新能源發電項目消納能力研究綜述

(國網浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 310007)

1 引言

隨著世界經濟的發展，常規化石能源供應不足的情況日益凸顯，環境污染問題越來越嚴重，開發和利用新能源有助于緩解能源供應和環境問題所帶來的壓力，新能源具有清潔、可再生、對環境友好等特點，不會導致一系列棘手的生態及經濟問題。對于新能源的大規模開發與利用，是保障我國能源安全、優化一次能源結構、發展低碳經濟的重要舉措，其中風力發電和光伏發電已經成為發展最快、技術最成熟、商業化前景最好的清潔能源開發方式[1-3]。

與水電、火電等常規電源相比，風能、太陽能等新能源發電最根本的不同點在于其有功出力的隨機性、間歇性、波動性。這一特點造成了新能源大規模開發面臨的接入、調度、對電網運行的影響及消納困難等一系列問題。針對上述情況，本文研究分析了影響新能源接入的各種因素，對于地方電網新能源發電接入具有重要指導意義。

2 新能源消納能力影響因素

新電源最大消納能力的確定，是以多種約束條件為基礎綜合考慮計算所得出的結果。圖1總結了限制新能源消納能力(主要為風電和光伏)的約束條件，總結來看，大致概括為以下幾類：

(1)電網結構。不同的電網結構擁有不同的輸送能力和對外界電網聯絡的能力，具有外送通道的電網具有著更高的調峰能力，而過低的線路傳輸功率則會反過來限制新能源的消納水平[4]。

(2)負荷特性。系統的負荷特性尤其是峰谷差和最小負荷等因素直接決定了新能源允許接入電網的容量。

(3)電網短路容量。電網的短路容量大表明電網網絡強，對外界因素變化的抵抗力較高，而且，電網的短路容量裕度也是決定電網消納能力的重要指標。

(4)電網調峰能力。電網良好的調峰能力是保證電網功率平衡的重要前提，也是決定電網消納能力的先決條件。

(5)新能源接入電網后的穩定性。新能源并網后對電壓偏差和電能質量等都造成負面的影響，進而限制了電網的消納能力[5]。

(6)新能源出力特性。新能源出力有著明顯的不可控和不可預知性，這就使新能源并網時必須有常規能源為其提供補償，進而限制了電網的消納能力。

圖1 電網消納新能源能力的影響因素

2.1 電網結構

電網結構主要從幾個方面影響著地區電網的消納能力，分別為變電站和線路容量約束、電力線路廊道約束和間隔約束等。

(1)變電站和線路容量約束

從電網結構約束來看，新能源的接入應滿足線路和主變“N-1”的校驗，以保證電網調度的靈活性。因此新能源最大的消納容量受最小網供負荷和滿足“N-1”件下主變和線路的容量影響，具體情況如下：

Smax=PK+PE

式中，Smax為新能源最大消納容量；PK為最小網供負荷；PE為滿足“N-1”條件下主變和線路的容量。

對于有外送通道的電網來說，外送通道的建設可以有效提高地區電網的外送能力，即當峰谷時將多余的電量通過高壓線路外送到其他省份，進而大幅加大了地區電網對新能源的消納能力。

(2)電力線路廊道約束

在城市化建設不斷深入的背景下，電力建設工程越來越多，建設用地也愈發珍貴。當前城鄉電網已納入城鄉區域經濟發展規劃體系中，城建規劃部門可支配用于電力建設的空地極為有限，導致城市基礎建設和電網建設之間矛盾頻現，其中電力線路走廊建設和包括改擴建在內的城市道路建設之間的矛盾尤為突出，二者缺乏必要的統籌與協調。輸電線路建設過程中難免會與群眾的利益發生矛盾，在這過程中不僅需要相關部門的協調與配合，還需要在占用群眾土地的資源后給予合理的補償，不但增加工程建設的成本，而且在協調過程中出現的多方面因素都有可能滯后電網規劃項目的建設。此外，關于線路改遷費用由哪一方支付也是市政建設和供電部門爭論的焦點，不利于雙方工作的開展。

