湖北新能源與電網協調發展的規劃研究

劉暢 李泰軍 陳前

摘要：總結分析湖北省新能源發展與規劃情況，提出目前湖北新能源與電網發展存在的不協調因素及問題。考慮新能源出力的波動性、季節周期性等特點，提出了一種含概率信息的新能源各季節典型日出力曲線確定方法，利用該方法可確定用于規劃的新能源的可信容量，作為規劃研究的新能源出力模型基礎。開展網源協調規劃研究，研究未來湖北規劃電網對新能源的接入消納能力及適應性，提出新能源預警機制，為湖北新能源與電網的協調發展及規劃工作提供方向性指導。

關鍵詞：新能源；電網協調發展；規劃

中圖法分類號：F426. 61 文獻標志碼：A

DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2018.0211

近年來，以風電和太陽能發電為主的新能源發電技術在全球范圍內得到迅猛發展，我國也已成為全球風電和太陽能發電規模最大、增長速度最快的國家[1]。湖北省新能源正處于高速發展期[2]，在省委科學發展、綠色發展的戰略部署下，預計未來10～15年，將是湖北省新能源持續快速發展的時期。

電網是消納新能源的基礎，若新能源與電網發展不協調，將帶來投資浪費和棄風、棄光等問題[3]。因此，著力解決湖北省的新能源與電網協調發展問題，是保證湖北綠色發展戰略順利實施的關鍵，能夠更好地滿足經濟和社會可持續發展的需要。本文深入分析了湖北新能源與電網協調發展存在的主要問題，在對新能源電站出力特性進行分析的基礎上，研究未來湖北電網新能源主要集中區域電網對新能源的接入消納能力及適應性，提出新能源與電網協調發展的建議。

1 湖北地區新能源發展分析

1.1 新能源發展現狀及規劃

截至2016年底，湖北風電裝機規模達到201萬KW，光伏裝機規模達到187.1萬KW。從分布來看，隨州、孝感、恩施為湖北省內風電裝機規模最大的三個地區，風電裝機規模分別達到56.2萬KW、43.4萬KW、36.4萬KW，占全省風電總裝機比例分別為26%、20%、17%。其中，孝感地區風電基本集中在大悟地區，大悟風電裝機占全省風電總裝機比例達18.6%。黃岡、隨州、襄陽為湖北省內光伏裝機規模最大的三個地區，光伏裝機規模分別達到52.5萬KW、47.0萬KW、23.0萬KW，占全省光伏總裝機比例分別為32%、28%、14%，其中黃岡地區光伏目前基本全部集中在紅安、麻城地區。

根據《湖北可再生能源發展“十三五”規劃》，到2020年湖北風電裝機容量達到500萬KW，光伏裝機容量達到350萬KW。根據《湖北電網遠景目標網架研究》等相關研究成果，至2030年，湖北風電、光伏裝機容量均將達到1000萬KW。

1.2 新能源與電網協調發展存在的問題

（1）資源分布和電力需求不協調

從可再生能源規劃的項目布局來看，新能源大都集中在負荷體量較小的地區，如隨州、恩施利川、黃岡北二縣、孝感大悟等，新能源就地消納與負荷分布不協調，致使區域電網電力送出卡口。

（2）新能源與配套電網建設進度不協調

從建設周期來看，新能源建設項目存在“先核電、后核網”現象，影響適應新能源發展的電網規劃的制訂和落地實施，而新能源以點為主的建設周期比電網的建設周期要短很多，在目前新能源規劃與執行缺乏剛性的環境下，新能源的超規模發展將可能造成新能源項目投產但電網配套無法跟上的結果。

（3）缺乏網源協調統籌規劃

國家《太陽能發展“十三五”規劃》和《風電發展“十三五”規劃》均指出，加強風電、太陽能集中地區的配套電網規劃和建設，建立太陽能、風電發電布局與電力負荷和電網規劃相協調的發展機制，推進太陽能、風力發電大規模集中并網地區源網荷協同發展，優先就地利用，并合理擴大消納范圍。目前新能源發展較粗放，新能源發展與電網規劃相協調問題考慮相對較少，對中遠期新能源的健康可持續發展將造成不利影響。

