基于多并網點協同的規劃電網風電消納能力綜合評估方法

王世謙 司瑞華 孫思培

（國網河南省電力公司電力經濟技術研究院，鄭州 450052）

基于多并網點協同的規劃電網風電消納能力綜合評估方法

王世謙 司瑞華 孫思培

（國網河南省電力公司電力經濟技術研究院，鄭州 450052）

合理評估中長期規劃電網的風電消納能力，對于指導風電產業健康有序發展、規避“棄風”現象發生，提升源網協同水平等具有重要現實意義。本文綜合考慮系統調峰、靜態安全、靜態電壓穩定、暫態穩定性等約束，借助反映資源裕度、外送通道裕度、電壓穩定裕度的待選風電場并網點優選指標，提出了一種多并網點協同的規劃電網風電消納能力綜合評估方法。以某省實際規劃電網為例，驗證了所提方法的有效性與可行性。

消納能力；多并網點；綜合評估；電網規劃；風力發電

大力發展風電已成為我國當前深入推進能源供給革命、優化能源結構、構建清潔低碳能源體系的重大戰略舉措。與此同時，風電開發主要由資源及建設條件所主導，并未充分考慮擬接入電網的運行特點、規劃情況，以及規模化風電并網運行后其隨機性、波動性給電力系統的安全、穩定、經濟運行帶來的影響，源網規劃、建設脫節下的棄風問題愈發突出。為此，綜合考慮限制電網消納風電的多重因素及特點，合理評估規劃期內電網消納風電的能力，對于指導風電產業健康有序發展、規避“棄風”現象發生，提升源網協同水平具有重要的意義。

目前，已有大量文獻研究風電消納能力評估模型[1-6]，但現有文獻的核心思路集中在，假設風電場并網點已知，進而立足調度運行、時序模擬視角建立評估模型。對于規劃電網而言，目標地區往往無法獲取準確的風電場并網點和風電時序數據，且已有的時序模擬方法在數學上存在諸多強制性假設，使得現有成果具有較強的局限性。

為此，本文立足電網規劃視角，針對風電場并網點和風電時序數據缺乏的情況，結合不同約束條件的特點，建立了一種多并網點協同的規劃電網風電消納能力綜合評估方法，給出了計算流程。最后，以某省實際規劃電網為例，驗證了方法的合理性。

1 影響規劃電網風電消納能力的因素

立足電網規劃視角，電網消納風電的能力主要受到調峰、靜態安全、靜態電壓穩定、系統暫態穩定等約束[7-13]，且各約束條件呈現不同的特點。調峰約束主要與電網的電源結構、負荷特性、跨區聯絡線功率交換能力有關，而不受風電場并網點的限制。靜態電壓穩定、靜態安全約束、暫態穩定約束與風電場并網點的位置密切相關，其中，靜態安全約束和靜態電壓穩定主要用于確保一定容量的風電機組并網運行后，電網的各支路傳輸功率、各節點電壓均在合理范圍內，暫態穩定約束主要用于驗證風電接入后的電網暫態穩定性。

為此，對于規劃電網的風電消納能力評估，可以首先計算規劃年基于調峰約束的風電消納能力，其次基于靜態電壓穩定約束和靜態安全約束確定各待選并網點的風電場容量，最后以暫態穩定約束驗證電網的風電消納能力，從而保證風電并網后電網的穩定運行。

需要說明的是，當一個電網有多個待選并網點時，各并網點的消納能力相互影響[14]。為此，需要綜合考慮各待選并網點的無功電壓、送出能力、風能資源等裕度，合理確定開展靜態安全、靜態電壓穩定、暫態穩定等約束評估的前后順序。

2 規劃電網風電消納能力綜合評估方法

2.1 規劃電網風電消納能力綜合評估模型

規劃電網風電消納能力綜合評估的基本思路是，計及調峰約束、靜態安全約束、靜態電壓穩定約束，暫態穩定約束的不同特點，在基于調峰約束獲取規劃年電網的風電消納能力限值的基礎上，圍繞各待選并網點迭代開展靜態電壓穩定約束、靜態安全約束、暫態穩定約束的多重校核，以獲取各待選并網點可消納的最大風電裝機容量，進而累加獲取整個電網的風電消納能力。

根據分析，規劃電網的風電消納能力Sw有

式中，Swi為待選風電場并網點i的風電裝機容量；Nw為待選風電場并網點的集合。

與目標函數相對應的約束條件主要包括：

（1）潮流等式約束

式中，Ns為節點集合，Pgi、Qgi為節點i注入的有功、無功，Pwi、Qwi為風電注入的有功、無功，PLi、QLi為節點的有功、無功負荷，Ui、Uj為節點i、j的電壓；Gij、Bij為支路i-j導納的實部、虛部；θij為支路i-j相角差。

