王世謙 司瑞華 孫思培

（國網(wǎng)河南省電力公司電力經(jīng)濟技術研究院，鄭州 450052）

基于多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估方法

王世謙 司瑞華 孫思培

（國網(wǎng)河南省電力公司電力經(jīng)濟技術研究院，鄭州 450052）

合理評估中長期規(guī)劃電網(wǎng)的風電消納能力，對于指導風電產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展、規(guī)避“棄風”現(xiàn)象發(fā)生，提升源網(wǎng)協(xié)同水平等具有重要現(xiàn)實意義。本文綜合考慮系統(tǒng)調峰、靜態(tài)安全、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定性等約束，借助反映資源裕度、外送通道裕度、電壓穩(wěn)定裕度的待選風電場并網(wǎng)點優(yōu)選指標，提出了一種多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估方法。以某省實際規(guī)劃電網(wǎng)為例，驗證了所提方法的有效性與可行性。

消納能力；多并網(wǎng)點；綜合評估；電網(wǎng)規(guī)劃；風力發(fā)電

大力發(fā)展風電已成為我國當前深入推進能源供給革命、優(yōu)化能源結構、構建清潔低碳能源體系的重大戰(zhàn)略舉措。與此同時，風電開發(fā)主要由資源及建設條件所主導，并未充分考慮擬接入電網(wǎng)的運行特點、規(guī)劃情況，以及規(guī)?；L電并網(wǎng)運行后其隨機性、波動性給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來的影響，源網(wǎng)規(guī)劃、建設脫節(jié)下的棄風問題愈發(fā)突出。為此，綜合考慮限制電網(wǎng)消納風電的多重因素及特點，合理評估規(guī)劃期內電網(wǎng)消納風電的能力，對于指導風電產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展、規(guī)避“棄風”現(xiàn)象發(fā)生，提升源網(wǎng)協(xié)同水平具有重要的意義。

目前，已有大量文獻研究風電消納能力評估模型[1-6]，但現(xiàn)有文獻的核心思路集中在，假設風電場并網(wǎng)點已知，進而立足調度運行、時序模擬視角建立評估模型。對于規(guī)劃電網(wǎng)而言，目標地區(qū)往往無法獲取準確的風電場并網(wǎng)點和風電時序數(shù)據(jù)，且已有的時序模擬方法在數(shù)學上存在諸多強制性假設，使得現(xiàn)有成果具有較強的局限性。

為此，本文立足電網(wǎng)規(guī)劃視角，針對風電場并網(wǎng)點和風電時序數(shù)據(jù)缺乏的情況，結合不同約束條件的特點，建立了一種多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估方法，給出了計算流程。最后，以某省實際規(guī)劃電網(wǎng)為例，驗證了方法的合理性。

1 影響規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力的因素

立足電網(wǎng)規(guī)劃視角，電網(wǎng)消納風電的能力主要受到調峰、靜態(tài)安全、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定等約束[7-13]，且各約束條件呈現(xiàn)不同的特點。調峰約束主要與電網(wǎng)的電源結構、負荷特性、跨區(qū)聯(lián)絡線功率交換能力有關，而不受風電場并網(wǎng)點的限制。靜態(tài)電壓穩(wěn)定、靜態(tài)安全約束、暫態(tài)穩(wěn)定約束與風電場并網(wǎng)點的位置密切相關，其中，靜態(tài)安全約束和靜態(tài)電壓穩(wěn)定主要用于確保一定容量的風電機組并網(wǎng)運行后，電網(wǎng)的各支路傳輸功率、各節(jié)點電壓均在合理范圍內，暫態(tài)穩(wěn)定約束主要用于驗證風電接入后的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

為此，對于規(guī)劃電網(wǎng)的風電消納能力評估，可以首先計算規(guī)劃年基于調峰約束的風電消納能力，其次基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束和靜態(tài)安全約束確定各待選并網(wǎng)點的風電場容量，最后以暫態(tài)穩(wěn)定約束驗證電網(wǎng)的風電消納能力，從而保證風電并網(wǎng)后電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

需要說明的是，當一個電網(wǎng)有多個待選并網(wǎng)點時，各并網(wǎng)點的消納能力相互影響[14]。為此，需要綜合考慮各待選并網(wǎng)點的無功電壓、送出能力、風能資源等裕度，合理確定開展靜態(tài)安全、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定等約束評估的前后順序。

