電網接納風電能力的評估及應用

朱黎

【摘 要】風電接納能力評估方法可以分為工程化方法、數值仿真法、制約因素法和數學優化法4種。其中工程法主要根據歷史經驗通過估算的方法獲得評估結果；數值仿真法主要通過仿真實驗得到結果；制約因素法主要考慮制約風電接納的因素，如電壓穩定性、電能質量、系統調峰能力、網絡傳輸能力等來評估風電接納能力；數學優化法則通過構建優化模型，綜合考慮多種約束條件來評估系統的風電接納能力。

【關鍵詞】電網；接納風電能力；評估方法；應用

大規模具有隨機性、間歇性甚至反調峰特性的風電接入電網，而國內各風電場均無法提供有效的風電出力預測，同時風機和風電場出力尚不具備在線控制、調節功能。電網中除風電以外的其他電源的出力，不僅須隨負荷變化進行調節，還須為適應風電出力變化進行調節[1]。隨著風電裝機容量的增大，風電出力波動對電網的影響也日益加大。目前關于電網接納風電的能力，尚無明確的定義及權威部門認可的標準計算方法。鑒于此，亟須研究一套標準的電網接納風電能力評估體系。

一、風電接納能力的影響因素

電網影響因素主要包括以下幾個方面：

第一，電網的負荷水平與負荷特性。電網的負荷水平和峰谷差率直接決定了風電允許接人的容量。

第二，電源結構。目前國內風電富集地區的電源結構大都以煤電為主，供熱機組占很高比例，沒有或只有很少抽水蓄能電站，風電裝機容量接近甚至超過水電，這樣的電源結構不利于大規模風電接入。

第三，調峰能力。電網的調峰能力和最小開機出力約束了并網風電的規模。風電自身影響因素主要體現為風電運行特性和風電技術裝備水平。若風電場裝設了風電功率預測系統，并不斷提高其預測精度，同時若風電場有功出力能在線調控，出力絕對值及出力變化率（變化速度）能有效控制，則有利于電力調度對電網中其他電源開機方式的合理安排，可以大幅度提高電網接納風電的能力。

二、風電接納能力評估方法及應用

（一）工程化方法及應用

工程化方法主要根據歷史經驗通過估算的方法來確定并網風電場的最大接入容量，主要用于風電場規劃，多出現在風電接納能力評估的第一階段[2]。該方法常用到2個指標，即風電穿透功率極限和風電場短路容量比。風電穿透功率極限是指系統能承受的最大風電場裝機容量與系統最大負荷的比，是從全網的角度出發，表征一個給定系統最大可承受風電容量的大小，其值越大說明系統的風電接納能力越強。風電場短路容量比是指風電場的額定容量與并網點PCC（pointofcommoncoupling，PCC）短路容量的比值。該指標從局部電網出發，表征風電注入對局部電網電壓質量和電壓穩定性的影響，決定了網絡承受風電擾動的能力。盡管風電穿透功率極限能夠很好地反映系統的風電接納能力，但其存在

著求取較難的缺點，在實際應用中通常利用經驗數值，或直接利用短路容量比來近似確定風電的最大并網容量[3]。

雖然工程化方法在使用的過程中簡單方便，但由于系統的運行方式多變，利用工程化方法確定系統的最大風電裝機容量往往存在著較大的誤差。在實際應用時，該方法可與其他幾種評估方法相結合，作為其他方法評估結果的邊界條件。例如，在利用數值仿真法確定風電場最大裝機容量時，可以將工程化方法得到的評估結果作為數值仿真時風功率出力水平的選取依據，在此基礎上逐漸改變風功率，進而確定該方法下風電場的最大裝機容量。

