電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的評估及應(yīng)用

朱黎

【摘 要】風(fēng)電接納能力評估方法可以分為工程化方法、數(shù)值仿真法、制約因素法和數(shù)學(xué)優(yōu)化法4種。其中工程法主要根據(jù)歷史經(jīng)驗通過估算的方法獲得評估結(jié)果；數(shù)值仿真法主要通過仿真實驗得到結(jié)果；制約因素法主要考慮制約風(fēng)電接納的因素，如電壓穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、系統(tǒng)調(diào)峰能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力等來評估風(fēng)電接納能力；數(shù)學(xué)優(yōu)化法則通過構(gòu)建優(yōu)化模型，綜合考慮多種約束條件來評估系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)；接納風(fēng)電能力；評估方法；應(yīng)用

大規(guī)模具有隨機(jī)性、間歇性甚至反調(diào)峰特性的風(fēng)電接入電網(wǎng)，而國內(nèi)各風(fēng)電場均無法提供有效的風(fēng)電出力預(yù)測，同時風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場出力尚不具備在線控制、調(diào)節(jié)功能。電網(wǎng)中除風(fēng)電以外的其他電源的出力，不僅須隨負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，還須為適應(yīng)風(fēng)電出力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大，風(fēng)電出力波動對電網(wǎng)的影響也日益加大。目前關(guān)于電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，尚無明確的定義及權(quán)威部門認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)計算方法。鑒于此，亟須研究一套標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)接納風(fēng)電能力評估體系。

一、風(fēng)電接納能力的影響因素

電網(wǎng)影響因素主要包括以下幾個方面：

第一，電網(wǎng)的負(fù)荷水平與負(fù)荷特性。電網(wǎng)的負(fù)荷水平和峰谷差率直接決定了風(fēng)電允許接人的容量。

第二，電源結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)風(fēng)電富集地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)大都以煤電為主，供熱機(jī)組占很高比例，沒有或只有很少抽水蓄能電站，風(fēng)電裝機(jī)容量接近甚至超過水電，這樣的電源結(jié)構(gòu)不利于大規(guī)模風(fēng)電接入。

第三，調(diào)峰能力。電網(wǎng)的調(diào)峰能力和最小開機(jī)出力約束了并網(wǎng)風(fēng)電的規(guī)模。風(fēng)電自身影響因素主要體現(xiàn)為風(fēng)電運(yùn)行特性和風(fēng)電技術(shù)裝備水平。若風(fēng)電場裝設(shè)了風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，并不斷提高其預(yù)測精度，同時若風(fēng)電場有功出力能在線調(diào)控，出力絕對值及出力變化率（變化速度）能有效控制，則有利于電力調(diào)度對電網(wǎng)中其他電源開機(jī)方式的合理安排，可以大幅度提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力。

二、風(fēng)電接納能力評估方法及應(yīng)用

（一）工程化方法及應(yīng)用

工程化方法主要根據(jù)歷史經(jīng)驗通過估算的方法來確定并網(wǎng)風(fēng)電場的最大接入容量，主要用于風(fēng)電場規(guī)劃，多出現(xiàn)在風(fēng)電接納能力評估的第一階段[2]。該方法常用到2個指標(biāo)，即風(fēng)電穿透功率極限和風(fēng)電場短路容量比。風(fēng)電穿透功率極限是指系統(tǒng)能承受的最大風(fēng)電場裝機(jī)容量與系統(tǒng)最大負(fù)荷的比，是從全網(wǎng)的角度出發(fā)，表征一個給定系統(tǒng)最大可承受風(fēng)電容量的大小，其值越大說明系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力越強(qiáng)。風(fēng)電場短路容量比是指風(fēng)電場的額定容量與并網(wǎng)點PCC（pointofcommoncoupling，PCC）短路容量的比值。該指標(biāo)從局部電網(wǎng)出發(fā)，表征風(fēng)電注入對局部電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性的影響，決定了網(wǎng)絡(luò)承受風(fēng)電擾動的能力。盡管風(fēng)電穿透功率極限能夠很好地反映系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力，但其存在

著求取較難的缺點，在實際應(yīng)用中通常利用經(jīng)驗數(shù)值，或直接利用短路容量比來近似確定風(fēng)電的最大并網(wǎng)容量[3]。

雖然工程化方法在使用的過程中簡單方便，但由于系統(tǒng)的運(yùn)行方式多變，利用工程化方法確定系統(tǒng)的最大風(fēng)電裝機(jī)容量往往存在著較大的誤差。在實際應(yīng)用時，該方法可與其他幾種評估方法相結(jié)合，作為其他方法評估結(jié)果的邊界條件。例如，在利用數(shù)值仿真法確定風(fēng)電場最大裝機(jī)容量時，可以將工程化方法得到的評估結(jié)果作為數(shù)值仿真時風(fēng)功率出力水平的選取依據(jù)，在此基礎(chǔ)上逐漸改變風(fēng)功率，進(jìn)而確定該方法下風(fēng)電場的最大裝機(jī)容量。

