大規模風電接入的輸電網規劃研究述評

崔曉丹 ，李 威 ，任先成 ，薛 峰 ，方勇杰

(1.國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003；2.中國電力科學研究院，江蘇 南京 210003)

隨著人們對環境保護和可持續發展的日益重視，風能在世界各國正得到廣泛的開發和利用，多個國家正積極促進風電事業的發展。我國已規劃建設了吉林、蒙東、蒙西、河北、甘肅、新疆、江蘇、山東8個千萬kW級風電基地[1]。到2015年，我國風電開發總規模將達到100 GW。與歐洲風電多為“分散式、小容量開發、接入中低電壓等級、就地消納”等特點不同，“大規模集中開發、中高壓接入、遠距離輸送”是我國風電主要開發模式[2]。

隨著風電接入容量的持續增長，電網建設已成為風電裝機容量進一步增長的瓶頸。某些運行方式下的輸電阻塞使得風電出力受限而造成了能源浪費及經濟損失[3]。世界各國正計及通過加快電網的建設來保證風電的有效利用。西班牙風能資源主要集中在北部和南部的沿海區域，但其電力負荷區域主要集中在中西部地區，大量風電需要跨地區輸送。2005年至2009年，新增了400kV輸電線路1180 km。為滿足2016年30 GW風電裝機容量需求，西班牙計劃繼續加大高電壓等級輸電網的建設力度，2009年至2013年將投資40億歐元用于電網建設[3]。美國是世界上風電裝機總量最大的國家。NREL發布的關于美國東部互聯電網風電并網的最新研究報告指出，要達到預想的風電發展目標，必須加大高壓輸電線路的建設投資，提高美國洲際間的電力輸送能力。美國東部互聯電力系統中，陸上風電資源大多集中在中西部大平原地區，而負荷中心則位于東部大西洋沿岸地區。要實現風電電量20%～30%穿透率的預想目標，需要在風資源區和負荷區進行大容量、遠距離的電力輸送[4]。我國適于大規模開發風力發電的地區往往人口稀少，負荷量小，電網結構相對薄弱。受地區電網調峰能力限制，大規模風電也需跨區消納[5]。因此，亟需加強電網規劃和建設滿足大規模風電接入的需求。而風資源源地理上分布區域廣，自身運行及并網特性復雜的特點，使得大規模風電接入后輸電網擴展規劃問題錯綜復雜。

1 計及大規模風電接入的輸電網規劃

1.1 輸電網規劃的發展回顧

輸電網規劃的任務是，以負荷預測和電源規劃為基礎，確定何時、何地投建何種類型的線路及其回路數，在規劃周期內達到所需要的輸電能力，在滿足各項技術指標的前提下使系統的費用最小[6]。隨著電力市場的發展和對供電安全可靠性要求的提高，多目標輸電規劃由于其兼顧經濟性和安全可靠性，體現出系統的風險水平，可以滿足全社會效益的最大化，成為電網規劃部門的實際需要[7]。輸電系統不僅要滿足負荷和各類交易的需求，而且必須符合供電質量和安全標準，因此輸電規劃需要滿足大量約束條件，等式約束有潮流約束，不等式約束包括發電機出力上下限約束、支路熱容量限制、電壓和頻率約束、動態和靜態安全約束、線路走廊限制等。為保證優化算法的可行性及出于實際工程考慮，通常只把N或N-1靜態安全作為必須滿足的條件，即要求系統在正常運行狀態或任意斷開一條支路后，不會發生系統解列或其他元件過負荷現象[7]。市場環境下輸電規劃面臨更多的市場不確定因素，主要包括規劃期內的電源建設、負荷變化和系統運行方式變化等不確定性[8-10]，如何處理這些不確定性因素，使規劃方案具有較好的靈活性和魯棒性，相對于傳統的輸電規劃來說提出了更高的要求。針對不確定性因素的處理，已有一些新的方法[11-15]。

