大規模風電接入的輸電網規劃研究

萬 曄，黃 駿

（1.國網淮安市供電公司，江蘇 淮安 223001； 2.國網淮安市洪澤區供電公司，江蘇 淮安 223100）

大規模風電接入是電力系統規劃和管理領域的關鍵議題之一。風電作為一種清潔、可再生的能源形式，具有巨大的潛力，但也伴隨著出力波動和不確定性。本文探討如何有效地應對大規模風電接入，以確保電力系統的可靠性、穩定性和可持續性。通過深入分析風電的發展現狀和相關不確定性因素，以及提出相應的處理方法和電網規劃方案，本文旨在為電力系統規劃者和決策者提供有價值的參考。

1 風電發展現狀及特點

風能作為一種清潔可再生能源，近年來得到了廣泛的關注和發展。隨著技術的不斷進步和環保意識的增強，風電已經成為全球能源領域的一個重要組成部分[1]。且隨著技術成熟度的提高，風電的發電成本不斷下降。根據IEA 的數據，風電的競爭力不斷增強，其成本已經接近或甚至低于傳統能源，如煤炭和天然氣，這使得風電在電力市場上更具吸引力，也推動了其裝機容量的增長。中國是世界上風電裝機容量最大的國家之一。根據中國國家能源局的數據，截至2020年底，我國的風電裝機容量達到了約281 吉瓦（GW），占全球總裝機容量的大部分。同時，我國每年都在增加大量的風電裝機容量。2020 年，我國新增風電裝機容量達到了約71.7GW，創下歷史新高，這顯示了我國政府支持可再生能源發展的決心。我國的風電發電量也在不斷增加，2020 年，我國的風電發電量超過了4200 億千瓦時，為國內電力供應做出了重要貢獻。而政府也采取了一系列政策來推動風電發展，包括提供補貼、定額發電和可再生能源配額制度等，鼓勵風電項目的建設和投資。

需要指出的是，我國風電行業的快速增長也伴隨著一些挑戰，如電力輸送和儲存的問題、與傳統能源的協調，以及風電發電的不穩定性。但我國政府和行業已經采取措施來解決這些問題，并進一步推動風電產業的發展。隨著時間的推移，我國的風電發展將繼續對國內和全球的能源景觀產生積極影響。

2 考慮大規模風電接入的不確定性因素

2.1 大規模風電出力不確定性

風速的波動性是風電出力最主要的不確定性來源之一，即使在相同地點，風速也會隨著時間而波動，從幾秒到幾分鐘的時間尺度都可能發生變化[2]。這種風速的瞬時波動會直接影響到風電機組的出力。由于風能與風速的三次方關系，小幅度的風速變化也可能導致風電發電量的快速變化，這增加了電力系統的不穩定性。

另外，季節性和氣象變化會對風能資源的可利用性產生顯著影響，不同季節和地理位置的風速和風向模式可能存在差異。例如，在夏季，氣溫升高可能導致低風速期，而在冬季可能出現更多的高風速時段。這種季節性變化會影響不同季節的風電產量，需要考慮季節性的電力系統運行策略。

2.2 發電機容量的不確定性

風電發電機是風力發電系統的核心組件，直接影響著風電系統的能量轉換效率、可靠性和運行成本。因此，保持發電機的高可靠性、提高其性能和降低維護成本都是風電行業的重要挑戰和目標。但是，由于受到種種原因的影響，風電發電機容量存在著一定的不確定性。影響因素之一就是發電機的可靠性，發電機的可靠性問題對于風電發電量的穩定性至關重要。不可預見的機組故障或維護需求可能導致風電機組停機，從而降低了系統的可靠性。這些故障可能包括渦輪機、變速器、電子控制系統等各種組件的故障，可靠性問題不僅會影響風電發電量，還可能導致維修成本和停機時間的增加。

2.3 負荷不確定性

電網規劃方案是在滿足最大負荷需求的前提下制定的，負荷發展預測的準確程度將會對規劃決策的科學性產生直接的影響。負荷預測值的大小不但受到規劃年經濟氣候、政策等多種因素的影響，并且與我國新一代電力系統結構體系息息相關。由于近年來受人類活動、能源結構調整、能源價格波動等因素的影響，未來年負荷預測的不確定性與復雜性將日益增強，對長期負荷的精確預測也變得越來越困難。

