陳巨龍，李震,2

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴陽550002；2.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽550002）

0 前言

近年來，我國新能源的快速建設(shè)和發(fā)展，在能源總消耗量一定的情況下，很大程度上減少了傳統(tǒng)化石能源的消耗，有利于氣候變化，更有利于環(huán)境保護(hù)。

由于風(fēng)、光等新能源出力具有隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，大量的新能源并網(wǎng)發(fā)電，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行增加了難度，也帶來了如何消納大規(guī)模新能源的難題[1-4]。

文章介紹了南方電網(wǎng)新能源現(xiàn)狀，分析了南方電網(wǎng)新能源消納情況，闡述了新能源消納能力量化分析方法，并選取實(shí)際運(yùn)行場景進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，提出了南方電網(wǎng)在應(yīng)對大規(guī)模新能源消納方面需采取的措施。

1 南方電網(wǎng)新能源現(xiàn)狀

截至2016年底，南方電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量為277343 MW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量為15449 MW，光伏容量為3780 MW，風(fēng)電占比近5.6%，光伏占比近1.4%，其中風(fēng)光均集中在南方Y(jié) 省，該省截至2016年底新能源裝機(jī)容量9756 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量7843 MW，占比9.6%，光伏容量1913 MW，占比2.3%。Y 省風(fēng)電場共83座，調(diào)管模式為省中調(diào)直調(diào)和“省地共調(diào)”兩種模式，但均由省中調(diào)統(tǒng)一管理。

南方電網(wǎng)新能源納入各省電力平衡，因此分析南方電網(wǎng)新能源消納情況，重在分析Y省電網(wǎng)的新能源消納能力。又因光伏占比較小，且光伏負(fù)荷曲線一般情況下為白日半球弧線，可預(yù)測性較強(qiáng)，也不存在反調(diào)峰特性，因此，本文主要分析南方電網(wǎng)風(fēng)電消納情況。

2 風(fēng)電消納與調(diào)峰情況分析

2016年，Y 省棄風(fēng)電量6.41億kWh，棄風(fēng)率4.17%，棄風(fēng)電量同比增加333%，棄風(fēng)率同比增加2.7個(gè)百分點(diǎn)。棄風(fēng)主要發(fā)生在Y 省A市和B市兩個(gè)地區(qū)，其中A 市棄風(fēng)電量3.14億kWh，占總棄風(fēng)電量比例為49%，B市棄風(fēng)電量3.2億kWh，占總棄風(fēng)電量比例為50%。其余地區(qū)棄風(fēng)較少，僅占總棄風(fēng)電量1%，原因主要為部分時(shí)段網(wǎng)絡(luò)受限。經(jīng)過分析，Y省電網(wǎng)棄風(fēng)原因如下：

A 地區(qū)棄風(fēng)原因風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模較大，送出斷面容量較小。在2016年下半年之前，該地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)為522.75 MW，最高用電負(fù)荷為270 MW，由于該地區(qū)同時(shí)還有水電送出需求，考慮風(fēng)電與水電發(fā)電的同時(shí)率后仍有富余，大量電力需外送。但送出通道僅有220 kV 的線路，送出斷面受穩(wěn)定限制，控制極限為280 MW，風(fēng)電電力最大受阻約190 MW。而在2016年下半年，斷面送出極限提升至850 MW，風(fēng)電送出幾乎不受限。

B地區(qū)棄風(fēng)原因?yàn)轱L(fēng)電場投產(chǎn)速度快且接入較集中，電網(wǎng)送出通道建設(shè)滯后。該地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)達(dá)到1007 MW，但該地區(qū)負(fù)荷需求小，最高用電負(fù)荷僅75 MW，發(fā)電能力遠(yuǎn)大于地區(qū)負(fù)荷需求，絕大部分電力需通過220 kV 輸電斷面外送，該斷面受220 kV 和熱穩(wěn)極限（800 A）限制,斷面控制最大值僅為280 MW，因此電力外送受阻比較嚴(yán)重，考慮風(fēng)電出力的同時(shí)率，送出受阻最大約300 MW。