(3)間隔約束

按照遠景規劃來看電網35kV電壓等級會逐步取消，因此新能源電站在110kV電壓等級的接入能力直接影響著新能源的消納能力。然而目前110kV變電站多采取橋接線方式和單母線分段，這造成110kV變電站間隔十分緊張。因此新能源電站接入110kV電網的主要方式有兩個：接入220kV變電站110kV間隔、T接110kV線路。

隨著用電負荷的逐年增長，為了滿足用電需求電力網架將日益擴大，在當下土地資源嚴重缺乏的情況下，220kV變電站建設用地與電力廊道都是非常寶貴的。標準220kV變電站的110kV出線間隔為12回，去除優化110kV網架結構以及為后續電網發展所預留的間隔外，能夠用于新能源電站直接接入的110kV間隔至多為3回。因此110kV電網能夠T接多少新能源電站對于新能源的消納能力起著決定性的作用。然而對于110kV橋接變電站標準進線僅為兩回，為了保證供電可靠性以及方便繼電保護定值的整定，最多應只有一回進線T接新能源電站且僅T接1個電站為宜，已存在T接點的線路、變電站進線為雙T接的情況以及為重要供區供電的變電站則不再考慮T接新能源電站，因此間隔約束對新能源的建設有著巨大的限制。

2.2 電壓偏差

新能源電源并網后，公共連接點的電壓偏差應滿足GB/T12325-2008《電能質量供電電壓偏差》的規定，即：35kV及以上公共連接點電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%(注：如供電電壓上下偏差同號時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據)。20kV及以下三相公共連接點電壓偏差不超過標稱電壓的±7%。220V單相公共連接點電壓偏差不超過標稱電壓的-10%～+7%。

然而新能源因其機組輸出功率的波動，會引起接入點電壓的偏差進而超出上述導則所規定的范圍，具體機理如下：

圖2 單個電源接入電網的簡化電路

圖2為單個分布式電源接入電網的簡化電路，其中U1為線路首端電壓；U2為線路末端電壓；R、X分別表示線路的電阻和阻抗。當線路潮流為P+jQ時，線路首端電壓可以表示為：

(1)

(2)

而當新能源出力為PG+jQG時，忽略垂直分量則電壓的偏差為：

(3)

由上式可知，新能源并網引起的電壓偏差與新能源的輸出功率和電路阻抗有密切關系。對于電網來說，其一般擁有著相對較大的X/R，這就意味著新能源的無功輸出很有可能導致1點和2點的電壓差為負即抬高接入點的電壓。

2.3 短路容量

對于有新能源并網的電網短路電流由兩部分組成，分別來自于大電網和新能源電源。為了保證電網的安全運行，總的短路電流不應超過允許的最大短路電流。否則，系統必須通過限流裝置來供電。

對于以逆變器方式接入主網的新能源來說，來自短路容量方面的限制則要小的多。美國可再生能源國家實驗室曾做過關于新能源于電網之間交互影響的研究。結果表明，當發生單相和三相故障時，以逆變器方式接入的新能源電源對短路電流的貢獻很小，短路電流主要來自主網。

2.4 調峰能力

電網的調峰能力是決定電網消納新能源容量的主要因素[6]。電網必須具備足夠的調峰能力，才能平抑新能源機組的出力波動，保障電網及新能源電廠的可靠運行。因此新能源的消納能力與電網剩余的調峰容量裕度有著直接的關系，具體表現在以下三個方面：

(1)由于運行需要或者電網事故，區域電網完全獨立運行時，為了保證區域電網頻率穩定且接近工頻，需要區域電網有功趨于恒定，此時需要系統有足夠的調峰能力，以保證在有功波動的情況下能夠進行迅速調節。

(2)當區域電網為受端電網時，由于負荷急劇增加，而大網又無法更多的供給，此時需要系統有足夠的調峰能力來迅速增加有功出力，以保證區域電網頻率穩定，避免低頻低壓減載動作。