1.2 輸電網規劃面臨的問題及挑戰

與火電、水電、核電等常規電源相比，風電機組有很多不同特點。大規模風電的接入給輸電網規劃帶來了許多新問題和新挑戰。主要體現在以下幾個方面[16-18]：

（1）風電機組的輸出功率主要取決于流經風電機的風速，因此風電機組的可控性很差，不能像常規機組一樣靈活地控制輸出功率。

（2）風電的隨機性、間隙性和反調峰特性使得風電并網有可能使電網的等效負荷峰谷差增大，給電網調頻、調峰帶來不利影響。風電大規模并網后，系統對備用容量的需求大幅增加。

（3）大型風電場并網可能會影響電網的電能質量，還會影響到電力系統的暫態穩定和電壓穩定。傳統的電網規劃中一般不考慮暫態穩定性和電壓穩定性約束，而是在調度運行中考慮。風電大規模接入后，系統暫態穩定問題和電壓穩定問題變得突出。

（4）風電的大規模發展，將極大改變電源配置分布情況及比例，電網運行開機方式和運行方式安排隨之變化，當前的電網網架可能不再適應。

（5）風電是一種清潔的可再生能源，但是風電的單位發電成本較高，在沒有政策優惠和扶持的情況下，缺少了與常規電源的競爭力，在電網規劃中需要凸顯風電的環保價值，考慮風電的利用效率和充分消納。

（6）風能具有間隙性、波動性、隨機性的特點，但從風電的年出力特性看，季節性和日特性明顯。同一地區風電場之間出力也具有較強的關聯關系。

大規模風電的接入對輸電網規劃提出了新的要求。由于風電自身特點及風電接入電網帶來的新問題，不能簡單地把風電場作為負荷來處理，也不能直接采用常規電網的規劃模型。因此，采用風電機組作為系統的新增容量時，需采取適應風電特點的電網規劃模型。

1.3 輸電網規劃的研究現狀

國內外十多年來開展的大規模風電接入的輸電網規劃方面的研究工作總體來說尚處于初步階段。對已經取得的一些研究成果，論述如下。

1.3.1 電網規劃的評估指標及評估體系的建立

電網規劃的評估指標及評估體系的建立是電網規劃工作中的一項重要內容。大規模風電的接入給電網帶來了諸多不確定性，使得電網規劃方案的全面、綜合、合理評估變得更加復雜和困難。國內外已有很多針對傳統的以及電力市場環境下面臨更多不確定因素電網規劃評估指標、評估方法方面的研究工作[19-21]，而針對大規模風電的接入下電網規劃評估指標及評估方法的文獻則較少。文獻[22]用輸電線路不過負荷概率來量化大規模風電接入對輸電系統規劃的風險，給出在滿足一定的過負荷概率下投資成本最低的規劃方案。規劃模型中的目標函數用以反映不同規劃方案的優劣，亦可看作評估指標。文獻[23]采用成本效益法建立了以總投資費用和安全性風險指標為目標函數的含風電機組的輸電系統規劃模型。安全性風險指標為系統潮流不越限概率和系統潮流裕度之和，系統潮流不越限概率即研究范圍內系統所有可能運行狀態下所有支路潮流均不越限的概率，系統潮流裕度即所有運行狀態下所有支路潮流與給定的下限差值的最小值。其局限性是，系統潮流不越限概率和系統潮流裕度均僅考慮了支路潮流，并沒有考慮其他安全穩定問題。文獻[24]分別以電網建設開發成本最小、系統網損最小、電網靜態電壓穩定裕度最大為優化子目標建立了含風電場的輸電網多目標優化規劃模型。電網建設開發成本和系統網損是從經濟角度考量，電網靜態電壓穩定裕度從電網安全穩定性角度考量，其局限性仍是考慮的安全穩定性不夠全面。文獻[25，26]提出了價值評估方法，即通過內嵌安全約束經濟調度模型可以獲取系統每一時段（通常為1 h）的整體成本，從而確定規劃方案的經濟價值，特別適合于含可再生能源電力規劃的評估分析。但是其不足之處是：沒有考慮常規火電機組功率調節能力對風電接納的制約；經濟調度模型中僅計及了靜態安全約束，沒有考慮動態安全約束，沒有考慮當系統運行狀態不滿足安全約束情況下的校正性控制[27]。

