站出力特性進行分析的基礎(chǔ)上，研究未來湖北電網(wǎng)新能源主要集中區(qū)域電網(wǎng)對新能源的接入消納能力及適應(yīng)性，提出新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的建議。

1 湖北地區(qū)新能源發(fā)展分析

1.1 新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

截至2016年底，湖北風(fēng)電裝機規(guī)模達到201萬KW，光伏裝機規(guī)模達到187.1萬KW。從分布來看，隨州、孝感、恩施為湖北省內(nèi)風(fēng)電裝機規(guī)模最大的三個地區(qū)，風(fēng)電裝機規(guī)模分別達到56.2萬KW、43.4萬KW、36.4萬KW，占全省風(fēng)電總裝機比例分別為26%、20%、17%。其中，孝感地區(qū)風(fēng)電基本集中在大悟地區(qū)，大悟風(fēng)電裝機占全省風(fēng)電總裝機比例達18.6%。黃岡、隨州、襄陽為湖北省內(nèi)光伏裝機規(guī)模最大的三個地區(qū)，光伏裝機規(guī)模分別達到52.5萬KW、47.0萬KW、23.0萬KW，占全省光伏總裝機比例分別為32%、28%、14%，其中黃岡地區(qū)光伏目前基本全部集中在紅安、麻城地區(qū)。

根據(jù)《湖北可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年湖北風(fēng)電裝機容量達到500萬KW，光伏裝機容量達到350萬KW。根據(jù)《湖北電網(wǎng)遠景目標(biāo)網(wǎng)架研究》等相關(guān)研究成果，至2030年，湖北風(fēng)電、光伏裝機容量均將達到1000萬KW。

1.2 新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展存在的問題

（1）資源分布和電力需求不協(xié)調(diào)

從可再生能源規(guī)劃的項目布局來看，新能源大都集中在負荷體量較小的地區(qū)，如隨州、恩施利川、黃岡北二縣、孝感大悟等，新能源就地消納與負荷分布不協(xié)調(diào)，致使區(qū)域電網(wǎng)電力送出卡口。

（2）新能源與配套電網(wǎng)建設(shè)進度不協(xié)調(diào)

從建設(shè)周期來看，新能源建設(shè)項目存在“先核電、后核網(wǎng)”現(xiàn)象，影響適應(yīng)新能源發(fā)展的電網(wǎng)規(guī)劃的制訂和落地實施，而新能源以點為主的建設(shè)周期比電網(wǎng)的建設(shè)周期要短很多，在目前新能源規(guī)劃與執(zhí)行缺乏剛性的環(huán)境下，新能源的超規(guī)模發(fā)展將可能造成新能源項目投產(chǎn)但電網(wǎng)配套無法跟上的結(jié)果。

（3）缺乏網(wǎng)源協(xié)調(diào)統(tǒng)籌規(guī)劃

國家《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》均指出，加強風(fēng)電、太陽能集中地區(qū)的配套電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)，建立太陽能、風(fēng)電發(fā)電布局與電力負荷和電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)的發(fā)展機制，推進太陽能、風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模集中并網(wǎng)地區(qū)源網(wǎng)荷協(xié)同發(fā)展，優(yōu)先就地利用，并合理擴大消納范圍。目前新能源發(fā)展較粗放，新能源發(fā)展與電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)問題考慮相對較少，對中遠期新能源的健康可持續(xù)發(fā)展將造成不利影響。

2 湖北新能源出力特性研究

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電具有不確定性、波動性、可調(diào)節(jié)性低等特點[4-6]，為電力系統(tǒng)的安全運行和規(guī)劃工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。在新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃工作中，如果考慮較高的新能源可信容量，將使得電網(wǎng)規(guī)劃方案冗余較大，犧牲了電網(wǎng)的經(jīng)濟性，如果考慮較低的新能源可信容量，將會帶來棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象[7]，因此需對地區(qū)的風(fēng)電場、光伏電站出力特點進行研究總結(jié)，建立適用于電網(wǎng)規(guī)劃工作的新能源出力模型。

2.1 新能源典型日出力曲線選取方法

為了充分反映新能源可信出力帶來的區(qū)域電網(wǎng)外送電力需求，校核網(wǎng)架的送出能力，考慮到新能源出力具有的季節(jié)差異性和波動性，針對該研究場景選取的日負荷曲線應(yīng)遵循以下原則。反映新能源各季節(jié)不同的出力特性；反映新能源日內(nèi)各時間點出力的相對規(guī)律；為反映新能源外送最大需求及用以校核網(wǎng)架外送能力，出力曲線上每一點應(yīng)能體現(xiàn)該時刻可能的最大出力；考慮新能源尖峰出力概率極小的特點，選擇合理的置信水平。

