考慮電力交換的區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力測算方法

鄧笑冬，周 野，李 娟，余 虎，蔣云松，胡劍宇，曾雅文

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

在新能源比重愈加增大的區(qū)域電網(wǎng)中，電網(wǎng)運行方式的合理安排以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計必須充分考慮自身對新能源的承載能力，方能保障電網(wǎng)的安全運行與新能源的可靠消納。通過對區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力的動態(tài)分析，精確掌控其新能源承載能力，對電網(wǎng)新能源發(fā)展與規(guī)劃具有重要意義。

目前對區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力的測算主要采用兩類模式，文獻[1-9]提出的一類是以常規(guī)能源發(fā)電成本最低為目標評估優(yōu)化風電出力過程，以電網(wǎng)備用的合理應(yīng)用應(yīng)對風電的出力波動實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度，以有功功率平衡評估電網(wǎng)接納風電的能力；文獻[10-15] 提出基于新能源消納控制不同關(guān)鍵因素，以確定的電源結(jié)構(gòu)、調(diào)峰能力評估新能源的消納能力。上述兩類測算方法均局限于系統(tǒng)對新能源出力的接納能力的分析，沒能充分考慮區(qū)間電力交換對區(qū)域電網(wǎng)出力卡口以及新能源承載力的影響，而新能源的承載并不僅僅是指不惜一切代價完全接納新能源，而是尋求系統(tǒng)承載能力的各方面的綜合均衡。

本文基于考慮區(qū)間電力交換對區(qū)內(nèi)新能源承載力的影響，研究考慮電力交換的區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力的測算方法。該方法在測算規(guī)劃年各分區(qū)的新能源裝機基礎(chǔ)方案的基礎(chǔ)上，通過電力電量平衡計算、潮流計算結(jié)果、“N-1”校核，依次確定豐小方式和豐午方式下區(qū)域潮流外送斷面卡口，進而確定豐小方式和豐午方式下區(qū)間電力流交換與區(qū)內(nèi)風電裝機承載力、光伏裝機承載力的影響關(guān)系，進一步提高新能源承載力測算結(jié)果的適應(yīng)性，為電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與建設(shè)提供更為科學(xué)的依據(jù)。

1 考慮區(qū)間電力交換的區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力的測算方法

基于區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有新能源裝機情況，測算規(guī)劃年各分區(qū)的新能源裝機基礎(chǔ)方案，為規(guī)劃年目標區(qū)域的新能源承載力測算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，然后通過電力電量平衡計算，測算區(qū)間電力流交換情況，為規(guī)劃年目標區(qū)域的新能源承載力測算提供影響因子，最后通過潮流計算、“N-1”校核依次確定豐小方式和豐午方式下區(qū)域潮流外送斷面卡口，以及豐小方式和豐午方式下區(qū)間電力流交換與區(qū)內(nèi)風電裝機承載力、光伏裝機承載力的影響關(guān)系。上述具體流程圖如圖1所示。

圖1 考慮區(qū)間電力交換的區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力的測算方法流程圖

1.1 規(guī)劃年基礎(chǔ)方案

統(tǒng)計分析現(xiàn)有分區(qū)新能源裝機布局和在建新能源項目分布情況，根據(jù)現(xiàn)有各分區(qū)新能源裝機分布情況，以及規(guī)劃年全區(qū)總裝機規(guī)模，確定各分區(qū)間的新能源裝機的分布比例，并測算規(guī)劃年各分區(qū)的新能源裝機基礎(chǔ)方案。

式中：PN為預(yù)設(shè)的規(guī)劃年全區(qū)總裝機規(guī)模；FN為規(guī)劃年全區(qū)的風電總裝機規(guī)模；GN為規(guī)劃年全區(qū)的光伏總裝機規(guī)模；FN1～FNn為規(guī)劃年各分區(qū)的風電裝機規(guī)模；GN1～GNn為規(guī)劃年各分區(qū)的光伏裝機規(guī)模；F01～F0n為當前各分區(qū)的風電裝機規(guī)模；F11～F1n為各分區(qū)已明確待建的風電裝機規(guī)模；G01～G0n為當前各分區(qū)的光伏裝機規(guī)模；G11～G1n為各分區(qū)已明確待建的光伏裝機規(guī)模。

