基于時序生產(chǎn)模擬的張家港電網(wǎng)新能源規(guī)劃

耿路，王欣怡，周江山，徐怡悅

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國風(fēng)電、光伏累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)5.3億千瓦，占電源總裝機(jī)的24%，發(fā)電量 0.7 萬億千瓦時，占總發(fā)電量的 9.5%［1－2］。我國提出要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這意味著在未來電力系統(tǒng)中，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化，以煤電為代表的傳統(tǒng)化石能源逐步向以提供電力為主、電量為輔的備用保障型方向轉(zhuǎn)變，發(fā)電量逐步減少。而風(fēng)電、光伏等新能源將逐步成為主要電源，定位由提供電量補(bǔ)充轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁╇娏恐?。隨著新能源滲透率的逐步提升，部分電網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了新能源消納能力不足、電壓越限、線損過高等問題，嚴(yán)重影響了新能源的利用效率和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［3］。因此，需要對新型電力系統(tǒng)中新能源的接入進(jìn)行評估和規(guī)劃，為新能源的廣泛接入提供技術(shù)支撐。

時序生產(chǎn)模擬基于電網(wǎng)時序運(yùn)行數(shù)據(jù)，逐時段模擬電網(wǎng)消納新能源的情況，通過優(yōu)化機(jī)組啟停機(jī)計(jì)劃、機(jī)組實(shí)時出力等，可以使電網(wǎng)接納更多的新能源。因此時序生產(chǎn)模擬方法常被用于評估新能源消納能力［4］。文獻(xiàn)［5］提出了基于時序生產(chǎn)模擬的新能源消納特性分析方法，利用該方法對2025年山東地區(qū)光伏消納能力進(jìn)行了評估，給山東地區(qū)新能源規(guī)劃提供了有效的建議。文獻(xiàn)［6］利用時序生產(chǎn)模擬方法對“十四五”期間的陜西電網(wǎng)新能源發(fā)展和規(guī)劃提供支撐，文獻(xiàn)［7］則對電網(wǎng)中的新能源裝機(jī)容量進(jìn)行規(guī)劃，從而可以最大化的利用新能源資源，提高節(jié)能減排效益。

1 時序生產(chǎn)模擬模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

時序生產(chǎn)模擬優(yōu)化目標(biāo)為生產(chǎn)模擬周期內(nèi)風(fēng)電和光伏消納電量最大，即

1.2 約束條件

約束條件包括式（2）電力電量平衡約束、式（3）備用容量約束、式（4）～（5）火電機(jī)組出力約束、式（6）火電機(jī)組啟停機(jī)約束、式（7）新能源出力約束。

2 算例分析

2.1 算例介紹

本文采用蘇州張家港地區(qū)220kV實(shí)際網(wǎng)架為算例進(jìn)行案例分析，具體網(wǎng)架架構(gòu)和光伏年度序列如圖1所示。

圖1 張家港地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和光伏年度序列

2.2 考慮不同負(fù)荷水平的光伏規(guī)劃

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，未來居民用電以及工農(nóng)商業(yè)用電需求也會不斷增長。因此，本文在考慮負(fù)荷增長情況下，分析不同新能源裝機(jī)方案下的張家港地區(qū)新能源消納情況。考慮電網(wǎng)負(fù)荷大小對規(guī)劃方案的影響，設(shè)置2020年負(fù)荷水平基礎(chǔ)上負(fù)荷增長5%、10%、15%、20%這四個場景，基本參數(shù)設(shè)置如下表1所示。

表1 基本參數(shù)設(shè)置

通過Matlab和Yalmip調(diào)用商業(yè)優(yōu)化軟件Cplex求解新能源消納能力計(jì)算模型，以得到全局最優(yōu)解。新能源裝機(jī)方案如表2所示，求解得到不同負(fù)荷增長率和光伏裝機(jī)方案的新能源消納率對比如圖2所示。

表2 新能源不同裝機(jī)方案

負(fù)荷增長率方面，由圖2（a）可知，隨著負(fù)荷水平的提高，電網(wǎng)對于光伏的接納能力提高，可接入容量值變大。不考慮棄電背景下，不同負(fù)荷增長率情況下對應(yīng)的最佳光伏裝機(jī)方案如上文所述，5%、10%、15%、20%負(fù)荷增長率下光伏的最佳裝機(jī)容量分別為2500MW、2700MW、2800MW、2900MW。

不同裝機(jī)方案方面，各裝機(jī)方案如表2所示。結(jié)合表2和圖2（b）可知，在2個節(jié)點(diǎn)接入方案中，方案 1（裝機(jī)位置／容量：3／980MW，13／960MW）光伏消納率為100%，從節(jié)能環(huán)保角度來看此方案為最佳選擇；若允許存在1%以內(nèi)的棄電，則方案2（裝機(jī)位置／容量：3／1200MW，13／1200MW）為最佳方案，通過犧牲0.3%的電量，新增460MW的光伏可裝機(jī)容量，從而光伏能夠發(fā)出更多的電量來替代火電機(jī)組發(fā)電，符合“雙碳”目標(biāo)下大力發(fā)展新能源的戰(zhàn)略方針。在3個節(jié)點(diǎn)接入方案中，方案6消納率為98.83%，較適合用于裝機(jī)。在4個節(jié)點(diǎn)接入方案中，方案8光伏全額消納，不存在光伏棄電現(xiàn)象，未來新能源電站規(guī)劃可以優(yōu)先考慮此方案。在5個節(jié)點(diǎn)接入方案中，方案10消納情況略優(yōu)于方案9，相較于方案9，更適合用于制定光伏裝機(jī)計(jì)劃。在6個節(jié)點(diǎn)接入方案中，方案12光伏全部消納，在6節(jié)點(diǎn)裝機(jī)方案中為最佳方案。

圖2 不同負(fù)荷增長率和光伏裝機(jī)方案下的新能源消納情況

綜上所述，在張家港地區(qū)220kV網(wǎng)架背景下規(guī)劃新能源電站的選址和容量時，在總裝機(jī)容量相同情況下，若分散接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，各裝機(jī)方案下的新能源消納情況差異很小，可忽略不計(jì)；若分散接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，則分散接入的節(jié)點(diǎn)越多，電網(wǎng)可消納的新能源越多。建議采用綜合利用、多能互補(bǔ)的方式，按照分散布局、就近利用的原則，在張家港東南部電網(wǎng)地區(qū)，應(yīng)盡量避免大規(guī)模新能源接入，新能源接入位置盡量向中部和西北部偏移。

3 結(jié)論

本文以蘇州張家港地區(qū)實(shí)際網(wǎng)架為算例，采用時序生產(chǎn)模擬方法，考慮負(fù)荷5%－20%增長率情景和新能源不同接入方式情景，對不同的光伏裝機(jī)方案進(jìn)行消納能力評估。以光伏消納能力計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對未來張家港地區(qū)光伏裝機(jī)方案提供建議，也為張家港地區(qū)建設(shè)新型電力系統(tǒng)和能源清潔轉(zhuǎn)型提供決策支撐。