基于容量約束的電網新能源接納能力研究與應用

王燕敏，丁志政，陳 婧，高 克

（1.云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338;2.天地電研(北京)科技有限公司，北京 100193）

0 引言

隨著能源與環境問題的日益突出，以風電、光伏為代表的新興可再生能源已成為我國能源發展的重要方向。然而大規模新能源的接入對電網具有一定的沖擊性[1-3]，同時電網對新能源的消納受多種因素的制約[4-5]。為確定地區電網新能源最大接納能力，必須確定制約電網最大接納能力的瓶頸因素[6-10]，新能源優先本地消納，若本地不能完全消納，則需上送至主網，通過跨區域輸送通道外送消納。在不考慮諧波、調峰能力等電能質量制約因素時，新能源接入規模與電網可容量應相適應：一方面本地電網應有足夠的容量裕度接納新增裝機；另一方面跨區域輸電線路應有足夠的容量裕度外送。

類似中國西北部，風、光資源豐富而負荷水平相對有限的地區，新能源消納主要靠跨區域輸電通道外送，如何提升區域間的輸送能力是相關地區關注的重點。而對于新能源以本地電網消納為主、少量外送（不以大型匯集站上網）的地區，本地電網的容量裕度是限制新能源接入規模的核心因素之一。在中國鼓勵發展新能源，又控制棄風棄光現象的背景下，應該合理安排新能源的開發時序和接入方式，保障新能源接入規模與電網容量裕度的適應性。

基于此，本文提出一種基于容量約束的新能源接納能力計算模型，通過確定新能源上網的容量約束條件，在考慮現狀電源（包括現狀新能源）出力及負荷水平的情況下，計算各電壓等級電網的剩余容量裕度，為后續新能源接入規模及接入方式提供參考，以保障地區新能源與電網建設的和諧發展。

1 基于容量約束的電網新能源接納能力計算模型

對于區域電網而言，10 kV至110 kV都可能有新能源接入（不考慮220 kV及以上大型匯集站上網），若本地無法全部消納，電能將送至上級電網消納，本級電網能上送多少新能源與本級線路容量密切相關，上級電網可接納多少新能源與上級主變容量密切相關。考慮本地消納后，各級電網還剩余多少容量裕度可供新增裝機接入是本模型的研究目標。

1.1 模型的構建

1.1.1 構建原則

從電網整體來看，容量卡口一般為區域最高電壓等級電網，計算各電壓等級電網的接納能力時，宜采用從高電壓等級到低電壓等級的方式。本模型以區域電網剩余容量裕度為研究對象，與電源開機方式、負荷水平、電網結構及運行方式都密切相關，為得到電網對新能源的最大接納能力，應合理選擇計算時刻。本模型的構建主要有以下原則：

（1）選取新能源出力與電網負荷差值最大的時刻進行計算；

（2）按電壓等級從高到低的順序進行計算。

1.1.2 計算參數及計算模型

新能源未接入電網時，潮流流向為發電廠、主網、配網、用戶，從高電壓等級向低電壓等級傳輸。新能源接入電網后，潮流流向可能為新能源電站、配網、主網、配網、用戶。潮流從中壓配網向高壓配網再向主網傳輸的過程中，各電壓等級線路容量、變電站容量均會約束上送潮流。電網對新能源的接納能力計算相關參數如表 1所示。

表1 接納 能力計算參數Tab.1 parameter of the mathematical model

注：現狀新能源出力系數由調度提供的電廠出力特性曲線推算而來。對于新能源類型豐富的地區，不同電源出力特性曲線對比能夠反映現狀新能源出力互補的情況，可由現狀新能源出力系數這一參數體現。若考慮規劃新能源與現狀新能源（不同類型）之前的出力互補情況，可選取與本地區新能源資源情況相似的地區作為參考，結合本地區負荷特性，給出規劃新能源的出力系數，并對現狀新能源的出力系數進行相應的修正。

