電網(wǎng)新能源消納及并網(wǎng)安全分析

戎士洋 ,于騰凱 ,程 倫 ,紀(jì) 寧 ,王瑞欣

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖、環(huán)境污染和能源緊張等問(wèn)題,世界各國(guó)積極推動(dòng)能源的低碳化、清潔化和可持續(xù)化轉(zhuǎn)型[1]。我國(guó)將采取更加有力的政策和措施使其CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要舉措,然而以風(fēng)電光伏為代表的新能源機(jī)組發(fā)電原理、控制方式、并網(wǎng)特性均與常規(guī)同步機(jī)組有較大差別,隨著新能源裝機(jī)占比的持續(xù)增長(zhǎng),伴隨出現(xiàn)的調(diào)峰調(diào)頻、電壓穩(wěn)定、寬頻振蕩等威脅整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的問(wèn)題逐步顯現(xiàn),源網(wǎng)荷的不匹配、協(xié)調(diào)也大大限制了新能源的電力消納[2-4]。本文首先介紹了我國(guó)某地區(qū)電網(wǎng)新能源裝機(jī)及消納形勢(shì),結(jié)合近幾年來(lái)大規(guī)模風(fēng)電光伏接入的實(shí)際運(yùn)行情況,剖析新能源電力消納的主要影響因素,從集中式場(chǎng)站和分布式電源兩方面深入分析新能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全造成的影響,最后給出提升電網(wǎng)安全及新能源消納能力的相關(guān)建議。

1 新能源電力消納

1.1 新能源裝機(jī)及消納現(xiàn)狀

受政策激勵(lì)及發(fā)電成本影響,近3年來(lái)某地區(qū)風(fēng)電光伏裝機(jī)大幅增長(zhǎng),2021年底新能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)到22 465 MW,全口徑裝機(jī)容量占比達(dá)到41.7%。表1為2019-2021年地區(qū)內(nèi)新能源裝機(jī)明細(xì),可以看出,風(fēng)電增長(zhǎng)趨于平緩,分布式與集中式光伏呈現(xiàn)齊頭并進(jìn)的態(tài)勢(shì)。

表1 新能源發(fā)電裝機(jī)及占比統(tǒng)計(jì)

新能源消納方面,2021年首次出現(xiàn)棄風(fēng)棄光,累計(jì)期限194 h,棄限電量2.8億kWh。風(fēng)電光伏利用率分別為98.5%、99.1%。2022年新能源裝機(jī)還將新增6 000 MW,預(yù)計(jì)全年新能源發(fā)電量282.69億k Wh,棄電量11.59億k Wh,利用率96.06%,接近國(guó)家能源局規(guī)定的95%利用率指標(biāo)下限。

1.2 新能源制約因素分析

受資源條件、電源結(jié)構(gòu)等因素限制,該地區(qū)電網(wǎng)新能源消納條件較差,棄風(fēng)棄光的主要原因有以下4個(gè)。

(1)網(wǎng)內(nèi)新能源以光伏為主,日出力波動(dòng)較風(fēng)電更大。2022 年底,新能源裝機(jī)將達(dá)到28 000 MW,按照近3年午后新能源同時(shí)率0.75考慮,午后新能源出力可達(dá)18 000 MW 以上,而晚高峰時(shí)段光伏出力降為0,僅剩不足3 000 MW 風(fēng)電出力,新能源最大日出力波動(dòng)達(dá)15 000 MW 以上。常規(guī)火電機(jī)組啟停時(shí)間最少也需要6 h,且極大增加了發(fā)電煤耗,降低了機(jī)組壽命,如果僅靠負(fù)荷平衡新能源出力,極易導(dǎo)致午后新能源嚴(yán)重棄限、晚高峰電力供應(yīng)不足。