截止目前，Y 省雖未出現(xiàn)因調(diào)峰原因產(chǎn)生的受限棄風(fēng)情況，但該省風(fēng)電最大日峰谷差高達(dá)3730 MW，風(fēng)電日峰谷差占日發(fā)電最大出力比例達(dá)到20.6%，日間最大電量偏差7658萬kWh，兩日最大電量偏差9324萬kWh，日間電量偏差占全網(wǎng)日發(fā)電量比例最大15.73%，兩日電量偏差占全網(wǎng)日發(fā)電量最大占比23.71%。風(fēng)電明顯的隨機(jī)性、間歇性及反調(diào)峰等特性，預(yù)測難度大，給電力電量平衡日前安排、日內(nèi)調(diào)控帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也給調(diào)度運(yùn)行人員提出了更高的要求。為此，必須深入研究應(yīng)對風(fēng)電消納的手段，通過量化分析的方法計(jì)算風(fēng)電消納的能力。

3 風(fēng)電消納能力量化分析方法

考慮Y省裝機(jī)主要為蓄水式水電、火電、風(fēng)電、光伏、徑流式小水電等，為風(fēng)電消納提供調(diào)節(jié)能力的主要為蓄水式水電（以下簡稱水電）和火電。為簡化分析[5-7]，將發(fā)電機(jī)組分為水電、火電、風(fēng)電及其他發(fā)電機(jī)組，將網(wǎng)損及廠用電納入省內(nèi)負(fù)荷，可得時(shí)段t 內(nèi)電力實(shí)時(shí)平衡等式：

式中，PH,j,t、PT,k,t、PW,m,t、Pother,t分別表示時(shí)段t 內(nèi)某個(gè)水電廠、火電廠、風(fēng)電場及其他發(fā)電機(jī)組的有功出力，Pin,t、PLine,t分別表示時(shí)段t 內(nèi)省內(nèi)、外送聯(lián)絡(luò)線有功負(fù)荷[8-9]。

由于Y 省無抽水蓄能等儲能電站，因此在分析風(fēng)電消納能力時(shí)，可將省內(nèi)負(fù)荷PLine,t視為常數(shù)，忽略其他發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)能力，可得時(shí)段t內(nèi)省區(qū)電網(wǎng)上、下調(diào)節(jié)裕度Mupsafe,t、Mdownsafe,t分別為：

省區(qū)電網(wǎng)為應(yīng)對機(jī)組異常或負(fù)荷波動(dòng)等不確定性影響，時(shí)段t 內(nèi)需預(yù)留上、下旋轉(zhuǎn)備用則時(shí)段t 內(nèi)新能源上、下消納裕度分別為：

4 約束條件

約束條件包括電廠自身發(fā)電能力約束及網(wǎng)絡(luò)安全約束[10-12]，綜合考慮，可以歸納為以下三種情況：

4.1 限制單個(gè)電廠出力的情況

設(shè)定省區(qū)電網(wǎng)共有Gj個(gè)水電廠，時(shí)段t 內(nèi)第i個(gè)水電廠的約束條件為：

設(shè)定省區(qū)電網(wǎng)共有Gk個(gè)火電廠，時(shí)段t 內(nèi)第k 個(gè)火電廠的約束條件為：

4.2 限制區(qū)域電網(wǎng)斷面潮流的情況

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)僅有發(fā)電廠時(shí)，多個(gè)電廠互聯(lián)后經(jīng)同一通道并網(wǎng)，為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，往往需要控制這一通道的潮流，此時(shí)，可將控制通道潮流分解為控制區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)多個(gè)電廠出力[13-15]，假設(shè)省區(qū)電網(wǎng)共有Ai個(gè)這樣的區(qū)域電網(wǎng)，且區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)僅有水電廠、火電廠、風(fēng)電場，則時(shí)段t 內(nèi)約束條件為:

當(dāng)k=K,K∈[1,2,3....Gk]，若第k 個(gè)火電廠在第i 個(gè)斷面約束區(qū)內(nèi)且參與斷面控制時(shí)，AT取1，否則取0。當(dāng)m=M,M∈[1,2,3....Gm]，若第M個(gè)風(fēng)電場在第i 個(gè)斷面約束區(qū)內(nèi)且參與斷面控制時(shí)，AW取1，否則取0。

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)不僅有發(fā)電廠，還有用戶負(fù)荷時(shí)，控制斷面為區(qū)域電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)通道，此時(shí)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電廠出力與負(fù)荷相互影響，則時(shí)段t 內(nèi)約束條件為：

式中PL,i,t為第i個(gè)斷面控制區(qū)域電網(wǎng)時(shí)段t內(nèi)有功負(fù)荷總和，雖然負(fù)荷具有隨機(jī)波動(dòng)性，但是可以通過采集相關(guān)廠站的主變、線路等設(shè)備的潮流數(shù)據(jù)計(jì)算而來，在此可認(rèn)為是常數(shù)。