按以上原則提出了計算新能源外送電力分析場景方法，主要步驟如下。首先，對地區(qū)新能源5分鐘整點的出力分季節(jié)按出力大小排序，得到各季節(jié)日內(nèi)各時間點的出力可能分布；其次，給定分析的置信水平Γ，篩選出各季節(jié)日內(nèi)每5分鐘的出力值，使以超過Γ的概率確信新能源電站在該季節(jié)該時間點的出力不大于該出力值，由各季節(jié)一天內(nèi)288個5分鐘整點的出力值構(gòu)成對應(yīng)置信水平Γ的各季節(jié)典型日出力曲線；最后，根據(jù)各季節(jié)的典型日出力曲線及地區(qū)典型日負荷曲線，得到各季節(jié)的新能源外送電力分析場景，并結(jié)合地區(qū)的負荷預(yù)測及新能源規(guī)劃裝機量，確定地區(qū)新能源盈余最大時刻，將該時刻的新能源的出力率及負荷率作為校核網(wǎng)架外送能力的邊界條件。

采用以上方法，對湖北省主要地區(qū)的新能源電站2015年及2016年的全年每5分鐘出力值進行統(tǒng)計分析。以隨州地區(qū)風(fēng)電秋季典型日出力模型結(jié)果為例，選取不同的可信水平將得到不同的出力曲線，從而選擇了校核網(wǎng)架的嚴苛程度。根據(jù)對應(yīng)的電量分析，90%可信度對應(yīng)棄風(fēng)電量控制在0.3%以內(nèi)，85%可信度對應(yīng)棄風(fēng)電量在3%以內(nèi)，考慮湖北省對于棄風(fēng)、棄光電量的實際要求，源網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃適宜考慮對應(yīng)90%可信度的新能源可信容量。

2.2 各地區(qū)新能源外送電力最大場景分析

以90%置信水平的各季節(jié)新能源典型出力曲線，根據(jù)地區(qū)的負荷及新能源裝機水平，可以計算得到各地區(qū)新能源電力外送最大的場景。仍以隨州地區(qū)為例，用以校核網(wǎng)架的電力外送最大場景為秋季。

秋季午間（秋腰方式）為隨州地區(qū)新能源電力外送最大方式，對應(yīng)負荷率為45%、風(fēng)電、光伏出力率分別為65%、75%。

按照以上方法對其他地區(qū)進行同樣的統(tǒng)計分析（數(shù)據(jù)不足地區(qū)按典型地區(qū)考慮，以充分校核未來網(wǎng)架）得到湖北各地區(qū)新能源外送電力最大時刻分析場景，如表1所示。

3 新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃研究

3.1 規(guī)劃研究原則

為促進“十三五”期間新能源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，一方面，“十三五”規(guī)劃網(wǎng)架需能夠保證規(guī)劃新能源（風(fēng)電500萬KW、光伏350萬KW）的送出，對不能滿足規(guī)劃新能源送出的網(wǎng)架方案做出調(diào)整。另一方面，在得到的規(guī)劃電網(wǎng)下，研究電網(wǎng)對新能源的消納能力，分析各地區(qū)“十三五”期間在規(guī)劃基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展新能源的空間，建立省內(nèi)新能源發(fā)展風(fēng)險顏色預(yù)警機制，為政府進一步核準項目及下發(fā)指標(biāo)、投資商繼續(xù)投資項目提供合理引導(dǎo)，避免新能源的無序、快速擴張造成新能源送出受限。遠景2030年，網(wǎng)源協(xié)調(diào)規(guī)劃研究重點分析新能源電力外送對于主網(wǎng)外送通道的建設(shè)需求。

3.2 隨州地區(qū)網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃研究示例

以隨州地區(qū)為例，詳細說明網(wǎng)源協(xié)調(diào)規(guī)劃研究主要過程。隨州地區(qū)由于風(fēng)、光資源條件好，新能源接入集中，根據(jù)規(guī)劃新能源規(guī)模，至2020年，隨州地區(qū)風(fēng)電裝機132.5萬KW、光伏裝機93.6萬KW?！笆濉逼陂g為滿足新能源外送，規(guī)劃220KV烈山變擴建、220KV江頭店變新建、220KV烈山—嚴灣線路還建、220KV永陽變增容改造、220KV梨園變新建等220KV及以上電網(wǎng)項目5個，總投資約5.6445億元。

對規(guī)劃方案的潮流計算選擇地區(qū)新能源大發(fā)的秋腰方式（風(fēng)、光出力分別按裝機容量65%、75%），計算結(jié)果如圖1所示。

由潮流計算結(jié)果，新能源大發(fā)的秋腰方式下，本地?zé)o法消納的電力將通過隨州—襄陽斷面的4回220KV線路及1回500KV線路向襄陽輸送，斷面輸送功率為115.3萬KW。由于“十三五”期間為保證隨州新能源外送，規(guī)劃還建嚴灣—烈山大截面導(dǎo)線，并退出臥龍—烈山線路，考慮N-1的隨州—襄陽斷面外送能力可達到152萬KV，目前隨州整體外送斷面裕度較充足，尚余37萬電力送出裕度。若考慮隨州地區(qū)外送最大時刻新能源70%的綜合出力率，則在電網(wǎng)送出能力限制下，隨州地區(qū)整體還存在約50萬KW的新能源裝機空間。