3 風電不確定性的處理方法

3.1 機會約束法

機會約束法是一種基于概率的方法，用于處理風電不確定性。它的核心思想是通過確定性的機會約束來約束風電系統的運行，以確保在不確定性條件下仍能滿足電力需求[3]。首先，通過歷史氣象數據和風電場的運行數據進行統計分析，建立風電出力的概率模型，考慮風速和風能的隨機變化。其次，根據電力系統的重要性和可接受的風險水平來確定電力系統的可靠性要求，即在不同概率水平下滿足電力需求的概率。將風電系統的運行問題建模為一個優化問題，目標是最大化期望收益或最小化期望成本，同時滿足可靠性約束。將風電出力的概率分布和可靠性約束轉化為約束條件，加入優化問題中，同時使用數學優化技術求解帶有概率約束的優化問題，以確定最優的風電系統運行策略。

3.2 場景概率法

場景概率的核心思想是將不同的風速和風能場景建模為概率分布，然后通過對這些場景進行采樣來模擬風電系統的運行。首先，根據歷史氣象數據和風電場的運行數據，建立不同風速和風能場景的概率分布，這些場景可以表示不同時間段內的風電出力水平。通過隨機抽樣或蒙特卡羅模擬，從不同的場景中生成隨機樣本，用于模擬風電系統的運行，這些樣本包括不同時刻的風電出力。其次，使用生成的場景樣本來模擬風電系統的運行，包括電力生成、負荷需求、輸電線路狀態等，通過模擬可以得出不同情況下的系統運行結果。最后，對模擬結果進行統計分析，得出風電系統在不同概率水平下的性能指標，如可靠性、經濟性等。基于模擬結果，制定風電系統的運行策略，包括發電機的輸出調整、儲能系統的運行、市場參與等。

4 基于大規模風電接入的電網規劃方案

4.1 總體思路

在面對大規模風電接入時，電網規劃需要制定綜合的總體思路，以確保電力系統的可靠性、經濟性和可持續性。具體應從潮流計算、電源規劃和方案評估等方面入手，形成具有針對性的規劃方案。

1.潮流計算。首先，對電力系統進行詳細建模，包括發電機、輸電線路、變電站、負荷和儲能設備等，這需要考慮電力系統的拓撲結構和參數。建立風電出力的模擬模型，考慮風速和風能資源的不確定性，使用歷史氣象數據和風電場的性能數據來模擬風電出力。隨后進行電力系統潮流計算，分析不同情況下的電壓、電流、功率流動等參數，考慮風電接入后的電力系統穩定性和可靠性。一般來說，潮流計算的過程應該以電網母線的情況為依據來計算PQ 節點、PV 節點等。但在大規模風電接入之后要充分考慮到風電機組的特性，對風力發電過程當中的電壓迭代進行有效的計算，完成PQ 模型和PZ 模型的建立。

2.電源規劃。進行電源規劃時應該以電網狀態、區域用電等相關的數據作為出發點來對未來用電量需求進行一定的預測，確定用電負荷的特性（包括峰值、結構、分布等），全面把握區域用電的情況。選擇適當容量和技術特性的風電機組，考慮風電出力的不確定性和系統需求。同時，在調峰方面，考慮引入儲能系統，包括電池、超級電容器等，以平滑風電出力波動，提供調峰和調頻服務。

3.方案評估。第一，進行經濟性評估，包括成本效益分析、投資回報期等，確保風電接入電力系統的經濟性，并考慮未來運營成本。第二，評估電力系統的可靠性，包括考慮風電不確定性對可靠性的影響，確保系統能夠應對各種運行條件和故障情況。第三，考慮風電接入對環境的影響，包括土地利用、生態保護、碳排放等，制定可持續發展的規劃方案。通過這三個方面的評估，選擇最優的規劃方案。

