王燕敏，丁志政，陳 婧，高 克

（1.云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338;2.天地電研(北京)科技有限公司，北京 100193）

0 引言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，以風(fēng)電、光伏為代表的新興可再生能源已成為我國能源發(fā)展的重要方向。然而大規(guī)模新能源的接入對電網(wǎng)具有一定的沖擊性[1-3]，同時電網(wǎng)對新能源的消納受多種因素的制約[4-5]。為確定地區(qū)電網(wǎng)新能源最大接納能力，必須確定制約電網(wǎng)最大接納能力的瓶頸因素[6-10]，新能源優(yōu)先本地消納，若本地不能完全消納，則需上送至主網(wǎng)，通過跨區(qū)域輸送通道外送消納。在不考慮諧波、調(diào)峰能力等電能質(zhì)量制約因素時，新能源接入規(guī)模與電網(wǎng)可容量應(yīng)相適應(yīng)：一方面本地電網(wǎng)應(yīng)有足夠的容量裕度接納新增裝機(jī)；另一方面跨區(qū)域輸電線路應(yīng)有足夠的容量裕度外送。

類似中國西北部，風(fēng)、光資源豐富而負(fù)荷水平相對有限的地區(qū)，新能源消納主要靠跨區(qū)域輸電通道外送，如何提升區(qū)域間的輸送能力是相關(guān)地區(qū)關(guān)注的重點。而對于新能源以本地電網(wǎng)消納為主、少量外送（不以大型匯集站上網(wǎng)）的地區(qū)，本地電網(wǎng)的容量裕度是限制新能源接入規(guī)模的核心因素之一。在中國鼓勵發(fā)展新能源，又控制棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的背景下，應(yīng)該合理安排新能源的開發(fā)時序和接入方式，保障新能源接入規(guī)模與電網(wǎng)容量裕度的適應(yīng)性。

基于此，本文提出一種基于容量約束的新能源接納能力計算模型，通過確定新能源上網(wǎng)的容量約束條件，在考慮現(xiàn)狀電源（包括現(xiàn)狀新能源）出力及負(fù)荷水平的情況下，計算各電壓等級電網(wǎng)的剩余容量裕度，為后續(xù)新能源接入規(guī)模及接入方式提供參考，以保障地區(qū)新能源與電網(wǎng)建設(shè)的和諧發(fā)展。

1 基于容量約束的電網(wǎng)新能源接納能力計算模型

對于區(qū)域電網(wǎng)而言，10 kV至110 kV都可能有新能源接入（不考慮220 kV及以上大型匯集站上網(wǎng)），若本地?zé)o法全部消納，電能將送至上級電網(wǎng)消納，本級電網(wǎng)能上送多少新能源與本級線路容量密切相關(guān)，上級電網(wǎng)可接納多少新能源與上級主變?nèi)萘棵芮邢嚓P(guān)?？紤]本地消納后，各級電網(wǎng)還剩余多少容量裕度可供新增裝機(jī)接入是本模型的研究目標(biāo)。

1.1 模型的構(gòu)建

1.1.1 構(gòu)建原則

從電網(wǎng)整體來看，容量卡口一般為區(qū)域最高電壓等級電網(wǎng)，計算各電壓等級電網(wǎng)的接納能力時，宜采用從高電壓等級到低電壓等級的方式。本模型以區(qū)域電網(wǎng)剩余容量裕度為研究對象，與電源開機(jī)方式、負(fù)荷水平、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行方式都密切相關(guān)，為得到電網(wǎng)對新能源的最大接納能力，應(yīng)合理選擇計算時刻。本模型的構(gòu)建主要有以下原則：

（1）選取新能源出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大的時刻進(jìn)行計算；

（2）按電壓等級從高到低的順序進(jìn)行計算。

1.1.2 計算參數(shù)及計算模型

新能源未接入電網(wǎng)時，潮流流向為發(fā)電廠、主網(wǎng)、配網(wǎng)、用戶，從高電壓等級向低電壓等級傳輸。新能源接入電網(wǎng)后，潮流流向可能為新能源電站、配網(wǎng)、主網(wǎng)、配網(wǎng)、用戶。潮流從中壓配網(wǎng)向高壓配網(wǎng)再向主網(wǎng)傳輸?shù)倪^程中，各電壓等級線路容量、變電站容量均會約束上送潮流。電網(wǎng)對新能源的接納能力計算相關(guān)參數(shù)如表 1所示。

表1 接納 能力計算參數(shù)Tab.1 parameter of the mathematical model

注：現(xiàn)狀新能源出力系數(shù)由調(diào)度提供的電廠出力特性曲線推算而來。對于新能源類型豐富的地區(qū)，不同電源出力特性曲線對比能夠反映現(xiàn)狀新能源出力互補(bǔ)的情況，可由現(xiàn)狀新能源出力系數(shù)這一參數(shù)體現(xiàn)。若考慮規(guī)劃新能源與現(xiàn)狀新能源（不同類型）之前的出力互補(bǔ)情況，可選取與本地區(qū)新能源資源情況相似的地區(qū)作為參考，結(jié)合本地區(qū)負(fù)荷特性，給出規(guī)劃新能源的出力系數(shù)，并對現(xiàn)狀新能源的出力系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正。