(3)當區域電網為送端電網時，由于負荷急劇降低，同時向大網的輸送容量受限，此時需要系統有足夠的調峰能力來迅速降低有功出力，以保證區域電網頻率穩定，避免高頻切機動作。

電網剩余的調峰容量裕度則主要取決于電網本身的調峰能力和調峰需求。

電網的調峰能力主要取決于地區電網內的電源特性和組成。通常來說水電機組出力調整范圍大，調整速度快，同時水電廠的運行成本低，因此水電廠在大電網尖峰時刻加大出力，為系統提供調峰、調頻事故備用等服務。而火電因為受鍋爐、汽輪機最小技術出力等條件制約，出力調整范圍較小，而且鍋爐、汽輪機等設備受交變應力的限制，調整速度較慢，一般凝汽式機組每分鐘僅可調整裝機容量的1%左右。因此對于水電機組占比較大的電網，其相對應的調峰能力一般遠大于常規電網。

電網的調峰需求主要取決于電網負荷特性和新能源的出力特性。具有較小峰谷差的電網對電網調峰能力的需求則更小，為消納新能源并網而留有的電網調峰容量則越多。對于新能源發電來說，其一個顯著的特點是出力的不穩定和間歇性。這一特性導致其將會有很大的可能惡化電網現在的峰谷差，導致電網剩余調峰能力降低，進而影響未來的消納能力。

2.5 電能質量

隨著大規模新能源的接入，如電力諧波、電壓閃變和三相不平衡等電能質量問題變得愈加突出，這些問題也因此成為了制約大電網對新能源消納能力的重要因素。

(1)電力諧波

包括直驅永磁同步風力發電機和雙饋式異步風力發電機組在內的變速風電機組采用可控PWM整流逆變器來并網導致產生大量的諧波注入到電網中。同樣，光伏發電也采用了逆變裝置。這種裝置能引起供電系統諧波，又因風力、光伏發電輸出受天氣影響較大，發電功率具有快速隨機波動性，是一種典型的非線性、波動性電源。

諧波對系統及其它設備的影響包括：

①諧波對旋轉電機的影響。諧波對旋轉電機的主要影響是引起附加損耗，其次是產生機械振動、噪聲和諧波過電壓；

②諧波對供電變壓器的影響。諧波電流不但引起變壓器繞組附加損耗，也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，并且有可能引起局部的嚴重過熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成的諧波電流在諧振條件下可能損害變壓器。

③諧波對換流裝置的影響。交流電網的電壓畸變可能引起常規變流器控制角的觸發脈沖間隔不等，并通過正反饋放大系統的電壓畸變，使整流器的工作不穩定；對逆變器則可能發生連續的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設備。

④諧波對并聯補償電容器和電纜的影響。諧波會引起電容器局部放電，加速電容器介質老化，縮短使用壽命。在一定條件下諧波極易與無功補償電容器組引起諧振或諧波放大，從而導致電容器因過負荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿。國內在許多電力系統和用戶系統內都發生過無功補償電容器組無法投入運行，大批電容器損壞的事故。

⑤諧波對通信的干擾和影響。諧波通過電容耦合、電磁感應和電氣傳導會感應到通信線路上，可能損害通話的清晰度，觸發電話鈴響，甚至在極端情況下，威脅通信設備和人員的安全。

⑥諧波對繼電保護和自動裝置的影響。諧波對繼電保護和自動控制裝置產生干擾，造成誤動和拒動。尤其是一些衰減時間較長的暫態過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值大、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作。