1.2 電力平衡計算

根據(jù)規(guī)劃年各分區(qū)新能源裝機基礎(chǔ)方案進行電力平衡計算，測算規(guī)劃年目標區(qū)域在電力盈余較多的豐小方式和豐午方式下，與外部區(qū)域電力交換情況。

式中：Bn為區(qū)域內(nèi)各類裝機規(guī)模；bnX、bnW為豐小方式、豐午方式各類裝機的出力系數(shù)；GX、GW為豐小方式、豐午方式區(qū)域內(nèi)負荷。

1.3 外送斷面卡口

根據(jù)規(guī)劃年的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源分布情況，結(jié)合豐小方式和豐午方式下的電力電量平衡結(jié)果進行潮流計算和“N-1”校核，確定豐小方式和豐午方式下目標區(qū)間與其他相鄰區(qū)間的各電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的潮流，結(jié)合聯(lián)絡(luò)線路型號和極限輸送容量等物理參數(shù)，進一步確定豐小和豐午方式的區(qū)域潮流外送斷面卡口。

“N-1”校核是指在系統(tǒng)中任意一元件開斷后，系統(tǒng)電壓、主變潮流和各線路潮流應(yīng)滿足相應(yīng)要求。

式中：Wi為第i條線路的極限輸送容量；Qi為i條線路的“N-1”情況最大輸送潮流，確定Wi和Qi差值最小的線路為區(qū)域潮流外送斷面卡口。

1.4 風電裝機承載力

在新能源分布基礎(chǔ)方案潮流計算的基礎(chǔ)上，通常考慮豐小方式出現(xiàn)在晚間，此時光伏無出力，可利用此方式確定目標區(qū)域的風電裝機承載力：

式中：FNx為豐小方式下目標區(qū)域內(nèi)風電裝機承載力；GNx為豐小方式下目標區(qū)域內(nèi)光伏裝機承載力，CLx為預(yù)設(shè)的豐小方式下區(qū)域潮流外送斷面卡口的潮流極限，S1為豐小方式下目標區(qū)域的電力平衡結(jié)果；FN為規(guī)劃年全區(qū)的風電總裝機規(guī)模。

1.5 光伏裝機承載力

根據(jù)豐小方式下的區(qū)域潮流外送斷面卡口的潮流極限情況下的目標區(qū)域的風電裝機承載力、規(guī)劃年各分區(qū)的新能源裝機基礎(chǔ)方案和豐午方式下目標區(qū)間與其他相鄰區(qū)間的各電網(wǎng)線路中的最大潮流測算得到滿足豐午方式下的區(qū)域潮流外送斷面卡口的潮流極限情況下的目標區(qū)域的光伏裝機承載力。

式中：FNw為豐午方式下目標區(qū)域內(nèi)風電裝機承載力；FNx為豐小方式下目標區(qū)域內(nèi)風電裝機承載力；GNw為豐午方式下目標區(qū)域內(nèi)光伏裝機承載力；CLw為預(yù)設(shè)的豐午方式下區(qū)域潮流外送斷面卡口的潮流極限；S2為豐午方式下目標區(qū)域的電力平衡結(jié)果；GN為規(guī)劃年全區(qū)的光伏總裝機規(guī)模。

2 算例分析

2.1 基礎(chǔ)方案及電力平衡計算

以A省B地區(qū)2025年新能源承載能力測算為示例?；A(chǔ)方案下，該地區(qū)2025年考慮風電裝機4 860 MW、光伏裝機1 200 MW。通過電力平衡計算可得出該地區(qū)豐小方式、豐午方式分別存在3 197 MW、1 485 MW的電力盈余(如表1所示)，說明該區(qū)域主要是以電力外送為主。

表1 2025年基礎(chǔ)方案B地區(qū)電力電量平衡 MW

基礎(chǔ)方案下的豐小方式、豐午方式潮流計算結(jié)果如圖2、圖3所示。B地區(qū)豐小方式和豐午方式存在較大電力盈余，B地區(qū)電力盈余主要通過6回500 kV聯(lián)絡(luò)線送出。同時，西部地區(qū)豐小、豐午方式下電力盈余較多，也通過西電東送4回500 kV聯(lián)絡(luò)線送至東部和南部地區(qū)。