其中容量約束Sy指約束某一電壓等級電網線路容量及其上級變電容量中的較小值；電廠出力系數kg指接納能力計算時刻電廠出力與裝機的比值，該數值可由地區電廠出力特性曲線推算出；負荷系數kp指接納能力計算時刻電網負荷與全網最大負荷的比值，該數值可由地區負荷特性曲線推算出。

接納能力計算公式如下：

1.2 基于容量約束的新能源接納能力計算流程

通常情況下，高電壓等級電網總容量小于低電壓等級電網總容量，容量卡口易出現在地區最高電壓等級電網，計算各電壓等級電網的接納能力時，宜采用從高電壓等級到低電壓等級的方式。為描述方便，假定研究區域內最高電壓等級為110 kV，以風電、光伏為例，新能源接納能力計算流程如圖1所示。

1.2.1 確定新能源接納能力計算時刻

參照模型構建原則第1條，新能源出力與電網負荷差值最大的時刻為新能源接納能力計算時刻。通過分析地區年、日負荷特性以及新能源出力特性，可確定該時刻。研究的側重點不同，計算時刻的選取有所區別。主要分為以下幾種情況：

1）重點研究電網對光伏的接納能力，選取光伏出力與電網負荷差值最大時刻。該情況適用于以光伏裝機為主、風電裝機占比偏小地區，風電可視作常規電源考慮出力。

圖1 計算流程圖Fig.1 Calculation process

2）重點研究電網對風電的接納能力，選取風機出力與電網負荷差值最大的時刻。該情況適用于以風電裝機為主、光伏裝機占比偏小的地區，光伏可視作常規電源考慮出力。

3）綜合考慮電網對新能源的接納能力。該情況適用于光伏、風電都很突出的地區，通常光伏最大出力出現在午間或午后，但風機最大出力因地而異：

（a）風機最大出力出現在白天，新能源接納能力計算時刻為光伏、風電出力疊加最大的時刻；

（b）風機最大出力出線在晚間。由于晚間光伏不出力，新能源接納能力計算時刻應包含白天、晚間兩個。白天綜合考慮兩類新能源的出力情況，同情況（a）；晚間選取風機出力與電網負荷差值最大的時刻。

1.2.2 確定負荷系數及電源出力系數

1）確定計算時刻負荷系數

根據地區負荷特性曲線，找到計算時刻負荷值Pi，負荷系數為該負荷值與全年最大負荷值Pmax的比值：

2）確定計算時刻機組出力系數

火電機組、大型水電機組出力相對穩定，當有大量新能源上網時，機組開停機方式可由地區供電公司提供。新能源機組可根據其出力特性曲線確定計算時刻出力大小PGi，出力系數為該時刻的出力與裝機容量的比值：

1.2.3 計算110 kV及以下新能源接納能力

1）確定容量約束值Sy110

通過110 kV上網的新能源，電能上送需經過220 kV主變，220 kV主變容量及220 kV變電站的110 kV出線容量均會約束新能源的上送。即110 kV及以下新能源接納能力的容量約束值為：

其中，∑St220為地區220 kV主變容量之和，∑Sl110為地區220 kV變電站的110 kV出線容量之和。

2）計算接納能力

考慮110 kV及以下電廠（包括新能源電站）的出力，考慮110 kV及以下電網負荷的消納，110 kV及以下新能源接納能力如下：

1.2.4 計算35 kV及以下新能源接納能力

確定計算時刻及機組出力的方法同上，不再贅述。下面主要介紹35 kV及以下新能源接納能力的算法。

1）確定容量約束值Sy35

通過35 kV上網的新能源，電能上送需經過110 kV主變，110 kV主變容量及110 kV變電站的35 kV出線容量均會約束新能源的上送。即35 kV及以下新能源接納能力的容量約束值為：