(2)電源以火電為主,靈活調(diào)節(jié)資源明顯不足。火電裝機(jī)占比57.4%,天然氣、抽蓄僅占8%,且火電裝機(jī)中供熱機(jī)組占比高達(dá)83%,雖然對(duì)網(wǎng)內(nèi)煤電機(jī)組不同程度實(shí)施靈活性改造,但改造標(biāo)準(zhǔn)偏低,僅提升了調(diào)峰能力1 100 MW。“十四五”期間,所有在運(yùn)火電機(jī)組均計(jì)劃深度調(diào)峰改造(供熱工況最小出力在40%以下,非供熱工況最小出力在30%以下),但由于激勵(lì)政策不足,多數(shù)電廠還處在觀望狀態(tài),未來(lái)新能源棄限將成為常態(tài)。

(3)分布式光伏裝機(jī)容量大,且短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。以2022年春節(jié)及冬奧會(huì)電力平衡為例,受環(huán)保限產(chǎn)、春節(jié)節(jié)日效應(yīng)等多重因素影響,最小用電需求僅17 000 MW,疊加分布式光伏“抵消”作用,午后最小負(fù)荷最低降至12 000 MW 以下。考慮聯(lián)絡(luò)線減供、供熱機(jī)組最小運(yùn)行方式、純凝機(jī)組全停后,全網(wǎng)最小技術(shù)出力15 660 MW,集中式新能源全部棄限后,調(diào)峰缺口仍有近4 000 MW。

(4)集中式新能源場(chǎng)站多位于負(fù)荷偏低地區(qū),電力送出受網(wǎng)架限制。集中式開(kāi)發(fā)新能源項(xiàng)目主要集中在太行山沿線和東部沿海區(qū)域,這些區(qū)域新能源發(fā)展速度超前于電網(wǎng)發(fā)展速度,場(chǎng)站短路比不足、送出通道過(guò)載的情況較為突出。比如西南地區(qū)的1 500 MW 光伏,與常規(guī)火電廠600 MW機(jī)組共用3條細(xì)截面線路向保東東部負(fù)荷中心輸送電力,按照設(shè)計(jì)單位接入系統(tǒng)方案,正常方式下就會(huì)出現(xiàn)超線路額定載流30%的安全問(wèn)題,極易引發(fā)光伏高出力時(shí)段的大量棄限。

預(yù)計(jì)“十四五”末,新能源裝機(jī)量為46 900 MW,如果不采取有效措施,僅按現(xiàn)有資源配置,有效利用率將降低至79%。除完成政府下發(fā)的火電機(jī)組靈活性改造任務(wù)外,還必須為新能源配置10%的儲(chǔ)能,方能達(dá)到95%的最低消納目標(biāo)。

2 新能源并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全影響

新能源因裝機(jī)容量不同,接入本地電網(wǎng)的方式也有差別,對(duì)電網(wǎng)安全造成的影響呈現(xiàn)不同特點(diǎn),下面根據(jù)新能源集中式/分布式的不同接入方式分別分析對(duì)電網(wǎng)安全的影響。

2.1 集中式場(chǎng)站

2.1.1 場(chǎng)站短路比降低

和傳統(tǒng)火電機(jī)組相比,風(fēng)電、光伏等新能源機(jī)組電壓支撐能力弱,大規(guī)模新能源通常處于偏遠(yuǎn)的電網(wǎng)末端,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱,接入后易出現(xiàn)系統(tǒng)電壓水平下降,且新能源電力電子變換器本身耐壓耐頻能力不高,故障期間極易因電壓波動(dòng)脫網(wǎng)[5]。目前普遍采用短路比衡量并網(wǎng)系統(tǒng)電壓支撐強(qiáng)度[6]。2019 年12 月發(fā)布的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求送、受端系統(tǒng)的直流短路比、多饋入直流短路比以及新能源場(chǎng)站短路比應(yīng)達(dá)到合理的水平。GB/T 40581—2021《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算規(guī)范》規(guī)定,新能源場(chǎng)站端的多場(chǎng)站短路比不應(yīng)低于1.5。