上述研究中，評估指標均未考慮大規模風電接入對系統動態安全性的影響。文獻[27]提出了更完善的價值評估方法，構建了含大規模風電的電力系統規劃方案評估的總體框架，實現了規劃方案的全社會成本評估。其中，為計及風電出力波動性的影響，針對給定的規劃方案和全年時序的風電出力與負荷數據，通過內嵌機組組合優化模型、計及靜態和動態安全約束的經濟調度模型及校正性控制模型，實現系統運行過程的模擬，從而詳細評估全年每小時的系統燃料、環境、網損成本以及系統可靠性成本。再結合電源的容量成本和電網成本，獲得方案的全社會成本。且該價值評估方法考慮因素全面，在進行全社會成本評估過程中動態模擬了電力系統運行過程。其局限是涉及模塊較多，且某些組成成本計算中需要對全年8760 h逐時段模擬，計算量顯得較大。文獻[28]針對中國當前促進新能源發展和節能減排政策，引入風電利用指標，并統籌風電利用及輸電規劃成本二者之間的矛盾，建立了用于規劃的綜合指標(綜合指標=風電利用指標/建設成本)及相應的輸電規劃模型。引入風電利用指標，利于實現更大的風電穿透率，促進風能的利用，增大環保效益。這是適應大規模風電接入背景對傳統模式下規劃方案經濟性、可靠性等指標的合理補充。

1.3.2 用于輸電網規劃的大型風電場出力的建模

國內外針對風機出力建模的研究一般從風速模型和風機特性兩部分展開，由于精確的風速很難預測，風機出力大多采用概率模型進行描述[22，29]。針對大型風電場出力特性的研究可分為兩部分：一是研究風電場靜態或動態聚合建模；另一是研究基于量測的統計和基于統計的風速預測方法，從而將兩者結合起來即可建立較為精確的風電場輸入輸出特性。對于輸電網規劃而言，一般的風電場聚合建模方法基本可以滿足規劃模型計及動態穩定性約束的要求，重點是要準確把握大型風電的出力特性，尤其不能遺漏極端情形。對于大型風電場而言，其出力呈現出明顯的時間特性和空間特性。例如我國大部分地區的風電出力在春季、冬季較大，夏季、秋季則較??；在白天負荷高峰時段較小，后半夜負荷低谷時段較大。另外，同一地區風電場之間出力也具有較強的關聯性。文獻[30]提出了江蘇4個風電場的關聯系數，給出了風電場的日出力曲線和月出力曲線。文獻[31]基于2010年寧夏電網EMS實測風電功率數據，提出了考核風電功率變化規律的年、月、日統計指標；從時間軸和空間距離兩方面對統計指標分別進行了縱向、橫向比較，探討了寧夏風電出力的時空分布特性；最后對風電功率變化量的概率分布進行了分析。指出時間尺度越長、空間距離越近，風電功率變化特性越相似。因此，在輸電網規劃中應該充分考慮大型風電場出力的統計特性及不同風電場之間的關聯性。然而在目前輸電網規劃模型中對于同一地區風電場之間其出力具有較強關聯性的情況未見考慮。

