大規(guī)模風(fēng)電接入的輸電網(wǎng)規(guī)劃研究

萬 曄，黃 駿

（1.國網(wǎng)淮安市供電公司，江蘇 淮安 223001； 2.國網(wǎng)淮安市洪澤區(qū)供電公司，江蘇 淮安 223100）

大規(guī)模風(fēng)電接入是電力系統(tǒng)規(guī)劃和管理領(lǐng)域的關(guān)鍵議題之一。風(fēng)電作為一種清潔、可再生的能源形式，具有巨大的潛力，但也伴隨著出力波動(dòng)和不確定性。本文探討如何有效地應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電接入，以確保電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。通過深入分析風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)不確定性因素，以及提出相應(yīng)的處理方法和電網(wǎng)規(guī)劃方案，本文旨在為電力系統(tǒng)規(guī)劃者和決策者提供有價(jià)值的參考。

1 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，近年來得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和環(huán)保意識的增強(qiáng)，風(fēng)電已經(jīng)成為全球能源領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分[1]。且隨著技術(shù)成熟度的提高，風(fēng)電的發(fā)電成本不斷下降。根據(jù)IEA 的數(shù)據(jù)，風(fēng)電的競爭力不斷增強(qiáng)，其成本已經(jīng)接近或甚至低于傳統(tǒng)能源，如煤炭和天然氣，這使得風(fēng)電在電力市場上更具吸引力，也推動(dòng)了其裝機(jī)容量的增長。中國是世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家之一。根據(jù)中國國家能源局的數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了約281 吉瓦（GW），占全球總裝機(jī)容量的大部分。同時(shí)，我國每年都在增加大量的風(fēng)電裝機(jī)容量。2020 年，我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了約71.7GW，創(chuàng)下歷史新高，這顯示了我國政府支持可再生能源發(fā)展的決心。我國的風(fēng)電發(fā)電量也在不斷增加，2020 年，我國的風(fēng)電發(fā)電量超過了4200 億千瓦時(shí)，為國內(nèi)電力供應(yīng)做出了重要貢獻(xiàn)。而政府也采取了一系列政策來推動(dòng)風(fēng)電發(fā)展，包括提供補(bǔ)貼、定額發(fā)電和可再生能源配額制度等，鼓勵(lì)風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)和投資。

需要指出的是，我國風(fēng)電行業(yè)的快速增長也伴隨著一些挑戰(zhàn)，如電力輸送和儲存的問題、與傳統(tǒng)能源的協(xié)調(diào)，以及風(fēng)電發(fā)電的不穩(wěn)定性。但我國政府和行業(yè)已經(jīng)采取措施來解決這些問題，并進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，我國的風(fēng)電發(fā)展將繼續(xù)對國內(nèi)和全球的能源景觀產(chǎn)生積極影響。

2 考慮大規(guī)模風(fēng)電接入的不確定性因素

2.1 大規(guī)模風(fēng)電出力不確定性

風(fēng)速的波動(dòng)性是風(fēng)電出力最主要的不確定性來源之一，即使在相同地點(diǎn)，風(fēng)速也會隨著時(shí)間而波動(dòng)，從幾秒到幾分鐘的時(shí)間尺度都可能發(fā)生變化[2]。這種風(fēng)速的瞬時(shí)波動(dòng)會直接影響到風(fēng)電機(jī)組的出力。由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方關(guān)系，小幅度的風(fēng)速變化也可能導(dǎo)致風(fēng)電發(fā)電量的快速變化，這增加了電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

另外，季節(jié)性和氣象變化會對風(fēng)能資源的可利用性產(chǎn)生顯著影響，不同季節(jié)和地理位置的風(fēng)速和風(fēng)向模式可能存在差異。例如，在夏季，氣溫升高可能導(dǎo)致低風(fēng)速期，而在冬季可能出現(xiàn)更多的高風(fēng)速時(shí)段。這種季節(jié)性變化會影響不同季節(jié)的風(fēng)電產(chǎn)量，需要考慮季節(jié)性的電力系統(tǒng)運(yùn)行策略。

