南方電網新能源消納量化分析

陳巨龍，李震,2

（1.貴州電網有限責任公司電網規劃研究中心，貴陽550002；2.貴州大學電氣工程學院，貴陽550002）

0 前言

近年來，我國新能源的快速建設和發展，在能源總消耗量一定的情況下，很大程度上減少了傳統化石能源的消耗，有利于氣候變化，更有利于環境保護。

由于風、光等新能源出力具有隨機波動性和間歇性的特點，大量的新能源并網發電，給電力系統安全穩定運行增加了難度，也帶來了如何消納大規模新能源的難題[1-4]。

文章介紹了南方電網新能源現狀，分析了南方電網新能源消納情況，闡述了新能源消納能力量化分析方法，并選取實際運行場景進行實例驗證，提出了南方電網在應對大規模新能源消納方面需采取的措施。

1 南方電網新能源現狀

截至2016年底，南方電網統調裝機容量為277343 MW，其中風電裝機容量為15449 MW，光伏容量為3780 MW，風電占比近5.6%，光伏占比近1.4%，其中風光均集中在南方Y 省，該省截至2016年底新能源裝機容量9756 MW，風電裝機容量7843 MW，占比9.6%，光伏容量1913 MW，占比2.3%。Y 省風電場共83座，調管模式為省中調直調和“省地共調”兩種模式，但均由省中調統一管理。

南方電網新能源納入各省電力平衡，因此分析南方電網新能源消納情況，重在分析Y省電網的新能源消納能力。又因光伏占比較小，且光伏負荷曲線一般情況下為白日半球弧線，可預測性較強，也不存在反調峰特性，因此，本文主要分析南方電網風電消納情況。

2 風電消納與調峰情況分析

2016年，Y 省棄風電量6.41億kWh，棄風率4.17%，棄風電量同比增加333%，棄風率同比增加2.7個百分點。棄風主要發生在Y 省A市和B市兩個地區，其中A 市棄風電量3.14億kWh，占總棄風電量比例為49%，B市棄風電量3.2億kWh，占總棄風電量比例為50%。其余地區棄風較少，僅占總棄風電量1%，原因主要為部分時段網絡受限。經過分析，Y省電網棄風原因如下：

A 地區棄風原因風電裝機規模較大，送出斷面容量較小。在2016年下半年之前，該地區風電總裝機為522.75 MW，最高用電負荷為270 MW，由于該地區同時還有水電送出需求，考慮風電與水電發電的同時率后仍有富余，大量電力需外送。但送出通道僅有220 kV 的線路，送出斷面受穩定限制，控制極限為280 MW，風電電力最大受阻約190 MW。而在2016年下半年，斷面送出極限提升至850 MW，風電送出幾乎不受限。

B地區棄風原因為風電場投產速度快且接入較集中，電網送出通道建設滯后。該地區風電總裝機達到1007 MW，但該地區負荷需求小，最高用電負荷僅75 MW，發電能力遠大于地區負荷需求，絕大部分電力需通過220 kV 輸電斷面外送，該斷面受220 kV 和熱穩極限（800 A）限制,斷面控制最大值僅為280 MW，因此電力外送受阻比較嚴重，考慮風電出力的同時率，送出受阻最大約300 MW。

截止目前，Y 省雖未出現因調峰原因產生的受限棄風情況，但該省風電最大日峰谷差高達3730 MW，風電日峰谷差占日發電最大出力比例達到20.6%，日間最大電量偏差7658萬kWh，兩日最大電量偏差9324萬kWh，日間電量偏差占全網日發電量比例最大15.73%，兩日電量偏差占全網日發電量最大占比23.71%。風電明顯的隨機性、間歇性及反調峰等特性，預測難度大，給電力電量平衡日前安排、日內調控帶來了嚴峻的挑戰，也給調度運行人員提出了更高的要求。為此，必須深入研究應對風電消納的手段，通過量化分析的方法計算風電消納的能力。

3 風電消納能力量化分析方法

考慮Y省裝機主要為蓄水式水電、火電、風電、光伏、徑流式小水電等，為風電消納提供調節能力的主要為蓄水式水電（以下簡稱水電）和火電。為簡化分析[5-7]，將發電機組分為水電、火電、風電及其他發電機組，將網損及廠用電納入省內負荷，可得時段t 內電力實時平衡等式：

式中，PH,j,t、PT,k,t、PW,m,t、Pother,t分別表示時段t 內某個水電廠、火電廠、風電場及其他發電機組的有功出力，Pin,t、PLine,t分別表示時段t 內省內、外送聯絡線有功負荷[8-9]。