其中容量約束Sy指約束某一電壓等級電網(wǎng)線路容量及其上級變電容量中的較小值；電廠出力系數(shù)kg指接納能力計算時刻電廠出力與裝機(jī)的比值，該數(shù)值可由地區(qū)電廠出力特性曲線推算出；負(fù)荷系數(shù)kp指接納能力計算時刻電網(wǎng)負(fù)荷與全網(wǎng)最大負(fù)荷的比值，該數(shù)值可由地區(qū)負(fù)荷特性曲線推算出。

接納能力計算公式如下：

1.2 基于容量約束的新能源接納能力計算流程

通常情況下，高電壓等級電網(wǎng)總?cè)萘啃∮诘碗妷旱燃夒娋W(wǎng)總?cè)萘浚萘靠谝壮霈F(xiàn)在地區(qū)最高電壓等級電網(wǎng)，計算各電壓等級電網(wǎng)的接納能力時，宜采用從高電壓等級到低電壓等級的方式。為描述方便，假定研究區(qū)域內(nèi)最高電壓等級為110 kV，以風(fēng)電、光伏為例，新能源接納能力計算流程如圖1所示。

1.2.1 確定新能源接納能力計算時刻

參照模型構(gòu)建原則第1條，新能源出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大的時刻為新能源接納能力計算時刻。通過分析地區(qū)年、日負(fù)荷特性以及新能源出力特性，可確定該時刻。研究的側(cè)重點不同，計算時刻的選取有所區(qū)別。主要分為以下幾種情況：

1）重點研究電網(wǎng)對光伏的接納能力，選取光伏出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大時刻。該情況適用于以光伏裝機(jī)為主、風(fēng)電裝機(jī)占比偏小地區(qū)，風(fēng)電可視作常規(guī)電源考慮出力。

圖1 計算流程圖Fig.1 Calculation process

2）重點研究電網(wǎng)對風(fēng)電的接納能力，選取風(fēng)機(jī)出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大的時刻。該情況適用于以風(fēng)電裝機(jī)為主、光伏裝機(jī)占比偏小的地區(qū)，光伏可視作常規(guī)電源考慮出力。

3）綜合考慮電網(wǎng)對新能源的接納能力。該情況適用于光伏、風(fēng)電都很突出的地區(qū)，通常光伏最大出力出現(xiàn)在午間或午后，但風(fēng)機(jī)最大出力因地而異：

（a）風(fēng)機(jī)最大出力出現(xiàn)在白天，新能源接納能力計算時刻為光伏、風(fēng)電出力疊加最大的時刻；

（b）風(fēng)機(jī)最大出力出線在晚間。由于晚間光伏不出力，新能源接納能力計算時刻應(yīng)包含白天、晚間兩個。白天綜合考慮兩類新能源的出力情況，同情況（a）；晚間選取風(fēng)機(jī)出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大的時刻。

1.2.2 確定負(fù)荷系數(shù)及電源出力系數(shù)

1）確定計算時刻負(fù)荷系數(shù)

根據(jù)地區(qū)負(fù)荷特性曲線，找到計算時刻負(fù)荷值Pi，負(fù)荷系數(shù)為該負(fù)荷值與全年最大負(fù)荷值Pmax的比值：

2）確定計算時刻機(jī)組出力系數(shù)

火電機(jī)組、大型水電機(jī)組出力相對穩(wěn)定，當(dāng)有大量新能源上網(wǎng)時，機(jī)組開停機(jī)方式可由地區(qū)供電公司提供。新能源機(jī)組可根據(jù)其出力特性曲線確定計算時刻出力大小PGi，出力系數(shù)為該時刻的出力與裝機(jī)容量的比值：

1.2.3 計算110 kV及以下新能源接納能力

1）確定容量約束值Sy110

通過110 kV上網(wǎng)的新能源，電能上送需經(jīng)過220 kV主變，220 kV主變?nèi)萘考?20 kV變電站的110 kV出線容量均會約束新能源的上送。即110 kV及以下新能源接納能力的容量約束值為：

其中，∑St220為地區(qū)220 kV主變?nèi)萘恐停芐l110為地區(qū)220 kV變電站的110 kV出線容量之和。

2）計算接納能力

考慮110 kV及以下電廠（包括新能源電站）的出力，考慮110 kV及以下電網(wǎng)負(fù)荷的消納，110 kV及以下新能源接納能力如下：

1.2.4 計算35 kV及以下新能源接納能力

確定計算時刻及機(jī)組出力的方法同上，不再贅述。下面主要介紹35 kV及以下新能源接納能力的算法。

1）確定容量約束值Sy35

通過35 kV上網(wǎng)的新能源，電能上送需經(jīng)過110 kV主變，110 kV主變?nèi)萘考?10 kV變電站的35 kV出線容量均會約束新能源的上送。即35 kV及以下新能源接納能力的容量約束值為：