具體到局部電網(wǎng)，隨州廣水送出斷面2020年由永陽—梨園、永陽—隨縣、永陽—曾都三回220KV組成，受永陽—隨縣、永陽—曾都線路（LGJQ-300）限制，考慮N-1的斷面輸送能力最大為42萬KW，與目前外送電力基本持平，繼續(xù)新增新能源項目將使電網(wǎng)面臨線路過載風(fēng)險。

從主變上網(wǎng)情況來看，除永陽變外，各220KV主變上網(wǎng)潮流均在主變?nèi)萘恳詢?nèi)，因此，在整體可新增規(guī)模內(nèi)仍可繼續(xù)新增110KV接入的新能源項目?？紤]優(yōu)化部分靠近曾都、梨園變供區(qū)的新能源項目（如余店風(fēng)電場等）接入方案及運行方式優(yōu)化，可使永陽變不出現(xiàn)上網(wǎng)潮流過載。

因此，對于隨州地區(qū)2020年網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展有如下結(jié)論：（1）規(guī)劃網(wǎng)架可以保證“十三五”規(guī)劃新能源的送出。（2）對于超出規(guī)劃規(guī)模新增的新能源項目，廣水不宜再繼續(xù)新增，曾都、隨縣整體還具備約50萬KW規(guī)模的新能源裝機空間。

3.3 湖北新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)劃研究

對湖北各地區(qū)進行詳細的新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃研究，結(jié)果表明，湖北電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃網(wǎng)架可以滿足“十三五”規(guī)劃新能源的發(fā)展需要。

為直觀、清晰地引導(dǎo)近期規(guī)劃規(guī)模外新能源的合理發(fā)展，警示電網(wǎng)卡口問題，提出了2020年新能源發(fā)展風(fēng)險預(yù)警機制，該預(yù)警機制是依據(jù)各地規(guī)劃新能源接入對電網(wǎng)運行的影響情況及規(guī)劃網(wǎng)架的外送能力，將各地區(qū)新能源“十三五”期間建議發(fā)展情況分為三類。

紅色，如要在規(guī)劃規(guī)模基礎(chǔ)上，進一步新增新能源項目，則必須對電網(wǎng)進行滾動規(guī)劃調(diào)整，加強電網(wǎng)的地區(qū)，否則將可能出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

橙色，如要在規(guī)劃規(guī)?；A(chǔ)上，新增110KV接入的新能源項目，則可考慮優(yōu)化新能源接入電壓等級至220KV，或者對電網(wǎng)進行滾動規(guī)劃調(diào)整，新增變電容量的地區(qū)，否則將可能出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

綠色，可根據(jù)實際情況，在規(guī)劃規(guī)?；A(chǔ)上繼續(xù)新增新能源項目的地區(qū)。

通過各地區(qū)網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展分析，依據(jù)以上劃分原則形成的2020年湖北省新能源發(fā)展風(fēng)險預(yù)警結(jié)果如表3所示。

在分級基礎(chǔ)上進一步計算了新能源集中地區(qū)在“十三五”期間可繼續(xù)新增的新能源裝機規(guī)模，如表4所示，其他地區(qū)消納新能源空間均在30萬KW以上或大于儲備項目規(guī)模，可認為在“十三五”期間發(fā)展新能源暫無限制，可根據(jù)實際情況繼續(xù)新增。

根據(jù)預(yù)警分級及具體各地區(qū)的新能源新增空間，能源主管部門可以據(jù)此考慮新能源建設(shè)指標(biāo)的進一步發(fā)放，通過建設(shè)指標(biāo)引導(dǎo)新能源的合理布局發(fā)展，電網(wǎng)公司可以據(jù)此評估各地電網(wǎng)發(fā)展新能源的裕度，根據(jù)新能源的實際發(fā)展考慮對電網(wǎng)規(guī)劃進行滾動調(diào)整。

4 結(jié)語

本文基于對湖北新能源出力特性的詳細研究分析，對湖北各地區(qū)的新能源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展問題進行規(guī)劃研究。首先以滿足規(guī)劃新能源消納為目標(biāo)，提出電網(wǎng)滾動規(guī)劃方案，進一步分析電網(wǎng)規(guī)劃方案對于新能源發(fā)展的適應(yīng)性，提出了新能源發(fā)展預(yù)警機制，分析了當(dāng)前規(guī)劃網(wǎng)架下主要地區(qū)新能源發(fā)展空間。

該研究從電網(wǎng)方面可以為電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)提供方向性的指導(dǎo)作用，從新能源發(fā)展方面為政府進一步核準項目及下發(fā)指標(biāo)、投資商繼續(xù)投資項目提供合理引導(dǎo)，避免了新能源的無序、快速擴張造成新能源送出受限。

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