（二）數(shù)值仿真法及應(yīng)用

數(shù)值仿真法的基本做法是基于仿真平臺，搭建系統(tǒng)模型，在假定風(fēng)功率出力水平一定的條件下，通過改變系統(tǒng)運(yùn)行工況、設(shè)置故障等方法研究系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性，接著通過改變風(fēng)功率出力水平確定系統(tǒng)的最大風(fēng)電并網(wǎng)容量。通過數(shù)字仿真法，對含大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)可能出現(xiàn)的多種工況進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明系統(tǒng)的負(fù)荷水平、日運(yùn)行計劃、機(jī)組的最小出力限制、系統(tǒng)對電壓水平的要求等因素都可能制約系統(tǒng)可接受的風(fēng)電容量；數(shù)值仿真法主要基于仿真平臺構(gòu)建系統(tǒng)模型，考慮各種影響風(fēng)電接納的因素，利用時域仿真的方法來確定系統(tǒng)的最大風(fēng)電裝機(jī)容量，多用于第一階段風(fēng)電接納能力評估。該方法物理概念清晰，只要模型正確就可通過仿真分析獲得系統(tǒng)的最大風(fēng)電裝機(jī)容量。但該方法計算量大，不僅要確定一個給定系統(tǒng)的最大風(fēng)電裝機(jī)容量不僅需要建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型，還需要進(jìn)行海量的仿真計算，實用性差。為解決數(shù)值仿真法存在的計算量大、耗時長等問題，可以從以下幾個方面考慮：簡化模型，根據(jù)應(yīng)用場合忽略一些次要因素的影響；與其他評估方法相結(jié)合，根據(jù)已有初步的評估結(jié)果（工程化方法得到的結(jié)果或經(jīng)驗數(shù)據(jù)）設(shè)置仿真時的風(fēng)電出力水平，減少工作量；采用先進(jìn)、成熟、應(yīng)用廣泛的電力系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行建模與仿真。

（三）制約因素法

制約因素法在風(fēng)電接納能力評估的第一階段和第二階段都得到了廣泛使用。在第一階段，學(xué)者從制約風(fēng)電并網(wǎng)容量的因素出發(fā)，如系統(tǒng)的頻率、電壓、靜態(tài)安全性、動態(tài)穩(wěn)定性等，對風(fēng)電最大接納容量進(jìn)行了研究。實際上，當(dāng)風(fēng)電接納能力評估發(fā)展到第二階段，學(xué)者們已經(jīng)普遍認(rèn)識到：現(xiàn)階段制約我國風(fēng)電消納的主要因素是系統(tǒng)調(diào)峰能力與電網(wǎng)輸送能力，至于風(fēng)電并網(wǎng)引起的系統(tǒng)潮流、電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量等問題在局部電網(wǎng)內(nèi)部即可解決，尚不至于制約整個系統(tǒng)對風(fēng)電的消納。

綜上所述，制約因素法主要從限制電網(wǎng)對風(fēng)電接納的因素出發(fā)，以不影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大風(fēng)電接入容量來表征電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力。但在不同的發(fā)展階段制約因素法偏重的角度有所不同：在第一階段，其主要從制約風(fēng)電并網(wǎng)容量的角度出發(fā)進(jìn)行風(fēng)電接納能力評估，所得結(jié)果往往只是反映系統(tǒng)某一節(jié)點在某一制約因素下的風(fēng)電消納能力，所得結(jié)果不具一般性；而在第二階段，制約因素法更偏重于從系統(tǒng)整體的角度來評估電網(wǎng)風(fēng)電接納能力，所得結(jié)果無法有效反映局部電網(wǎng)的風(fēng)電消納能力。

（四）數(shù)學(xué)優(yōu)化法及應(yīng)用

隨著最優(yōu)潮流在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的不斷深入，優(yōu)化方法開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力計算。由于優(yōu)化方法可以綜合考慮多個影響風(fēng)電接入的制約因素，其在確定系統(tǒng)最大風(fēng)電接入容量方面得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，優(yōu)化方法在短期和超短期風(fēng)電接納能力評估中也得到了應(yīng)用。與第一階段不同，此階段的風(fēng)電接納能力評估主要從優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行出發(fā)，考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本、網(wǎng)絡(luò)安全約束、潮流約束等因素來確定系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力。可以看出，優(yōu)化方法多通過構(gòu)造優(yōu)化模型，以系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為約束來確定風(fēng)電接納能力。

由于考慮了多種制約因素，所得結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力。但是，過多地考慮風(fēng)電接納能力的制約因素容易使得評估模型復(fù)雜化，引起求解困難、評估結(jié)果保守的后果。因此，實際應(yīng)用時應(yīng)盡可能考慮關(guān)鍵制約因素的影響，弱化非關(guān)鍵制約因素的影響，從而使模型簡化。另外，研究新型高效的求解算法也將有助于優(yōu)化法的進(jìn)一步應(yīng)用。

三、結(jié)論

近年來，風(fēng)電在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了良好的社會、環(huán)境效益。然而，風(fēng)電具有多個時間尺度上的隨機(jī)波動特性，隨著滲透水平的逐漸加大，電網(wǎng)消納風(fēng)電的難度隨之加大?，F(xiàn)階段，主要由于電網(wǎng)調(diào)峰能力與傳輸能力的制約，我國電網(wǎng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，引起了全社會的普遍關(guān)注?；诖?，對電網(wǎng)風(fēng)電接納能力進(jìn)行科學(xué)、合理的評估不僅有助于風(fēng)電場規(guī)劃發(fā)展，從源頭解決棄風(fēng)問題，還可為系統(tǒng)調(diào)度提供有益的參考，從運(yùn)行控制層面緩解風(fēng)電接納所帶來的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]申洪，梁軍，戴慧珠.基于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的電網(wǎng)接納風(fēng)電能力計算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015.

[2]姚金雄，張世強(qiáng).基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)風(fēng)電接納能力研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017.

[3]韓小琪，孫壽廣，戚慶茹.從系統(tǒng)調(diào)峰角度評估電網(wǎng)接納風(fēng)電能力[J].中國電力，2015.