2.2 發(fā)電機(jī)容量的不確定性

風(fēng)電發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，直接影響著風(fēng)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、可靠性和運(yùn)行成本。因此，保持發(fā)電機(jī)的高可靠性、提高其性能和降低維護(hù)成本都是風(fēng)電行業(yè)的重要挑戰(zhàn)和目標(biāo)。但是，由于受到種種原因的影響，風(fēng)電發(fā)電機(jī)容量存在著一定的不確定性。影響因素之一就是發(fā)電機(jī)的可靠性，發(fā)電機(jī)的可靠性問題對于風(fēng)電發(fā)電量的穩(wěn)定性至關(guān)重要。不可預(yù)見的機(jī)組故障或維護(hù)需求可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。這些故障可能包括渦輪機(jī)、變速器、電子控制系統(tǒng)等各種組件的故障，可靠性問題不僅會影響風(fēng)電發(fā)電量，還可能導(dǎo)致維修成本和停機(jī)時(shí)間的增加。

2.3 負(fù)荷不確定性

電網(wǎng)規(guī)劃方案是在滿足最大負(fù)荷需求的前提下制定的，負(fù)荷發(fā)展預(yù)測的準(zhǔn)確程度將會對規(guī)劃決策的科學(xué)性產(chǎn)生直接的影響。負(fù)荷預(yù)測值的大小不但受到規(guī)劃年經(jīng)濟(jì)氣候、政策等多種因素的影響，并且與我國新一代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系息息相關(guān)。由于近年來受人類活動(dòng)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源價(jià)格波動(dòng)等因素的影響，未來年負(fù)荷預(yù)測的不確定性與復(fù)雜性將日益增強(qiáng)，對長期負(fù)荷的精確預(yù)測也變得越來越困難。

3 風(fēng)電不確定性的處理方法

3.1 機(jī)會約束法

機(jī)會約束法是一種基于概率的方法，用于處理風(fēng)電不確定性。它的核心思想是通過確定性的機(jī)會約束來約束風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行，以確保在不確定性條件下仍能滿足電力需求[3]。首先，通過歷史氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立風(fēng)電出力的概率模型，考慮風(fēng)速和風(fēng)能的隨機(jī)變化。其次，根據(jù)電力系統(tǒng)的重要性和可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平來確定電力系統(tǒng)的可靠性要求，即在不同概率水平下滿足電力需求的概率。將風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行問題建模為一個(gè)優(yōu)化問題，目標(biāo)是最大化期望收益或最小化期望成本，同時(shí)滿足可靠性約束。將風(fēng)電出力的概率分布和可靠性約束轉(zhuǎn)化為約束條件，加入優(yōu)化問題中，同時(shí)使用數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)求解帶有概率約束的優(yōu)化問題，以確定最優(yōu)的風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行策略。

3.2 場景概率法

場景概率的核心思想是將不同的風(fēng)速和風(fēng)能場景建模為概率分布，然后通過對這些場景進(jìn)行采樣來模擬風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行。首先，根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立不同風(fēng)速和風(fēng)能場景的概率分布，這些場景可以表示不同時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)電出力水平。通過隨機(jī)抽樣或蒙特卡羅模擬，從不同的場景中生成隨機(jī)樣本，用于模擬風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行，這些樣本包括不同時(shí)刻的風(fēng)電出力。其次，使用生成的場景樣本來模擬風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行，包括電力生成、負(fù)荷需求、輸電線路狀態(tài)等，通過模擬可以得出不同情況下的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。最后，對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出風(fēng)電系統(tǒng)在不同概率水平下的性能指標(biāo)，如可靠性、經(jīng)濟(jì)性等?；谀M結(jié)果，制定風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行策略，包括發(fā)電機(jī)的輸出調(diào)整、儲能系統(tǒng)的運(yùn)行、市場參與等。

4 基于大規(guī)模風(fēng)電接入的電網(wǎng)規(guī)劃方案

4.1 總體思路

在面對大規(guī)模風(fēng)電接入時(shí)，電網(wǎng)規(guī)劃需要制定綜合的總體思路，以確保電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。具體應(yīng)從潮流計(jì)算、電源規(guī)劃和方案評估等方面入手，形成具有針對性的規(guī)劃方案。