圖2 豐小方式基礎(chǔ)潮流

圖3 豐午方式基礎(chǔ)潮流

2.2 風電裝機承載能力測算

在豐小基礎(chǔ)潮流的基礎(chǔ)上，分別對該地區(qū)500 kV線路和主變進行“N-1”校核，綜合計算結(jié)果得出該地區(qū)豐小方式外送斷面的卡口在通道1雙回線路。

通過前文中測算方法，并控制西部東送潮流，對該區(qū)域電網(wǎng)風電裝機承載力進行計算分析，結(jié)果見表2所列。

表2 區(qū)域電網(wǎng)風電裝機規(guī)模敏感性分析結(jié)果 MW

由表2中計算結(jié)果可知，該地區(qū)風電裝機規(guī)模受西電東送潮流影響，在西電東送2 500 MW潮流的情況下，該地區(qū)風電裝機承載力為6 300 MW；在西電東送3 000 MW潮流的情況下，B地區(qū)風電裝機承載力為5 300 MW。

2.3 光伏裝機承載能力計算

在情景一確定風電裝機6 300 MW的基礎(chǔ)上，進一步進行豐午方式潮流計算，并對B地區(qū)500 kV線路和主變進行“N-1”校核，綜合計算結(jié)果得出該地區(qū)豐午方式外送斷面的卡口通道1雙回線路雙回線路。

通過應(yīng)用上文測算方法，并控制西部東送潮流，對該區(qū)域電網(wǎng)光伏裝機承載力進行計算分析，結(jié)果見表3所列。

表3 B地區(qū)電網(wǎng)光伏裝機規(guī)模敏感性分析結(jié)果 MW

由表3中計算結(jié)果可知，B地區(qū)風電裝機規(guī)模受西電東送潮流影響，在考慮B地區(qū)風電裝機規(guī)模為6 300 MW的條件不變，在西電東送2 500 MW潮流的情況下，B地區(qū)光伏裝機承載力為10 000 MW；在西電東送3 000 MW潮流的情況下，B地區(qū)光伏裝機承載力為9 600 MW。在風電裝機規(guī)模為5 300 MW、 西電東送3 000 MW潮流的情況下，B地區(qū)光伏裝機承載力為10 200 MW。

2.4 電源、電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)建議

根據(jù)上文對B區(qū)域電網(wǎng)2025年新能源承載力的分析結(jié)果，在西電東送潮流2 500 MW基礎(chǔ)上，該地區(qū)風電裝機承載力為6 300 MW，光伏裝機承載力為10 000 MW；在西電東送潮流3 000 MW的基礎(chǔ)上，該地區(qū)風電裝機承載力為5 300 MW，光伏裝機承載力為10 200 MW。在B區(qū)域后續(xù)電源規(guī)劃布局中，應(yīng)在明確的西電東送斷面潮流的基礎(chǔ)上，控制B區(qū)域內(nèi)風電、光伏等新能源開發(fā)規(guī)模不高于對應(yīng)的承載力規(guī)模。若B區(qū)域需在風光承載力規(guī)模的基礎(chǔ)上進一步增加開發(fā)規(guī)模，則需在電網(wǎng)規(guī)劃中同步補強對應(yīng)外送斷面卡口的電網(wǎng)線路，增強電網(wǎng)外送能力。

3 結(jié)語

本文提出考慮電力交換的區(qū)域電網(wǎng)新能源承載能力測算方法，以區(qū)域電網(wǎng)之間的電力流交換作為參考，以區(qū)域電網(wǎng)外送斷面卡口作為限制條件，達到量化分析電力交換情況下區(qū)域電網(wǎng)風光裝機承載力的目的，一定程度上提高了新能源裝機承載力測算結(jié)果的適應(yīng)性，對電網(wǎng)規(guī)劃和新能源布局具有一定的參考意義。在后續(xù)的進一步研究中，將考慮在新能源機組側(cè)配置穩(wěn)控裝置等措施，研究進一步提升區(qū)域新能源裝機承載規(guī)模的方法。