2 湖北新能源出力特性研究

光伏發電和風力發電具有不確定性、波動性、可調節性低等特點[4-6]，為電力系統的安全運行和規劃工作帶來巨大的挑戰。在新能源與電網協調發展規劃工作中，如果考慮較高的新能源可信容量，將使得電網規劃方案冗余較大，犧牲了電網的經濟性，如果考慮較低的新能源可信容量，將會帶來棄風、棄光現象[7]，因此需對地區的風電場、光伏電站出力特點進行研究總結，建立適用于電網規劃工作的新能源出力模型。

2.1 新能源典型日出力曲線選取方法

為了充分反映新能源可信出力帶來的區域電網外送電力需求，校核網架的送出能力，考慮到新能源出力具有的季節差異性和波動性，針對該研究場景選取的日負荷曲線應遵循以下原則。反映新能源各季節不同的出力特性；反映新能源日內各時間點出力的相對規律；為反映新能源外送最大需求及用以校核網架外送能力，出力曲線上每一點應能體現該時刻可能的最大出力；考慮新能源尖峰出力概率極小的特點，選擇合理的置信水平。

按以上原則提出了計算新能源外送電力分析場景方法，主要步驟如下。首先，對地區新能源5分鐘整點的出力分季節按出力大小排序，得到各季節日內各時間點的出力可能分布；其次，給定分析的置信水平Γ，篩選出各季節日內每5分鐘的出力值，使以超過Γ的概率確信新能源電站在該季節該時間點的出力不大于該出力值，由各季節一天內288個5分鐘整點的出力值構成對應置信水平Γ的各季節典型日出力曲線；最后，根據各季節的典型日出力曲線及地區典型日負荷曲線，得到各季節的新能源外送電力分析場景，并結合地區的負荷預測及新能源規劃裝機量，確定地區新能源盈余最大時刻，將該時刻的新能源的出力率及負荷率作為校核網架外送能力的邊界條件。

采用以上方法，對湖北省主要地區的新能源電站2015年及2016年的全年每5分鐘出力值進行統計分析。以隨州地區風電秋季典型日出力模型結果為例，選取不同的可信水平將得到不同的出力曲線，從而選擇了校核網架的嚴苛程度。根據對應的電量分析，90%可信度對應棄風電量控制在0.3%以內，85%可信度對應棄風電量在3%以內，考慮湖北省對于棄風、棄光電量的實際要求，源網協調規劃適宜考慮對應90%可信度的新能源可信容量。

2.2 各地區新能源外送電力最大場景分析

以90%置信水平的各季節新能源典型出力曲線，根據地區的負荷及新能源裝機水平，可以計算得到各地區新能源電力外送最大的場景。仍以隨州地區為例，用以校核網架的電力外送最大場景為秋季。

秋季午間（秋腰方式）為隨州地區新能源電力外送最大方式，對應負荷率為45%、風電、光伏出力率分別為65%、75%。

按照以上方法對其他地區進行同樣的統計分析（數據不足地區按典型地區考慮，以充分校核未來網架）得到湖北各地區新能源外送電力最大時刻分析場景，如表1所示。

3 新能源與電網協調發展規劃研究

3.1 規劃研究原則

為促進“十三五”期間新能源與電網的協調發展，一方面，“十三五”規劃網架需能夠保證規劃新能源（風電500萬KW、光伏350萬KW）的送出，對不能滿足規劃新能源送出的網架方案做出調整。另一方面，在得到的規劃電網下，研究電網對新能源的消納能力，分析各地區“十三五”期間在規劃基礎上，進一步發展新能源的空間，建立省內新能源發展風險顏色預警機制，為政府進一步核準項目及下發指標、投資商繼續投資項目提供合理引導，避免新能源的無序、快速擴張造成新能源送出受限。遠景2030年，網源協調規劃研究重點分析新能源電力外送對于主網外送通道的建設需求。

3.2 隨州地區網源協調發展規劃研究示例

以隨州地區為例，詳細說明網源協調規劃研究主要過程。隨州地區由于風、光資源條件好，新能源接入集中，根據規劃新能源規模，至2020年，隨州地區風電裝機132.5萬KW、光伏裝機93.6萬KW。“十三五”期間為滿足新能源外送，規劃220KV烈山變擴建、220KV江頭店變新建、220KV烈山—嚴灣線路還建、220KV永陽變增容改造、220KV梨園變新建等220KV及以上電網項目5個，總投資約5.6445億元。

