儲能裝置對電網供電能力提升的研究

李桃+郝雨辰

摘 要：提升分區供電能力是電網規劃設計的重要目標，文章以江蘇電網作為研究對象，在詳細闡述現有電網分區結構的基礎上，針對鹽城分區這類風電場接入較多的分區電網，研究儲能技術對于解決風電大規模并網對電網影響的作用，算例分析表明儲能裝置能有效提升電網供電能力，具有良好的應用前景。

關鍵詞：供電能力；風力發電；儲能裝置

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0185-02

引言

電網規模的不斷發展，雖然有利于能源利用、增加系統備用容量、減少事故損失，但電磁環網增加了系統短路容量，局部故障容易引起大范圍停電事故的發生，因此，電網的分層分區勢在必行。

電網分區是指以受端系統為核心，通常將500千伏主變作為受電點，將外部電源連接到220千伏受端系統，形成一個供需基本平衡的區域，并經聯絡線與相鄰區域相連。隨著500千伏主變受電容量的增大，分區內裝機容量的提高，在提升分區供電能力的同時也導致分區短路電流水平的變大，成為制約分區結構和規模的關鍵因素；另一方面，受負荷分布、電源分布的影響，分區內部潮流分配不均，造成分區供電能力無法充分發揮[1]。因此，提升電網供電能力是電網規劃設計亟需解決的問題。

文獻[1]對基于多端柔性直流的電網供電能力提升進行了研究并提出應用方案；文獻[2]針對分區內部潮流分布不均的現象，提出利用統一潮流控制器提升電網供電能力的新技術；文獻[3，4]針對城市中心電網建設困難的客觀因素，從提升電廠效應、增加變電容量、改善供電網絡、優化主變壓器站間聯絡結構等環節，提出提升城市中心電網供電能力的有效措施。

上述文獻提出了提升電網供電能力的一般方法，但隨著以風電為代表的新能源的大規模接入，風電出力波動大、隨機性強的特征給分區供電能力帶來了新的影響，因此，本文針對此問題研究儲能裝置對提升電網供電能力的作用。

1 江蘇電網典型分區結構

江蘇電網逐步實現以500千伏變電站為中心、220千伏電網分區運行的模式，典型分區結構包括以下三種類型。

對于較早投運的低阻抗主變的500千伏變電站采用一座500千伏變電站供一個片區的方式，若片區內220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關打開，如圖1（a）所示。

新建500千伏變電站在短路電流、潮流可控前提下，均采用2座及以上500千伏變電站供一個片區的方式，220千伏電網為雙回路環網結構，如圖1（b）所示。若片區內220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關打開。

采用2座及以上500千伏變電所供一個片區內的方式，220千伏電網為雙回路鏈式結構，如圖1（c）所示。若片區內220千伏短路水平較高時可將500千伏變電站220千伏母線分段開關打開。

2 儲能裝置對供電能力提升的研究

近年來，風力發電在國內發展迅速，江蘇沿海地區已建設并規劃了大規模風電場接入江蘇電網。由于風力資源本身的不確定性及其發電特性與系統用電負荷特性的不一致性，需要電網為風電提供足夠的備用容量，以彌補風力發電能力的突然變化以及預期外的功率失衡，大規模的新能源接入對系統的調頻和調峰能力提出了較高的要求。目前江蘇投運的并網風電場出力波動隨機性較強，無法與地區負荷相匹配，無法實現削峰、填谷功效，在一定程度上惡化了電網的負荷特性，加劇了負荷的峰谷差率，增加系統的調峰壓力。夜間電網負荷低谷時往往是風電場出力較高的時段，如果不限制風電場的出力，必須減少其他常規機組的輸出功率。不斷增長的分鐘級負荷波動還要安排更多的常規機組參與調頻，可見，倘若不限制風電場出力同時又要維持電網的安全可靠運行，系統不得不將部分負荷從高效機組轉向高成本的調頻或經濟調度機組，反而會提升電網電源的發電成本，降低發電效率。

儲能技術主要研究利用儲能系統（Energy storage system，ESS）將電能轉換為化學能、勢能、電磁能等形態進行存儲，并在需要時重新轉換為電能釋放的技術。ESS通過合理設計控制策略，其可以動態吸收能量并適時釋放，從而實現功率的實時調節。由于ESS一般同時具有有功和無功的調節能力，在風電系統中適當配置ESS，可以有效提高風電功率的可控性，從而達到提高系統穩定水平，改善電能質量及優化電力系統經濟運行等目的。通過儲能技術合理利用風電場所發電力，亦可提高分區供電能力，且減少500千伏主變及其他電源的建設。

3 算例研究

江蘇沿海地區擁有豐富的風力發電資源，其中鹽城地區規劃建設成為千萬千瓦級的風力發電基地。根據規劃，至2020年鹽城地區風電、光伏規劃總裝機容量約為8900MW，遠景裝機將達到17000MW以上。

考慮到風電場出力的隨機性，目前電網規劃設計中，計算高峰負荷下500千伏變電容量需求時，不考慮風電出力；低谷負荷時，需要考慮風電場80%出力時的風電消納問題。這就導致了一方面為了滿足負荷高峰時的供電需求要新增500千伏變電容量，另一方面為了滿足負荷低谷時的風電消納可能還需要新增500千伏變電容量。

根據調研，目前鹽城地區風電出力率在20%及以下的概率約為63%，出力率在20%～60%的概率約為30%，出力率在60%以上的概率僅不到7%。因此，可考慮將風電場置信容量設定為裝機容量的20%。鹽城地區負荷高峰一般出現在0點至8點，但風電場出力是隨機的，每天的風電出力高峰時段都不一樣，無規律可循。若風電出力高峰出現在負荷低谷時段，可考慮將部分風電出力儲存下來為接下來的凌晨負荷高峰提供電力支撐。

目前還未見應用于110千伏及以上的儲能系統，因此儲能裝置考慮裝設在風電場35千伏匯集系統側，考慮磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的成本分別為3-4元/Wh和1元/Wh。若采用價格較低的鉛酸電池作為風電場儲能，在高峰負荷時提供約400MW電力支撐，緩解高峰2小時的供電壓力，共需投資花費約8億元。

2020年鹽城地區風電裝機總容量約為8060MW，置信容量為1612MW，可減少約2臺1000MVA主變的建設，不僅大大提高了鹽城電網供電能力，且不增加電網短路電流水平，不過投資也十分巨大。

4 結束語

本文以分區供電能力提升作為研究對象，在闡述江蘇電網典型分區結構的基礎上，著眼于鹽城分區這類風電大規模接入的地區電網，提出將儲能技術應用于此，可提高風電場的置信容量，充分利用風電場所發電力削峰填谷，可提高供電可靠性和供電能力，不過投資也非常高。隨著技術進一步發展和設備價格下降，未來將有更廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]竇飛，汪惟源，楊林，等.基于多端柔性直流的電網供電能力提升研究[J].電力與能源，2017，38（1）：12-15.

[2]劉建坤，李群，陳靜，等.基于UPFC的供電能力提升技術及其在江蘇電網中的應用[J].電氣應用，2014，33（17）：20-24.

[3]蘇悅平，董紅，朱志芳，等.提升城市中心區電網供電能力技術探討[J].電工電氣，2017，5：1-5.

[4]韓俊，劉洪，葛少云，等.面向供電能力提升的主變壓器站間聯絡結構優化建模[J].電力系統自動化，2013，37（7）：42-47.

[5]張士杰.基于分布式電源接入對配網故障電流影響概述[J].科技創新與應用，2017（19）：167+169.endprint