5 運(yùn)行實(shí)例

2017年2月5日夜間負(fù)荷低谷時(shí)段，Y 省風(fēng)電大發(fā)，給該省中調(diào)調(diào)峰均帶來了困難，最終申請總調(diào)支援，才保證了風(fēng)電的全額消納。2017年2月15日白天負(fù)荷高峰時(shí)段，Y 省因風(fēng)電少發(fā)較多，申請總調(diào)安排直調(diào)電廠支援，才實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)后留足安全裕度情況下的電力平衡。下面以這2個(gè)調(diào)峰最為困難的實(shí)際運(yùn)行場景為例，對Y 省調(diào)峰與風(fēng)電消納情況進(jìn)行說明。

5.1 因風(fēng)電多發(fā)申請調(diào)減C水電廠出力

2017年2月5日夜間負(fù)荷低谷時(shí)段，Y 省風(fēng)電大發(fā)，最大出力達(dá)到3818 MW，比計(jì)劃高1100 MW?；痣娋鶞p至最低穩(wěn)燃出力，除徑流式電廠、保障生態(tài)流量電廠和主調(diào)頻電廠機(jī)組外的有調(diào)節(jié)性能的水電廠機(jī)組均已停機(jī)，Y省內(nèi)頻率下調(diào)節(jié)備用緊張，頻率調(diào)節(jié)困難，為保證相關(guān)備用滿足異步聯(lián)網(wǎng)方式下頻率調(diào)控要求，避免棄風(fēng)，Y省中調(diào)向總調(diào)申請1點(diǎn)15分至7點(diǎn)30分調(diào)減C水電廠出力300 MW。

5.2 因風(fēng)電少發(fā)申請?jiān)黾覦水電廠出力

2017年2月15日白天，Y省風(fēng)電出力在凌晨5點(diǎn)以后逐步下降，在晚峰時(shí)段僅有1900 MW，較計(jì)劃偏低900 MW，在23點(diǎn)40分時(shí)，風(fēng)電出力僅為1573 MW，風(fēng)電當(dāng)日峰谷差高達(dá)1556 MW，而且呈明顯的反調(diào)峰特性。在省內(nèi)水電廠水位較低，出力緊張情況下，Y省在早峰、晚峰時(shí)段安排火電廠滿發(fā)，增加火電機(jī)組出力360 MW。在火電上調(diào)節(jié)能力全部調(diào)出后，綜合考慮省內(nèi)風(fēng)電偏差、負(fù)荷等情況后，Y 省中調(diào)向總調(diào)申請D水電廠增加出力，從6點(diǎn)15分開始，D水電廠提前增加至1800 MW出力。

6 結(jié)束語

截止目前，南方電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電除局部因網(wǎng)絡(luò)阻塞受限的情況外，還未發(fā)生因調(diào)峰因素影響的棄風(fēng)事件，這不僅說明南方電網(wǎng)有著比較充足的風(fēng)電消納能力，也說明南方電網(wǎng)各級調(diào)度計(jì)劃編制人員及調(diào)度運(yùn)行控制人員為消納風(fēng)電而做出的努力工作。但是，清潔能源仍將高速發(fā)展，風(fēng)電投產(chǎn)占比加大，例如2017年南方電網(wǎng)計(jì)劃凈新增裝機(jī)容量15978 MW，其中風(fēng)電機(jī)組3244 MW，占比高達(dá)20%。這將加大風(fēng)電消納的困難。因此，為提高南方電網(wǎng)風(fēng)電消納水平，需要量化分析風(fēng)電消納能力。通過量化計(jì)算風(fēng)電消納上、下裕度，可以合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式及各類機(jī)組開機(jī)方式，在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，優(yōu)化考慮風(fēng)電消納能力最大化，為風(fēng)電消納提供充足的上下調(diào)節(jié)空間。通過實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)電消納上、下裕度，調(diào)度運(yùn)行人員根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，可以有效發(fā)揮總調(diào)及南網(wǎng)大平臺的協(xié)調(diào)作用，考慮總調(diào)直調(diào)機(jī)組參與省內(nèi)平衡，考慮省間互助容量，盡力保證風(fēng)電最大額度消納，也為調(diào)度運(yùn)行人員應(yīng)急實(shí)時(shí)控制提供有效的手段。