該地區(qū)西部風(fēng)電和光伏資源富集地區(qū)并網(wǎng)比例較高且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,需要通過(guò)遠(yuǎn)距離輸電從地區(qū)電網(wǎng)末端接入,送出網(wǎng)絡(luò)往往較為薄弱,“大機(jī)小網(wǎng)”問(wèn)題突出,抗擾動(dòng)能力不足。2022年,西南部分新能源場(chǎng)站的短路比已經(jīng)接近甚至低于1.5;在新能源場(chǎng)站附近火電廠停機(jī)的情況下,多座場(chǎng)站的短路比低于1.5,經(jīng)電網(wǎng)仿真計(jì)算,該區(qū)域內(nèi)發(fā)生同桿線路N-2故障,一旦保護(hù)拒動(dòng),故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)0.16 s,可能導(dǎo)致接入附近220 kV公用站的光伏場(chǎng)站因低電壓而脫網(wǎng),最大脫網(wǎng)量可能超過(guò)2 000 MW,具體如圖1所示。

圖1 某光伏低穿期間有功功率曲線

2.1.2 送出通道過(guò)載

2022年,某地區(qū)電網(wǎng)供電范圍內(nèi)預(yù)計(jì)投產(chǎn)共計(jì)6 000 MW 光伏項(xiàng)目,其中4 000 MW 光伏為匯集集中接入方式,主要多數(shù)處于近山靠海的偏遠(yuǎn)位置,這些地區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)受地理?xiàng)l件制約,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱,出現(xiàn)通道送出能力不足的問(wèn)題,主要有:

(1)西南部地區(qū)規(guī)劃建設(shè)800 MW 平價(jià)光伏項(xiàng)目,疊加現(xiàn)有新能源裝機(jī),造成該地區(qū)西電東送通道緊張,夏季光伏大發(fā)時(shí)段220 kV同桿并架線路N-1最大過(guò)載43%;

(2)東部沿海光伏項(xiàng)目合計(jì)投產(chǎn)容量1 000 MW,接入近區(qū)500 kV站220 kV側(cè),夏季光伏大出力時(shí)段220 kV近區(qū)線路N-1故障,其他220 kV線路最大過(guò)載11%;

(3)太行山中部地區(qū)規(guī)劃建設(shè)700 MW 平價(jià)及競(jìng)價(jià)光伏項(xiàng)目,夏季光伏大出力時(shí)段220 kV線路N-1最大過(guò)載6%;

(4)太行山南部光伏電站在某同桿并架線 路N-2故障情況下,其余線路最大過(guò)載15%。

(5)部分220 kV站接入新能源較多,存在主變壓器上送N-1過(guò)載問(wèn)題,最大過(guò)載30%。

2.2 分布式光伏

2.2.1 配網(wǎng)承載力不足

2022年分布式光伏規(guī)模將突破10 000 MW,高比例分布式光伏具有分散多點(diǎn)布置、出力不穩(wěn)定的特點(diǎn),光伏大出力時(shí)段(中午11:00—14:00)本地負(fù)荷已經(jīng)不能平衡光伏出力,部分線路及主變壓器輕載,甚至出現(xiàn)功率上送,光伏出力波動(dòng)性與負(fù)荷疊加,改變了配網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性,配網(wǎng)有源化特征愈加明顯。

據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年分布式光伏日出力波動(dòng)接近6 000 MW。全年26 臺(tái)220 kV變壓器、124 臺(tái)110 kV變壓器、294臺(tái)35 kV變壓器出現(xiàn)功率倒送情況,占比分別為6.1%、8.1%、13.6%。保定西部地區(qū)117臺(tái)主變壓器(220 kV17臺(tái)、110 kV43臺(tái)、35 kV57臺(tái))出現(xiàn)功率上送,占比近20%。線路和主變壓器潮流方向的改變,一方面增大了設(shè)備損耗,使得傳統(tǒng)以負(fù)荷為中心的供電設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性大大降低;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)單端輻射配置的階段式保護(hù)對(duì)有源配網(wǎng)適應(yīng)性,現(xiàn)有配網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性亟須提升。