（2）資源約束

式中，Sri為待選并網點i可利用的風資源限值。

（3）調峰約束

式中，Sp為基于調峰約束獲取的規劃電網風電消納能力限值。

（4）靜態安全約束

式中，Plmax為線路i的最大傳輸功率，Pgimax、Pgimin分別為發電機i有功上下限，Nl、Ng分別為線路、發電機節點的集合。

（5）節點電壓約束

式中，Uimax和Uimin分別為待選并網點i的節點電壓上下限。

（6）短路電流約束

式中，Isi和ISN分別為節點i的短路電流和斷路器開斷容量。

2.2 待選并網點的優選

對于待選風電場并網點的選取順序，本文綜合考慮與并網點相關的電壓無功裕度、送出線路裕度和風電資源裕度，建立了一個綜合優選指標，通過獲取該指標的最大值來確定每輪次增加擬風電裝機容量的并網點。

待選風電場并網點i的綜合優選指標為

式中，ΔQi為待選并網點i的風電容量增加ΔP后，系統電壓最薄弱點的無功裕度，以系統功率基準為基準，取標幺值。無功裕度大于0表示系統無功不足，其指標前加負號。Plsi為待選并網點i的送出線路中負載率最高線路的送出線路功率極限與負載的差值，以線路的傳輸功率極限為基準，取標幺值。Pri為待選并網點i的風資源限值與現有容量的差值，以系統功率基準為基準，取標幺值。為各指標的權重系數，算例中分別取為0.5、0.25、0.25。

2.3 多并網點協同的風電消納能力綜合評估流程

綜合本文2.1、2.2節內容，可建立如圖1所示的多并網點協同的規劃電網風電消納能力評估流程。

圖1 多并網點協同的規劃電網風電消納能力評估流程

3 算例分析

本節基于我國某實際電網，通過獲取其2020年規劃方案的風電消納能力，驗證算法的可行性。

結合年最大負荷、常規機組裝機容量及調峰邊界，基于調峰約束，該算例電網的風電消納限值為1560MW。2020年，算例電網中的風電場集中在兩塊區域，擬選并網點主要有9個，如圖2所示。其中，實線代表220kV輸電線路，虛線代表110kV。

基于電網數據模型、規劃各風電場的風資源容量，運用BPA軟件，2020年算例電網各待選并網點的最大風電裝機容量計算過程見表1。

圖2 算例地區風電場并網圖

表1 算例電網各待選并網點的風電消納能力

對各待選并網點獲取的累計風電裝機容量進行暫穩驗證，結果表明，風電并網后系統暫態穩定。因此，算例電網的各待選并網點的最大風電裝機容量見表2。

表2 算例電網各待選并網點的最大風電裝機容量

由表2可知，在調峰約束的基礎上，進一步開展靜態電壓穩定約束、靜態安全約束、暫態穩定約束等迭代校核，算例電網的風電消納能力由調峰約束下的 1560MW降低至 1106MW，即該算例電網2020年度的風電消納能力最終為1106MW。

4 結論

本文立足電網規劃視角，結合限值電網消納風電約束的不同特點，借助反映資源裕度、外送通道裕度、電壓穩定裕度的待選風電場并網點優選指標，提出了一種多并網點協同的規劃電網風電消納能力綜合評估方法。算例分析驗證了方法的可行性。本文提出的評估方法可作為相關部門確定風力發電發展規模的工具，也可應用于電網規劃和運行調度。下一步，將結合規?；L電并網運行對系統運行的經濟性影響進行深化研究。

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Comprehensive Assessment Method of Wind Power Accommodation Capacity based on Multiple Connection Point’s Collaboration

Wang Shiqian Si Ruihua Sun Sipei
(State Grid He’nan Economic Research Institute,Zhengzhou 450052)

Accurately assessing the capability of wind power accommodation of one power grid is conductive to the Healthy and orderly development of wind power industry,avoid the waste of wind resource，enhance the collaborative development level of power grid and power source.Considering the peak regulation,static security,steady voltage stability,transient stability constraints of power system,the paper gives a comprehensive preferred indicator to meet the assessment needs,and then,a comprehensive assessment method of the capability of wind power accommodation of one power grid is proposed,in which contain a number of connection points for wind farms.An actual planning power grid is taken as an example to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.

wind power wind power penetration capacity；multiple connection points；comprehensive assessment method；power grid planning；wind power

王世謙（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向為電網規劃、電力系統分析。