由于Y 省無抽水蓄能等儲能電站，因此在分析風電消納能力時，可將省內負荷PLine,t視為常數，忽略其他發電機組調節能力，可得時段t內省區電網上、下調節裕度Mupsafe,t、Mdownsafe,t分別為：

省區電網為應對機組異?；蜇摵刹▌拥炔淮_定性影響，時段t 內需預留上、下旋轉備用則時段t 內新能源上、下消納裕度分別為：

4 約束條件

約束條件包括電廠自身發電能力約束及網絡安全約束[10-12]，綜合考慮，可以歸納為以下三種情況：

4.1 限制單個電廠出力的情況

設定省區電網共有Gj個水電廠，時段t 內第i個水電廠的約束條件為：

設定省區電網共有Gk個火電廠，時段t 內第k 個火電廠的約束條件為：

4.2 限制區域電網斷面潮流的情況

當區域電網內僅有發電廠時，多個電廠互聯后經同一通道并網，為保證電網穩定運行，往往需要控制這一通道的潮流，此時，可將控制通道潮流分解為控制區域電網內多個電廠出力[13-15]，假設省區電網共有Ai個這樣的區域電網，且區域電網內僅有水電廠、火電廠、風電場，則時段t 內約束條件為:

當k=K,K∈[1,2,3....Gk]，若第k 個火電廠在第i 個斷面約束區內且參與斷面控制時，AT取1，否則取0。當m=M,M∈[1,2,3....Gm]，若第M個風電場在第i 個斷面約束區內且參與斷面控制時，AW取1，否則取0。

當區域電網內不僅有發電廠，還有用戶負荷時，控制斷面為區域電網與主網的聯絡通道，此時區域電網內發電廠出力與負荷相互影響，則時段t 內約束條件為：

式中PL,i,t為第i個斷面控制區域電網時段t內有功負荷總和，雖然負荷具有隨機波動性，但是可以通過采集相關廠站的主變、線路等設備的潮流數據計算而來，在此可認為是常數。

5 運行實例

2017年2月5日夜間負荷低谷時段，Y 省風電大發，給該省中調調峰均帶來了困難，最終申請總調支援，才保證了風電的全額消納。2017年2月15日白天負荷高峰時段，Y 省因風電少發較多，申請總調安排直調電廠支援，才實現異步聯網后留足安全裕度情況下的電力平衡。下面以這2個調峰最為困難的實際運行場景為例，對Y 省調峰與風電消納情況進行說明。

5.1 因風電多發申請調減C水電廠出力

2017年2月5日夜間負荷低谷時段，Y 省風電大發，最大出力達到3818 MW，比計劃高1100 MW?；痣娋鶞p至最低穩燃出力，除徑流式電廠、保障生態流量電廠和主調頻電廠機組外的有調節性能的水電廠機組均已停機，Y省內頻率下調節備用緊張，頻率調節困難，為保證相關備用滿足異步聯網方式下頻率調控要求，避免棄風，Y省中調向總調申請1點15分至7點30分調減C水電廠出力300 MW。

5.2 因風電少發申請增加D水電廠出力

2017年2月15日白天，Y省風電出力在凌晨5點以后逐步下降，在晚峰時段僅有1900 MW，較計劃偏低900 MW，在23點40分時，風電出力僅為1573 MW，風電當日峰谷差高達1556 MW，而且呈明顯的反調峰特性。在省內水電廠水位較低，出力緊張情況下，Y省在早峰、晚峰時段安排火電廠滿發，增加火電機組出力360 MW。在火電上調節能力全部調出后，綜合考慮省內風電偏差、負荷等情況后，Y 省中調向總調申請D水電廠增加出力，從6點15分開始，D水電廠提前增加至1800 MW出力。

6 結束語

截止目前，南方電網范圍內風電除局部因網絡阻塞受限的情況外，還未發生因調峰因素影響的棄風事件，這不僅說明南方電網有著比較充足的風電消納能力，也說明南方電網各級調度計劃編制人員及調度運行控制人員為消納風電而做出的努力工作。但是，清潔能源仍將高速發展，風電投產占比加大，例如2017年南方電網計劃凈新增裝機容量15978 MW，其中風電機組3244 MW，占比高達20%。這將加大風電消納的困難。因此，為提高南方電網風電消納水平，需要量化分析風電消納能力。通過量化計算風電消納上、下裕度，可以合理安排電網運行方式及各類機組開機方式，在確保電網安全穩定運行的前提下，優化考慮風電消納能力最大化，為風電消納提供充足的上下調節空間。通過實時計算風電消納上、下裕度，調度運行人員根據電網運行情況，可以有效發揮總調及南網大平臺的協調作用，考慮總調直調機組參與省內平衡，考慮省間互助容量，盡力保證風電最大額度消納，也為調度運行人員應急實時控制提供有效的手段。