1.3.3 不確定性因素的考慮

風電的大規模接入給系統的運行方式帶來了更大的不確定性，包括風電自身的不確定性及給電網帶來的其他不確定性。在輸電網規劃中，只有充分考慮風電停運及其出力不確定性的影響，并結合其他與風電相關及不相關不確定因素影響，在規劃算法中較為準確地模擬電網的運行狀態，才能提出合理的規劃方案。文獻[25]考慮負荷和風電場有功出力的概率分布，通過改進經典的輸電系統規劃模型計及了負荷和風電出力的不確定性。文獻[32]應用多場景概率的方法，將風電場的輸出功率和在電網規劃中涉及到的負荷變化、經濟等不確定性因素，以場景分析加概率方式描述。目標函數即多場景下以下項之和期望值：建設費用項，穩態下和N-1事故條件下單條線路過負荷及總的線路過負荷懲罰項。根據決策者對N-1事故校驗下線路過負荷率重視程度的不同，采用權系數的方式區分。該文能夠快速準確地得到基于決策者偏好的含大型風電場的輸電網柔性規劃方案，具有簡單有效，工程實用性較強的特點，但是對發生場景的依據及其發生概率闡明不夠，如在考慮場景時對于風電機組出力情況只考慮了額定出力和零出力兩種狀態。文獻[33]針對大規模風電并網后的輸電網有功與無功綜合擴展規劃進行了研究。其數學模型取網絡設備投資的年值成本與全年所有不滿足安全約束場景下的控制措施成本之和為目標函數?！叭晁胁粷M足安全約束場景”是指計及風電在多時間尺度上（天/月/季）不同出力特性，根據風電與負荷全年每小時的時序數據建立的全年按小時為單位的各種場景下，計及安全約束發電調度后電網仍不安全的場景。該文利用了風電全年實際出力統計數據，對風電已經建成且能獲取實際詳細統計數據的情形有較大優勢，并且對調度運行進行了模擬，計及了風電不同出力下的發電再調度。為了解決其模型計算場景多、計算量龐大的問題，提出了基于分層極端場景集的求解方法。文獻[34]在輸電規劃目標函數中引入需求側響應成本，建立了基于需求側響應機制的輸電規劃模型。通過在輸電規劃中引入需求側響應機制，能夠促使用戶根據實時供用電情況改變電量消費行為，有利于消納風電容量，應對風電并網帶來的不確定性。

風電的大規模接入給電網規劃問題帶來的不確定性因素較多，研究人員應在考慮諸多影響因素重要程度的基礎上把握關鍵因素，準確考慮各種因素的關系并予以合理的權衡，才能建立合理有效并符合工程實際的規劃模型。

1.3.4 政策、管理、市場因素的影響

風電的大規模開發離不開政策、管理、市場的作用和影響。風電大規模接入電網同樣受到來自政策、管理、市場等方面的引導。因此，輸電網規劃過程中除了經濟技術因素外，也要考慮政策、管理、市場等方面作用。文獻[35]研究了基于可靠性分析的含有大型風電場的電網擴展規劃。在制定輸電網擴建方案時，根據承擔連接風電場與系統的線路建設的責任人的不同，分為3種情況：（1）風電場投資方承擔全部的輸電線路費用；（2）電網公司承擔部分的輸電線路費用；（3）采用可靠性成本效益分析。分析表明采用可靠性成本效益分析得到的電網擴建方案較好地實現了可靠性投資和收益之間的平衡。文獻[36]提出了一種計及技術和管理因素的輸電網及配電網規劃方案，其目的是解決巴西可再生能源并網的技術和管理上的問題。文獻[28]針對中國當前促進新能源發展和節能減排政策，引入風電利用指標。并統籌風電利用及輸電規劃成本二者之間的矛盾，建立了用于規劃的綜合指標及輸電規劃模型，是對國家新能源產業政策下風電集中接入電網輸電規劃思路和方法的一種探索。文獻[37]討論了陸上和海上風力發電，以及從加拿大東部和紐約輸送風電到新英格蘭的多種配置方案。對方案的評估計及了區域邊際價格和生產成本和二氧化碳排放。該文從政府角度提出了區域可再生能源發展框架，概述了輸電成本分攤特征。