(2)電壓波動和閃變

《電能質量電壓波動和閃變》規定了電力系統公共連接點的電壓波動和閃變電壓允許值。電壓波動的定義為一系列電壓變動或工頻電壓的周期性變化。閃變反映的是電壓波動對照明度的影響。近些年，隨著非線性及沖擊負載在電網中的不斷增加，使得電網中電壓波動和閃變等電能質量問題越來越嚴重。根據有關方統計，電網中電壓波動是引起電能質量問題主要原因。電壓波動引起的用戶投訴，占電能質量問題的80%以上。強烈的電壓波動與閃變會造成電機轉動不穩定，電子裝置誤動作甚至損壞，也會使電網供電的用戶(包括電弧爐本身)的實際功率減少，波動與閃變是對電網的一種公害。作為一個輸出不可控的電源點，新能源機組帶來的電壓波動和閃變問題將十分嚴重，這也會限制大電網對其的接納能力，具體的機理如下。

當大容量的光伏電源接入電網時，負載功率為光伏電源功率與負載功率之和，由于光伏發電功率的快速隨機波動性，光伏發電尤其在多云天氣，最大變化率超過10%額定出力，變化頻度每小時超過10次，將導致電網電壓的波動，這種電壓波動有較規律長時期的，也有不規律短時期的。其中特別是頻率在1～10Hz之間的電壓波動會引起照明白熾燈和電視畫面的閃爍，使人們感到煩躁，這類干擾稱之為“閃爍”或“閃變”。強烈的閃爍會造成電機轉動不穩定，電子裝置誤動作甚至損壞，也會使電網供電的用戶的實際功率減少，閃爍是對電網的一種公害。

而對于風電機組來說，在并網風電機組持續運行過程中，由于受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，風電機組在葉輪旋轉一周的過程中產生的轉矩不穩定，而轉矩波動也將造成風電機組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。除此之外，并網風電機組不僅在持續運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發電機切換過程中也會產生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發電機切換，其中發電機切換僅適用于多臺發電機或多繞組發電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節點的電壓波動和閃變。

(3)三相不平衡

新能源電站并網引起的三相電壓不平衡主要由三相PWM逆變控制過程中的各種不確定因素引起，比如直流側電壓突然出現的波動等，除非逆變控制系統出現故障，正常情況下光伏并網引起的三相電壓不平衡度很小。因此來自于三相不平衡對電網接納能力的限制較其它因素小的多。

3 消納能力的主要約束條件

新能源的發展存在多個限制因素，但是通過大量的經濟投入可以逐步消除或削弱這些約束條件。例如，可以通過新建多個電站以提高系統備用容量；新建大型的抽水蓄能電站以進行系統的調峰調頻；當新能源上網受主變容量限制時可以進行主變擴建或新建變電站；線路輸送容量限制可以進行線路改造或者新建線路；新能源電站無接入點可以通過變電站間隔擴建或者新建變電站來增加；電力走廊約束可以通過架空線路入地來解決；電壓波動、諧波治理可以通過采用新型的電力電子元件的先進整流、濾波裝置進行改善等。這一系列措施均可以為新能源的發展提供更有利的條件，但是會大大增加投資成本。

相對來說電壓波動和短路容量等約束都可以通過加裝小電抗等技改項目消除或緩解，成本較為低廉。而調峰能力作為和電網電源結構直接相關的約束條件受到當地資源條件等限制且一次投入較高并無法在短期內有顯著改觀。除此之外電網設備的限制也不容忽視，以變電容量約束為例，當新能源上網已達到主變容量限制，變電站不滿足主變擴建條件，而新能源又有強烈的接入愿望時，則需要通過新建專用變電站來進行新能源電站的上網。新建1座220kV變電站投資在2.5億元以上，變電站建設完成后每年的設備運維與事故檢修所涉及人力、物力、財力的費用則更加昂貴，這對于電力企業來說是無法接受的。因此，在新能源大規模發展的背景下，調峰能力和電網設備容量限制應作為主要的約束條件來評估地區電網的消納能力。

4 結語

為引導風力、光伏等新能源發電項目的合理發展，避免不必要的經濟浪費，本文分析了影響新能源接納能力的各種因素，得出調峰能力和電網設備容量限制應作為主要的接納能力約束條件來判定地區電網的接納能力，研究結論可為地區電網規劃、新能源消納能力分析提供指導意見。