其中，∑St110為地區(qū)110 kV主變?nèi)萘恐?，∑Sl35為地區(qū)110 kV變電站的35 kV出線容量之和。

2）計算接納能力

考慮35 kV及以下電廠（包括新能源電站）的出力，考慮35 kV及以下電網(wǎng)負(fù)荷的消納，35 kV及以下新能源接納能力如下：

1.2.5 計算110 kV、35 kV新能源接納能力范圍

地區(qū)電網(wǎng)對新能源的總接納能力應(yīng)綜合考慮各電壓等級電網(wǎng)的接納能力，新能源上送的過程中應(yīng)保證潮流不超過各級電網(wǎng)的容量裕度，因此地區(qū)總接納能力取決于各電壓等級接納能力中的最小者。例如某地區(qū)S110及以下=a，S35及以下=b，其中a＜b，則該地區(qū)總體新能源接納能力S=a，即S110+S35≤a。

1）110 kV新能源接納能力范圍

110 kV新能源最大接納能力S110max=S110及以下=a，即所有新能源均從110 kV電壓等級接入。

110 kV新能源接納能力范圍S110=[0，a]。

2）35 kV新能源接納能力范圍

35 kV新能源最大接納能力S35max=min（S35及以下，S）=a，即所有新能源均從35 kV電壓等級接入.

35 kV新能源接納能力范圍S35=[0，a]。

2 算例

本文選取A市為例，該市電源以水電和光伏為主（無火電廠，即接納能力計算公式中，常規(guī)電源裝機(jī)PGC僅包含水電裝機(jī)），該市水電最大出力時間集中在8月，即夏季豐水期；光伏出力全年波動較為明顯，8月至9月相對較大，全天最大出力集中在午間12時至14時。

A市全年最大負(fù)荷出現(xiàn)在冬季，4月回暖用電負(fù)荷明顯下降，4月至10月負(fù)荷波動較小，10月之后負(fù)荷開始上升。該市今年來日負(fù)荷曲線如圖 2所示，由日負(fù)荷曲線可知，該市日負(fù)荷較平穩(wěn)，波峰與波谷差距較小，最大負(fù)荷分別出現(xiàn)在上午8時及晚間20時左右。

圖2 A市日負(fù)荷曲線Fig.2 daily load curve of city A

綜合來看，夏季午間為該市光伏出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大的時刻。通過計算，該市夏季午間負(fù)荷約為最大負(fù)荷的45%，即負(fù)荷系數(shù)kp=45%。結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況，確定該市在夏季午間各類裝機(jī)出力系數(shù)，如表 2所示。

表2 A市夏季午間各類裝機(jī)出力系數(shù)Tab.2 The efficiency coefficient of generators at noon in summer

參照新能源接納能力計算流程，對該市110 kV、35 kV新能源接納能力進(jìn)行計算，如表 3、表 4所示。

表3 A市110 kV及以下新能源接納能力Tab.3 The new energy acceptance capacity of 110 kV and below

表4 A市35 kV新能源接納能力Tab.4 The new energy acceptance capacity of 35 kV and below

通過計算可知，A市110 kV新能源最大接納能力S110max=S110及以下=136.79 MW；35 kV新能源最大接納能力 S35max=min（S35及以下，S110及以下）=136.79 MW。即 A市現(xiàn)狀電網(wǎng)對新能源的總接納能力為136.79 MW，兩個電壓等級接入新能源的容量之和不超過136.79 MW。從計算結(jié)果還能看出，A市的電網(wǎng)容量瓶頸主要為220 kV變電容量，若今后該市繼續(xù)發(fā)展新能源，應(yīng)重點關(guān)注220 kV變電容量約束，結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃，適當(dāng)增加220 kV變電站布點。

3 結(jié)語

本研究提出了基于容量約束的新能源接納能力計算模型，該模型選取新能源出力與電網(wǎng)負(fù)荷差值最大時刻為計算節(jié)點，從高電壓等級到低電壓等級依次計算新能源的接納能力，找到限制地區(qū)新能源接入的容量瓶頸，為地區(qū)電網(wǎng)與新能源的適應(yīng)性發(fā)展提供建設(shè)依據(jù)。并以A市例，計算A市在現(xiàn)狀電網(wǎng)的新能源接納能力，主要結(jié)論如下：

（1）地區(qū)電網(wǎng)新能源總接納能力取決于各電壓等級接納能力中的最小值；

（2）各電壓等級新能源接納能力之和處于一種動態(tài)平衡，110 kV電網(wǎng)多接入，35 kV電網(wǎng)則少接入，二者之和不應(yīng)大于地區(qū)總接納能力；

（3）A市對110 kV及以下新能源的消納能力主要受220 kV變電容量的限制，若該地區(qū)繼續(xù)大力發(fā)展新能源，應(yīng)當(dāng)配合電網(wǎng)規(guī)劃增加220 kV變電容量。

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