現(xiàn)有分布式光伏以用戶自行投資建設(shè)為主,具有無(wú)秩序、接入分散、單點(diǎn)容量小等特點(diǎn)[7],且受光照、溫度等自然因素影響較大,分鐘級(jí)出力波動(dòng)最大可達(dá)其容量的70%,當(dāng)光伏滲透率增加到一定程度時(shí),產(chǎn)生的有功沖擊將引起線路短時(shí)嚴(yán)重過(guò)載及節(jié)點(diǎn)電壓大幅波動(dòng)[8],電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性相比光伏接入前將明顯惡化,尤其是在電網(wǎng)遇到故障時(shí),分布式光伏將會(huì)進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的有功功率及電壓的波動(dòng)范圍,圖2顯示了60%光伏滲透率下,某配電網(wǎng)線路故障情況下的有功功率波動(dòng)情況。

圖2 配網(wǎng)線路暫態(tài)有功功率曲線

當(dāng)前該地區(qū)整體分布式光伏滲透率約22%,分布式光伏對(duì)于穩(wěn)定性的影響不顯著。到“十四五”末,可能增加到30%,對(duì)配電網(wǎng)造成的影響無(wú)法忽視,電網(wǎng)運(yùn)行將面臨極大挑戰(zhàn)。

2.2.2 低頻減載控制能力下降

分布式光伏出力相當(dāng)于在線路上疊加了一個(gè)“逆向”負(fù)荷,分布式光伏出力越高,對(duì)低頻減載控制能力影響越大[9]。圖3和圖4分別為晴天和多云天氣下電網(wǎng)低頻減載實(shí)控負(fù)荷比例比較,通過(guò)對(duì)比同一時(shí)期內(nèi)不同天氣下的情況,在同樣的低頻減載方案下,相當(dāng)于分布式光伏裝機(jī)每增加1 000MW,低頻減載控制比例下降約1%左右。

圖3 晴天天氣低頻減載負(fù)荷控制比例

圖4 多云天氣低頻減載負(fù)荷控制比例

目前該地區(qū)電網(wǎng)低頻減載平均控制比例約為60%,基本波動(dòng)區(qū)間為55%～67%,能夠滿足總控比例50%的方案要求。

3 相關(guān)建議

對(duì)于影響新能源消納的調(diào)峰能力不足、送出通道過(guò)載、主變壓器潮流上送及減載控制不足等問(wèn)題,從以下兩方面給出建議。

(1)系統(tǒng)規(guī)劃方面,首先要科學(xué)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)新能源增長(zhǎng)情況,然后根據(jù)新能源發(fā)展配套增加詳細(xì)的儲(chǔ)能需求規(guī)劃,包括慣量、調(diào)頻、調(diào)壓具體需求,以及相應(yīng)儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)能位置及類型規(guī)劃,同時(shí)開(kāi)展新型儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究,提前制定儲(chǔ)能相關(guān)管理規(guī)范;對(duì)新能源接入集中的地區(qū)考慮增加送出通道、主變壓器增容等規(guī)劃項(xiàng)目,滿足大規(guī)模新能源的送出需求。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行方面,開(kāi)展新能源場(chǎng)站開(kāi)展耐頻耐壓、一次調(diào)頻等涉網(wǎng)實(shí)驗(yàn)及技術(shù)監(jiān)督,推動(dòng)新能源具備與常規(guī)電源類似的調(diào)節(jié)性能指標(biāo);對(duì)于現(xiàn)有存量新能源送出引起的線路/主變壓器過(guò)載程度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,在此基礎(chǔ)上加裝過(guò)負(fù)荷聯(lián)切等安全自動(dòng)裝置,保證正常方式下的新能源送出及故障情況下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定;對(duì)分布式電源出力開(kāi)展精細(xì)化、常態(tài)化統(tǒng)計(jì),并動(dòng)態(tài)調(diào)整低頻減載方案,擴(kuò)充控制分路。

4 結(jié)論

本文介紹了某地區(qū)電網(wǎng)新能源裝機(jī)及消納情況,結(jié)合該地區(qū)近幾年來(lái)大規(guī)風(fēng)電光伏接入后實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),深入分析了影響新能源電力消納的主要因素,從集中式場(chǎng)站和分布式電源兩方面詳細(xì)闡述了新能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全的造成的影響,最后給出提升電網(wǎng)安全及新能源消納能力的相關(guān)建議。