2 規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估方法

2.1 規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估模型

規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估的基本思路是，計及調峰約束、靜態(tài)安全約束、靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束，暫態(tài)穩(wěn)定約束的不同特點，在基于調峰約束獲取規(guī)劃年電網(wǎng)的風電消納能力限值的基礎上，圍繞各待選并網(wǎng)點迭代開展靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束、靜態(tài)安全約束、暫態(tài)穩(wěn)定約束的多重校核，以獲取各待選并網(wǎng)點可消納的最大風電裝機容量，進而累加獲取整個電網(wǎng)的風電消納能力。

根據(jù)分析，規(guī)劃電網(wǎng)的風電消納能力Sw有

式中，Swi為待選風電場并網(wǎng)點i的風電裝機容量；Nw為待選風電場并網(wǎng)點的集合。

與目標函數(shù)相對應的約束條件主要包括：

（1）潮流等式約束

式中，Ns為節(jié)點集合，Pgi、Qgi為節(jié)點i注入的有功、無功，Pwi、Qwi為風電注入的有功、無功，PLi、QLi為節(jié)點的有功、無功負荷，Ui、Uj為節(jié)點i、j的電壓；Gij、Bij為支路i-j導納的實部、虛部；θij為支路i-j相角差。

（2）資源約束

式中，Sri為待選并網(wǎng)點i可利用的風資源限值。

（3）調峰約束

式中，Sp為基于調峰約束獲取的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力限值。

（4）靜態(tài)安全約束

式中，Plmax為線路i的最大傳輸功率，Pgimax、Pgimin分別為發(fā)電機i有功上下限，Nl、Ng分別為線路、發(fā)電機節(jié)點的集合。

（5）節(jié)點電壓約束

式中，Uimax和Uimin分別為待選并網(wǎng)點i的節(jié)點電壓上下限。

（6）短路電流約束

式中，Isi和ISN分別為節(jié)點i的短路電流和斷路器開斷容量。

2.2 待選并網(wǎng)點的優(yōu)選

對于待選風電場并網(wǎng)點的選取順序，本文綜合考慮與并網(wǎng)點相關的電壓無功裕度、送出線路裕度和風電資源裕度，建立了一個綜合優(yōu)選指標，通過獲取該指標的最大值來確定每輪次增加擬風電裝機容量的并網(wǎng)點。

待選風電場并網(wǎng)點i的綜合優(yōu)選指標為

式中，ΔQi為待選并網(wǎng)點i的風電容量增加ΔP后，系統(tǒng)電壓最薄弱點的無功裕度，以系統(tǒng)功率基準為基準，取標幺值。無功裕度大于0表示系統(tǒng)無功不足，其指標前加負號。Plsi為待選并網(wǎng)點i的送出線路中負載率最高線路的送出線路功率極限與負載的差值，以線路的傳輸功率極限為基準，取標幺值。Pri為待選并網(wǎng)點i的風資源限值與現(xiàn)有容量的差值，以系統(tǒng)功率基準為基準，取標幺值。為各指標的權重系數(shù)，算例中分別取為0.5、0.25、0.25。

2.3 多并網(wǎng)點協(xié)同的風電消納能力綜合評估流程

綜合本文2.1、2.2節(jié)內容，可建立如圖1所示的多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力評估流程。

圖1 多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力評估流程

3 算例分析

本節(jié)基于我國某實際電網(wǎng)，通過獲取其2020年規(guī)劃方案的風電消納能力，驗證算法的可行性。

結合年最大負荷、常規(guī)機組裝機容量及調峰邊界，基于調峰約束，該算例電網(wǎng)的風電消納限值為1560MW。2020年，算例電網(wǎng)中的風電場集中在兩塊區(qū)域，擬選并網(wǎng)點主要有9個，如圖2所示。其中，實線代表220kV輸電線路，虛線代表110kV。

基于電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型、規(guī)劃各風電場的風資源容量，運用BPA軟件，2020年算例電網(wǎng)各待選并網(wǎng)點的最大風電裝機容量計算過程見表1。

圖2 算例地區(qū)風電場并網(wǎng)圖

表1 算例電網(wǎng)各待選并網(wǎng)點的風電消納能力

對各待選并網(wǎng)點獲取的累計風電裝機容量進行暫穩(wěn)驗證，結果表明，風電并網(wǎng)后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。因此，算例電網(wǎng)的各待選并網(wǎng)點的最大風電裝機容量見表2。