在輸電網規劃過程中，應在充分借鑒國外對于政策、管理、市場等因素考慮方法的基礎上結合我國國情和風電開發特征，與其他技術因素結合，研究相適應的方法。

2 輸電網規劃研究的建議

（1）風電場及風電場群出力模型的構建。目前風電概率模型大多以隨機模型處理，忽略了其出力在特定自然條件和建設規模下的實際規律和統計特性，往往缺乏實用性。距離相近的風電場之間的出力特性又有較強的關聯性。因此，需要研究風電場及風電場群基于統計方法的概率出力模型。

（2）風電大規模接入后系統運行過程和運行狀態的模擬。為滿足風電等新能源消納的需要，以及電力市場作用對于能源格局重新調整客觀事實，其他常規電源將可能最大限度停運或降出力運行，這極大改變了原有的系統開機方式和運行方式，系統潮流分布將發生大幅變化，當前網絡的強壯性可能不再滿足要求。因此，輸電網規劃的模型要充分考慮風電接入而引起的系統開機和運行方式的變化，準確進行風電大規模接入后系統運行過程和運行狀態的模擬。

（3）風電大規模接入后輸電網規劃模型中對于動態穩定問題的考慮。風電大規模接入將顯著影響當前系統備用容量格局。通過提高電網輸電能力來擴大風電平衡區域范圍，達到備用容量協調，關鍵是要準確識別制約風電送出的電網薄弱環節和制約因素。電網規劃長期以來都以線路建設的經濟性為優化目標，由于電網在抵御大擾動能力上的不足，歷史上多次發生大停電事故。這使人們認識到輸電規劃在考慮投資費用的同時，還應考慮系統的安全穩定性。風電大規模接入下，導致系統動態穩定問題擾動發生的概率增加，在計及N-1準則外，還需考慮系統動態穩定問題的影響。

（4）風能資源的環保效益和保障風能充分消納。為了優化電力工業結構和布局，各國開始實施節能發電調度，優先調度風能、太陽能、核能等清潔能源發電，對火電機組，按照煤耗水平調度發電，煤耗低的多發、滿發，煤耗高的機組少發或不發。為了促進風電的發展，我國《電網企業全額收購可再生能源電量監管辦法》規定風電在并網時享有優先調度權，并要求電網全額收購風電的電量。因此在輸電網規劃模型中要充分考慮環保政策及環保效益。

（5）風電大規模接入下輸電網規劃與電源規劃的協調發展規劃。良好的電源結構和充足的備用容量是風電消納的基礎，風電開發需要靈活調節電源與之相匹配。電源布局的變化需要與之協調發展的電網。因此，應該考慮風電接入后電源和電網聯合規劃。例如，在廠網分開的競爭體制下，原來的單一投資主體分化為多個投資主體，如何在多投資主體決策的相互影響下進行含有風電場的電源電網聯合規劃需要深入研究。

（6）風電大規模接入的輸電網規劃評價指標和評價體系的建立。風電場接入電網將給系統的充裕性、安全穩定特性、資源配置方式、運行方式安排，環境影響等帶來一系列的影響。充分考慮這些影響，建立綜合電力系統物理特性、環保效益、市場規律和經濟性的電網規劃模型，首先要研究公平合理的評價指標，建立相應的評價體系。

3 結束語

風電的迅猛發展給電力系統帶來了一系列影響，輸電網規劃也面臨著重大挑戰。當風電容量達到一定的穿透率時，會給系統的潮流分布、可靠性、電能質量、穩定性、運行調度等帶來較大影響。因此，在輸電網規劃中要考慮風電的特點和影響，研究相適應的輸電網規劃模型。本文分析了風電接入對電網規劃的影響，總結了國內外風電接入下輸電網規劃的研究現狀，提出了風電接入后電網規劃需要著重考慮的問題。如何在電網規劃中計及這些問題；如何把握這些問題的關聯性和本質差異，如何協調影響這些問題的因素、突出重點、同時體現出市場的公平性是電網規劃研究人員需要不斷探索的問題。

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