1.潮流計(jì)算。首先，對電力系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模，包括發(fā)電機(jī)、輸電線路、變電站、負(fù)荷和儲能設(shè)備等，這需要考慮電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)。建立風(fēng)電出力的模擬模型，考慮風(fēng)速和風(fēng)能資源的不確定性，使用歷史氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)電場的性能數(shù)據(jù)來模擬風(fēng)電出力。隨后進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，分析不同情況下的電壓、電流、功率流動(dòng)等參數(shù)，考慮風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。一般來說，潮流計(jì)算的過程應(yīng)該以電網(wǎng)母線的情況為依據(jù)來計(jì)算PQ 節(jié)點(diǎn)、PV 節(jié)點(diǎn)等。但在大規(guī)模風(fēng)電接入之后要充分考慮到風(fēng)電機(jī)組的特性，對風(fēng)力發(fā)電過程當(dāng)中的電壓迭代進(jìn)行有效的計(jì)算，完成PQ 模型和PZ 模型的建立。

2.電源規(guī)劃。進(jìn)行電源規(guī)劃時(shí)應(yīng)該以電網(wǎng)狀態(tài)、區(qū)域用電等相關(guān)的數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)來對未來用電量需求進(jìn)行一定的預(yù)測，確定用電負(fù)荷的特性（包括峰值、結(jié)構(gòu)、分布等），全面把握區(qū)域用電的情況。選擇適當(dāng)容量和技術(shù)特性的風(fēng)電機(jī)組，考慮風(fēng)電出力的不確定性和系統(tǒng)需求。同時(shí)，在調(diào)峰方面，考慮引入儲能系統(tǒng)，包括電池、超級電容器等，以平滑風(fēng)電出力波動(dòng)，提供調(diào)峰和調(diào)頻服務(wù)。

3.方案評估。第一，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估，包括成本效益分析、投資回報(bào)期等，確保風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并考慮未來運(yùn)營成本。第二，評估電力系統(tǒng)的可靠性，包括考慮風(fēng)電不確定性對可靠性的影響，確保系統(tǒng)能夠應(yīng)對各種運(yùn)行條件和故障情況。第三，考慮風(fēng)電接入對環(huán)境的影響，包括土地利用、生態(tài)保護(hù)、碳排放等，制定可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃方案。通過這三個(gè)方面的評估，選擇最優(yōu)的規(guī)劃方案。

4.2 規(guī)劃要點(diǎn)

4.2.1 依照風(fēng)電容量，合理設(shè)置機(jī)組

1.區(qū)域規(guī)劃是電網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵一步。風(fēng)電規(guī)劃過程中首先要根據(jù)風(fēng)電資源的分布、地形地貌、環(huán)境影響等因素，確定風(fēng)電發(fā)電場地的位置和規(guī)模，這需要考慮風(fēng)速和風(fēng)能資源的分布情況，以便選擇最佳的風(fēng)電場地。同時(shí)，合理分布多個(gè)風(fēng)電場地可以降低系統(tǒng)過載風(fēng)險(xiǎn)，確保電力系統(tǒng)的可靠性。

2.要注重計(jì)算風(fēng)電場的容量，根據(jù)容量做好電源接入設(shè)計(jì)。在接入的過程當(dāng)中，如果電源距離負(fù)荷區(qū)域較遠(yuǎn)的話，就可以選擇多點(diǎn)接入的方式，保證和提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，反之則選擇單點(diǎn)接入即可。此外，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)電機(jī)組技術(shù)是關(guān)鍵之一，這包括確定風(fēng)力渦輪機(jī)的容量和風(fēng)電場的總?cè)萘??？紤]到風(fēng)電出力的不確定性，機(jī)組技術(shù)應(yīng)具備一定的靈活性和響應(yīng)能力，以適應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)能資源的波動(dòng)。風(fēng)力渦輪機(jī)的容量應(yīng)根據(jù)風(fēng)速頻譜和可利用的風(fēng)能資源來確定。在低風(fēng)速區(qū)域，可以選擇容量較大的渦輪機(jī)，而在高風(fēng)速區(qū)域可能需要容量較小的渦輪機(jī)，多臺不同容量的渦輪機(jī)可以組成一個(gè)風(fēng)電場，以適應(yīng)不同風(fēng)速條件。有時(shí)則可以考慮將風(fēng)電與其他可再生能源如太陽能光伏系統(tǒng)結(jié)合使用，以平滑可再生能源出力的波動(dòng)性，這種混合能源系統(tǒng)可以提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)引入儲能系統(tǒng)可以幫助平滑風(fēng)電出力，提供調(diào)峰和調(diào)頻服務(wù)，儲能系統(tǒng)的容量和配置也需要根據(jù)風(fēng)電場的規(guī)模和性能來確定。