（二）數值仿真法及應用

數值仿真法的基本做法是基于仿真平臺，搭建系統模型，在假定風功率出力水平一定的條件下，通過改變系統運行工況、設置故障等方法研究系統的安全、穩定性，接著通過改變風功率出力水平確定系統的最大風電并網容量。通過數字仿真法，對含大規模風電并網的系統可能出現的多種工況進行了模擬，結果表明系統的負荷水平、日運行計劃、機組的最小出力限制、系統對電壓水平的要求等因素都可能制約系統可接受的風電容量；數值仿真法主要基于仿真平臺構建系統模型，考慮各種影響風電接納的因素，利用時域仿真的方法來確定系統的最大風電裝機容量，多用于第一階段風電接納能力評估。該方法物理概念清晰，只要模型正確就可通過仿真分析獲得系統的最大風電裝機容量。但該方法計算量大，不僅要確定一個給定系統的最大風電裝機容量不僅需要建立復雜的系統模型，還需要進行海量的仿真計算，實用性差。為解決數值仿真法存在的計算量大、耗時長等問題，可以從以下幾個方面考慮：簡化模型，根據應用場合忽略一些次要因素的影響；與其他評估方法相結合，根據已有初步的評估結果（工程化方法得到的結果或經驗數據）設置仿真時的風電出力水平，減少工作量；采用先進、成熟、應用廣泛的電力系統仿真軟件進行建模與仿真。

（三）制約因素法

制約因素法在風電接納能力評估的第一階段和第二階段都得到了廣泛使用。在第一階段，學者從制約風電并網容量的因素出發，如系統的頻率、電壓、靜態安全性、動態穩定性等，對風電最大接納容量進行了研究。實際上，當風電接納能力評估發展到第二階段，學者們已經普遍認識到：現階段制約我國風電消納的主要因素是系統調峰能力與電網輸送能力，至于風電并網引起的系統潮流、電壓穩定、電能質量等問題在局部電網內部即可解決，尚不至于制約整個系統對風電的消納。

綜上所述，制約因素法主要從限制電網對風電接納的因素出發，以不影響系統安全穩定運行的最大風電接入容量來表征電網的風電接納能力。但在不同的發展階段制約因素法偏重的角度有所不同：在第一階段，其主要從制約風電并網容量的角度出發進行風電接納能力評估，所得結果往往只是反映系統某一節點在某一制約因素下的風電消納能力，所得結果不具一般性；而在第二階段，制約因素法更偏重于從系統整體的角度來評估電網風電接納能力，所得結果無法有效反映局部電網的風電消納能力。

（四）數學優化法及應用

隨著最優潮流在電力系統中應用的不斷深入，優化方法開始應用于電力系統的風電接納能力計算。由于優化方法可以綜合考慮多個影響風電接入的制約因素，其在確定系統最大風電接入容量方面得到了廣泛應用。與此同時，優化方法在短期和超短期風電接納能力評估中也得到了應用。與第一階段不同，此階段的風電接納能力評估主要從優化系統調度運行出發，考慮系統經濟成本、網絡安全約束、潮流約束等因素來確定系統的風電接納能力。可以看出，優化方法多通過構造優化模型，以系統的安全穩定運行為約束來確定風電接納能力。

由于考慮了多種制約因素，所得結果能更準確地反映系統的風電接納能力。但是，過多地考慮風電接納能力的制約因素容易使得評估模型復雜化，引起求解困難、評估結果保守的后果。因此，實際應用時應盡可能考慮關鍵制約因素的影響，弱化非關鍵制約因素的影響，從而使模型簡化。另外，研究新型高效的求解算法也將有助于優化法的進一步應用。

三、結論

近年來，風電在世界范圍內迅猛發展，產生了良好的社會、環境效益。然而，風電具有多個時間尺度上的隨機波動特性，隨著滲透水平的逐漸加大，電網消納風電的難度隨之加大。現階段，主要由于電網調峰能力與傳輸能力的制約，我國電網出現了較為嚴重的棄風問題，引起了全社會的普遍關注。基于此，對電網風電接納能力進行科學、合理的評估不僅有助于風電場規劃發展，從源頭解決棄風問題，還可為系統調度提供有益的參考，從運行控制層面緩解風電接納所帶來的影響。

【參考文獻】

[1]申洪，梁軍，戴慧珠.基于電力系統暫態穩定分析的電網接納風電能力計算[J].電網技術，2015.

[2]姚金雄，張世強.基于調峰能力分析的電網風電接納能力研究[J].電網與清潔能源，2017.

[3]韓小琪，孫壽廣，戚慶茹.從系統調峰角度評估電網接納風電能力[J].中國電力，2015.