對規劃方案的潮流計算選擇地區新能源大發的秋腰方式（風、光出力分別按裝機容量65%、75%），計算結果如圖1所示。

由潮流計算結果，新能源大發的秋腰方式下，本地無法消納的電力將通過隨州—襄陽斷面的4回220KV線路及1回500KV線路向襄陽輸送，斷面輸送功率為115.3萬KW。由于“十三五”期間為保證隨州新能源外送，規劃還建嚴灣—烈山大截面導線，并退出臥龍—烈山線路，考慮N-1的隨州—襄陽斷面外送能力可達到152萬KV，目前隨州整體外送斷面裕度較充足，尚余37萬電力送出裕度。若考慮隨州地區外送最大時刻新能源70%的綜合出力率，則在電網送出能力限制下，隨州地區整體還存在約50萬KW的新能源裝機空間。

具體到局部電網，隨州廣水送出斷面2020年由永陽—梨園、永陽—隨縣、永陽—曾都三回220KV組成，受永陽—隨縣、永陽—曾都線路（LGJQ-300）限制，考慮N-1的斷面輸送能力最大為42萬KW，與目前外送電力基本持平，繼續新增新能源項目將使電網面臨線路過載風險。

從主變上網情況來看，除永陽變外，各220KV主變上網潮流均在主變容量以內，因此，在整體可新增規模內仍可繼續新增110KV接入的新能源項目。考慮優化部分靠近曾都、梨園變供區的新能源項目（如余店風電場等）接入方案及運行方式優化，可使永陽變不出現上網潮流過載。

因此，對于隨州地區2020年網源協調發展有如下結論：（1）規劃網架可以保證“十三五”規劃新能源的送出。（2）對于超出規劃規模新增的新能源項目，廣水不宜再繼續新增，曾都、隨縣整體還具備約50萬KW規模的新能源裝機空間。

3.3 湖北新能源與電網協調發展的規劃研究

對湖北各地區進行詳細的新能源與電網協調發展規劃研究，結果表明，湖北電網“十三五”規劃網架可以滿足“十三五”規劃新能源的發展需要。

為直觀、清晰地引導近期規劃規模外新能源的合理發展，警示電網卡口問題，提出了2020年新能源發展風險預警機制，該預警機制是依據各地規劃新能源接入對電網運行的影響情況及規劃網架的外送能力，將各地區新能源“十三五”期間建議發展情況分為三類。

紅色，如要在規劃規模基礎上，進一步新增新能源項目，則必須對電網進行滾動規劃調整，加強電網的地區，否則將可能出現棄風、棄光現象。

橙色，如要在規劃規模基礎上，新增110KV接入的新能源項目，則可考慮優化新能源接入電壓等級至220KV，或者對電網進行滾動規劃調整，新增變電容量的地區，否則將可能出現棄風、棄光現象。

綠色，可根據實際情況，在規劃規模基礎上繼續新增新能源項目的地區。

通過各地區網源協調發展分析，依據以上劃分原則形成的2020年湖北省新能源發展風險預警結果如表3所示。

在分級基礎上進一步計算了新能源集中地區在“十三五”期間可繼續新增的新能源裝機規模，如表4所示，其他地區消納新能源空間均在30萬KW以上或大于儲備項目規模，可認為在“十三五”期間發展新能源暫無限制，可根據實際情況繼續新增。

根據預警分級及具體各地區的新能源新增空間，能源主管部門可以據此考慮新能源建設指標的進一步發放，通過建設指標引導新能源的合理布局發展，電網公司可以據此評估各地電網發展新能源的裕度，根據新能源的實際發展考慮對電網規劃進行滾動調整。

4 結語

本文基于對湖北新能源出力特性的詳細研究分析，對湖北各地區的新能源與電網協調發展問題進行規劃研究。首先以滿足規劃新能源消納為目標，提出電網滾動規劃方案，進一步分析電網規劃方案對于新能源發展的適應性，提出了新能源發展預警機制，分析了當前規劃網架下主要地區新能源發展空間。

該研究從電網方面可以為電網的規劃建設提供方向性的指導作用，從新能源發展方面為政府進一步核準項目及下發指標、投資商繼續投資項目提供合理引導，避免了新能源的無序、快速擴張造成新能源送出受限。

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