其中，∑St110為地區110 kV主變容量之和，∑Sl35為地區110 kV變電站的35 kV出線容量之和。

2）計算接納能力

考慮35 kV及以下電廠（包括新能源電站）的出力，考慮35 kV及以下電網負荷的消納，35 kV及以下新能源接納能力如下：

1.2.5 計算110 kV、35 kV新能源接納能力范圍

地區電網對新能源的總接納能力應綜合考慮各電壓等級電網的接納能力，新能源上送的過程中應保證潮流不超過各級電網的容量裕度，因此地區總接納能力取決于各電壓等級接納能力中的最小者。例如某地區S110及以下=a，S35及以下=b，其中a＜b，則該地區總體新能源接納能力S=a，即S110+S35≤a。

1）110 kV新能源接納能力范圍

110 kV新能源最大接納能力S110max=S110及以下=a，即所有新能源均從110 kV電壓等級接入。

110 kV新能源接納能力范圍S110=[0，a]。

2）35 kV新能源接納能力范圍

35 kV新能源最大接納能力S35max=min（S35及以下，S）=a，即所有新能源均從35 kV電壓等級接入.

35 kV新能源接納能力范圍S35=[0，a]。

2 算例

本文選取A市為例，該市電源以水電和光伏為主（無火電廠，即接納能力計算公式中，常規電源裝機PGC僅包含水電裝機），該市水電最大出力時間集中在8月，即夏季豐水期；光伏出力全年波動較為明顯，8月至9月相對較大，全天最大出力集中在午間12時至14時。

A市全年最大負荷出現在冬季，4月回暖用電負荷明顯下降，4月至10月負荷波動較小，10月之后負荷開始上升。該市今年來日負荷曲線如圖 2所示，由日負荷曲線可知，該市日負荷較平穩，波峰與波谷差距較小，最大負荷分別出現在上午8時及晚間20時左右。

圖2 A市日負荷曲線Fig.2 daily load curve of city A

綜合來看，夏季午間為該市光伏出力與電網負荷差值最大的時刻。通過計算，該市夏季午間負荷約為最大負荷的45%，即負荷系數kp=45%。結合當地具體情況，確定該市在夏季午間各類裝機出力系數，如表 2所示。

表2 A市夏季午間各類裝機出力系數Tab.2 The efficiency coefficient of generators at noon in summer

參照新能源接納能力計算流程，對該市110 kV、35 kV新能源接納能力進行計算，如表 3、表 4所示。

表3 A市110 kV及以下新能源接納能力Tab.3 The new energy acceptance capacity of 110 kV and below

表4 A市35 kV新能源接納能力Tab.4 The new energy acceptance capacity of 35 kV and below

通過計算可知，A市110 kV新能源最大接納能力S110max=S110及以下=136.79 MW；35 kV新能源最大接納能力 S35max=min（S35及以下，S110及以下）=136.79 MW。即 A市現狀電網對新能源的總接納能力為136.79 MW，兩個電壓等級接入新能源的容量之和不超過136.79 MW。從計算結果還能看出，A市的電網容量瓶頸主要為220 kV變電容量，若今后該市繼續發展新能源，應重點關注220 kV變電容量約束，結合地區電網規劃，適當增加220 kV變電站布點。

3 結語

本研究提出了基于容量約束的新能源接納能力計算模型，該模型選取新能源出力與電網負荷差值最大時刻為計算節點，從高電壓等級到低電壓等級依次計算新能源的接納能力，找到限制地區新能源接入的容量瓶頸，為地區電網與新能源的適應性發展提供建設依據。并以A市例，計算A市在現狀電網的新能源接納能力，主要結論如下：

（1）地區電網新能源總接納能力取決于各電壓等級接納能力中的最小值；

（2）各電壓等級新能源接納能力之和處于一種動態平衡，110 kV電網多接入，35 kV電網則少接入，二者之和不應大于地區總接納能力；

（3）A市對110 kV及以下新能源的消納能力主要受220 kV變電容量的限制，若該地區繼續大力發展新能源，應當配合電網規劃增加220 kV變電容量。

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