4.2 規劃要點

4.2.1 依照風電容量，合理設置機組

1.區域規劃是電網規劃的關鍵一步。風電規劃過程中首先要根據風電資源的分布、地形地貌、環境影響等因素，確定風電發電場地的位置和規模，這需要考慮風速和風能資源的分布情況，以便選擇最佳的風電場地。同時，合理分布多個風電場地可以降低系統過載風險，確保電力系統的可靠性。

2.要注重計算風電場的容量，根據容量做好電源接入設計。在接入的過程當中，如果電源距離負荷區域較遠的話，就可以選擇多點接入的方式，保證和提升電網的穩定性和安全性，反之則選擇單點接入即可。此外，選擇適當的風電機組技術是關鍵之一，這包括確定風力渦輪機的容量和風電場的總容量。考慮到風電出力的不確定性，機組技術應具備一定的靈活性和響應能力，以適應風速和風能資源的波動。風力渦輪機的容量應根據風速頻譜和可利用的風能資源來確定。在低風速區域，可以選擇容量較大的渦輪機，而在高風速區域可能需要容量較小的渦輪機，多臺不同容量的渦輪機可以組成一個風電場，以適應不同風速條件。有時則可以考慮將風電與其他可再生能源如太陽能光伏系統結合使用，以平滑可再生能源出力的波動性，這種混合能源系統可以提高電力系統的可靠性和穩定性。同時引入儲能系統可以幫助平滑風電出力，提供調峰和調頻服務，儲能系統的容量和配置也需要根據風電場的規模和性能來確定。

3.進行冗余設計，綜合考慮電網運行狀態、節能減排政策等因素，對規劃方案進行前瞻性評估，形成電量冗余、線路冗余、設備冗余等合理冗余，確保大規模風電并網的科學性與高效性。隨著我國風電研究與開發水平的提升，多能互補并網已是電網發展的必然趨勢，其規劃與設計中的大規模風電接入為電網發展提供了新的契機，需要為風電建設留下足夠的“空間”[4]。

4.2.2 設置配套裝置，做好調峰調頻

1.由于風力發電具有隨機波動、間歇性、可控性差、可預報性差等特性，使得其無法實現與傳統發電單元相同的出力控制[5]。因此，在大規模風電接入之后，需要做好調峰調頻機組的建設，通過調峰電源與大規模風電接入的疊加，確保電網的穩定輸出，并結合電網規劃模型、網損等因素，對大規模風電接入的場景進行合理的預測，充分掌握由于間歇性發電所引起的負荷波動、網損等，并進行相應的動態調節。例如，在能量網格上進行層次分析（AHP），確定多能源情景下的網格時序，進行面向目標網格的動態優化。

2.儲能系統在大規模風電接入中扮演著至關重要的角色。儲能系統可以在電力需求高峰期間釋放存儲的電力，以滿足高負荷需求，減輕電力系統的壓力，有助于防止過載和電力不足的情況發生。儲能系統還可以迅速響應電力系統頻率的變化，提供調頻服務，維持電力系統的穩定性，這對于處理風電出力瞬時波動非常重要。其作為備用電源，當風電出力突然下降或其他設備故障時，儲能系統可以迅速補充電力供應。

3.柔性燃機電站是另一種重要的配套裝置，用于處理風電出力波動。柔性燃機電站可以在短時間內迅速啟動并達到額定功率，以彌補風電出力突然下降的情況，這種快速響應對于維護電力系統穩定性至關重要。此外，這些電站可以靈活調整發電功率，以適應電力系統的需求，它們可以根據風電出力波動進行調整，確保電力平衡。

5 結語

大規模風電接入是實現清潔能源轉型和減少碳排放的重要步驟之一，本文強調了風電作為全球范圍內不斷增長的清潔能源的地位和潛力。然而，我們也要認識到，風電接入伴隨著出力波動和不確定性，需要綜合考慮多種因素來有效管理和規劃。通過機會約束法、場景概率法等處理方法以及合理設置機組和引入配套裝置等規劃要點，可以更好地利用風能資源，確保電力系統的可靠供電，并推動可再生能源的可持續發展。在未來，持續的技術創新和政策支持將進一步推動大規模風電接入的發展，為清潔、可持續的能源未來鋪平道路。