3.進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，綜合考慮電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)能減排政策等因素，對規(guī)劃方案進(jìn)行前瞻性評估，形成電量冗余、線路冗余、設(shè)備冗余等合理冗余，確保大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的科學(xué)性與高效性。隨著我國風(fēng)電研究與開發(fā)水平的提升，多能互補(bǔ)并網(wǎng)已是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，其規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的大規(guī)模風(fēng)電接入為電網(wǎng)發(fā)展提供了新的契機(jī)，需要為風(fēng)電建設(shè)留下足夠的“空間”[4]。

4.2.2 設(shè)置配套裝置，做好調(diào)峰調(diào)頻

1.由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)波動(dòng)、間歇性、可控性差、可預(yù)報(bào)性差等特性，使得其無法實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)發(fā)電單元相同的出力控制[5]。因此，在大規(guī)模風(fēng)電接入之后，需要做好調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組的建設(shè)，通過調(diào)峰電源與大規(guī)模風(fēng)電接入的疊加，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定輸出，并結(jié)合電網(wǎng)規(guī)劃模型、網(wǎng)損等因素，對大規(guī)模風(fēng)電接入的場景進(jìn)行合理的預(yù)測，充分掌握由于間歇性發(fā)電所引起的負(fù)荷波動(dòng)、網(wǎng)損等，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。例如，在能量網(wǎng)格上進(jìn)行層次分析（AHP），確定多能源情景下的網(wǎng)格時(shí)序，進(jìn)行面向目標(biāo)網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

2.儲能系統(tǒng)在大規(guī)模風(fēng)電接入中扮演著至關(guān)重要的角色。儲能系統(tǒng)可以在電力需求高峰期間釋放存儲的電力，以滿足高負(fù)荷需求，減輕電力系統(tǒng)的壓力，有助于防止過載和電力不足的情況發(fā)生。儲能系統(tǒng)還可以迅速響應(yīng)電力系統(tǒng)頻率的變化，提供調(diào)頻服務(wù)，維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這對于處理風(fēng)電出力瞬時(shí)波動(dòng)非常重要。其作為備用電源，當(dāng)風(fēng)電出力突然下降或其他設(shè)備故障時(shí)，儲能系統(tǒng)可以迅速補(bǔ)充電力供應(yīng)。

3.柔性燃機(jī)電站是另一種重要的配套裝置，用于處理風(fēng)電出力波動(dòng)。柔性燃機(jī)電站可以在短時(shí)間內(nèi)迅速啟動(dòng)并達(dá)到額定功率，以彌補(bǔ)風(fēng)電出力突然下降的情況，這種快速響應(yīng)對于維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。此外，這些電站可以靈活調(diào)整發(fā)電功率，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求，它們可以根據(jù)風(fēng)電出力波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，確保電力平衡。

5 結(jié)語

大規(guī)模風(fēng)電接入是實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型和減少碳排放的重要步驟之一，本文強(qiáng)調(diào)了風(fēng)電作為全球范圍內(nèi)不斷增長的清潔能源的地位和潛力。然而，我們也要認(rèn)識到，風(fēng)電接入伴隨著出力波動(dòng)和不確定性，需要綜合考慮多種因素來有效管理和規(guī)劃。通過機(jī)會約束法、場景概率法等處理方法以及合理設(shè)置機(jī)組和引入配套裝置等規(guī)劃要點(diǎn)，可以更好地利用風(fēng)能資源，確保電力系統(tǒng)的可靠供電，并推動(dòng)可再生能源的可持續(xù)發(fā)展。在未來，持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和政策支持將進(jìn)一步推動(dòng)大規(guī)模風(fēng)電接入的發(fā)展，為清潔、可持續(xù)的能源未來鋪平道路。