表2 算例電網(wǎng)各待選并網(wǎng)點的最大風電裝機容量

由表2可知，在調峰約束的基礎上，進一步開展靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束、靜態(tài)安全約束、暫態(tài)穩(wěn)定約束等迭代校核，算例電網(wǎng)的風電消納能力由調峰約束下的 1560MW降低至 1106MW，即該算例電網(wǎng)2020年度的風電消納能力最終為1106MW。

4 結論

本文立足電網(wǎng)規(guī)劃視角，結合限值電網(wǎng)消納風電約束的不同特點，借助反映資源裕度、外送通道裕度、電壓穩(wěn)定裕度的待選風電場并網(wǎng)點優(yōu)選指標，提出了一種多并網(wǎng)點協(xié)同的規(guī)劃電網(wǎng)風電消納能力綜合評估方法。算例分析驗證了方法的可行性。本文提出的評估方法可作為相關部門確定風力發(fā)電發(fā)展規(guī)模的工具，也可應用于電網(wǎng)規(guī)劃和運行調度。下一步，將結合規(guī)?；L電并網(wǎng)運行對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性影響進行深化研究。

[1]李鵬波,羅榮鈞,牟春曉,等.基于機組組合的風電消納能力研究[J].電工電能新技術,2015,34(8)：25-31.

[2]賈文昭,康重慶,李丹,等.基于日前風功率預測的風電消納能力評估方法[J].電網(wǎng)技術,2012,36(8)：69-75.

[3]凡鵬飛,張粒子,謝國輝.充裕性資源協(xié)同參與系統(tǒng)調節(jié)的風電消納能力分析模型[J].電網(wǎng)技術,2012,36(5)：51-57.

[4]康重慶,賈文昭,徐乾耀,等.考慮網(wǎng)絡安全約束的實時風電消納能力評估[J].中國電機工程學報,2013,33(16)：23-29.

[5]劉暢,吳浩,高長征,等.風電消納能力分析方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(4)：61-66.

[6]呂泉,王偉,韓水,等.基于調峰能力分析的電網(wǎng)棄風情況評估方法[J].電網(wǎng)技術,2013,37(7)：1887-1894.

[7]張寧,周天睿,段長剛,等.大規(guī)模風電場接入對電力系統(tǒng)調峰的影響[J].電網(wǎng)技術,2010,34(1)：152-158.

[8]王芝茗,蘇安龍,魯順.基于電力平衡的遼寧電網(wǎng)接納風電能力分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(3)：86-90.

[9]Nick M,Riahy G H,Hosseinian S H,et al.Wind power optimal capacity allocation to remote areas taking into account transmission connection requirements[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(5)：347-355.

[10]Matevosyan J.Wind power integration in power systems with transmission bottlenecks[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting,2007：1-7.

[11]Palsson M I,Toftevaag T,Uhlen K,et al.Large-scale wind power integration and voltage stability limits in regional networks[C]//2002 IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY SUMMER MEETING,VOLS 1-3,CONFERENCE PROCEEDINGS,2,2002：762-769.

[12]El S M,Badr M L,Rassem O M.Impact of large scale wind power on power system stability[C]//12th International Middle-East Power System Conference,2008：630-636.

[13]韓小琪,宋璇坤,李冰寒,等.風電出力變化對系統(tǒng)調頻的影響[J].中國電力,2010,43(6)：26-29.

[14]Bakhtvar M,Keane A.Optimal allocation of wind Generation subject to voltage stability constraints[C]//2013 4TH IEEE/PES INNOVATIVE SMART GRID TECHNOLOGIES EUROPE (ISGT EUROPE),2013：1-5.

Comprehensive Assessment Method of Wind Power Accommodation Capacity based on Multiple Connection Point’s Collaboration

Wang Shiqian Si Ruihua Sun Sipei
(State Grid He’nan Economic Research Institute,Zhengzhou 450052)

Accurately assessing the capability of wind power accommodation of one power grid is conductive to the Healthy and orderly development of wind power industry,avoid the waste of wind resource，enhance the collaborative development level of power grid and power source.Considering the peak regulation,static security,steady voltage stability,transient stability constraints of power system,the paper gives a comprehensive preferred indicator to meet the assessment needs,and then,a comprehensive assessment method of the capability of wind power accommodation of one power grid is proposed,in which contain a number of connection points for wind farms.An actual planning power grid is taken as an example to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.

wind power wind power penetration capacity；multiple connection points；comprehensive assessment method；power grid planning；wind power

王世謙（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)分析。