基于多并网点协同的规划电网风电消纳能力综合评估方法

王世谦 司瑞华 孙思培

（国网河南省电力公司电力经济技术研究院，郑州 450052）

基于多并网点协同的规划电网风电消纳能力综合评估方法

王世谦 司瑞华 孙思培

（国网河南省电力公司电力经济技术研究院，郑州 450052）

合理评估中长期规划电网的风电消纳能力，对于指导风电产业健康有序发展、规避“弃风”现象发生，提升源网协同水平等具有重要现实意义。本文综合考虑系统调峰、静态安全、静态电压稳定、暂态稳定性等约束，借助反映资源裕度、外送通道裕度、电压稳定裕度的待选风电场并网点优选指标，提出了一种多并网点协同的规划电网风电消纳能力综合评估方法。以某省实际规划电网为例，验证了所提方法的有效性与可行性。

消纳能力；多并网点；综合评估；电网规划；风力发电

大力发展风电已成为我国当前深入推进能源供给革命、优化能源结构、构建清洁低碳能源体系的重大战略举措。与此同时，风电开发主要由资源及建设条件所主导，并未充分考虑拟接入电网的运行特点、规划情况，以及规模化风电并网运行后其随机性、波动性给电力系统的安全、稳定、经济运行带来的影响，源网规划、建设脱节下的弃风问题愈发突出。为此，综合考虑限制电网消纳风电的多重因素及特点，合理评估规划期内电网消纳风电的能力，对于指导风电产业健康有序发展、规避“弃风”现象发生，提升源网协同水平具有重要的意义。

目前，已有大量文献研究风电消纳能力评估模型[1-6]，但现有文献的核心思路集中在，假设风电场并网点已知，进而立足调度运行、时序模拟视角建立评估模型。对于规划电网而言，目标地区往往无法获取准确的风电场并网点和风电时序数据，且已有的时序模拟方法在数学上存在诸多强制性假设，使得现有成果具有较强的局限性。

为此，本文立足电网规划视角，针对风电场并网点和风电时序数据缺乏的情况，结合不同约束条件的特点，建立了一种多并网点协同的规划电网风电消纳能力综合评估方法，给出了计算流程。最后，以某省实际规划电网为例，验证了方法的合理性。

1 影响规划电网风电消纳能力的因素

立足电网规划视角，电网消纳风电的能力主要受到调峰、静态安全、静态电压稳定、系统暂态稳定等约束[7-13]，且各约束条件呈现不同的特点。调峰约束主要与电网的电源结构、负荷特性、跨区联络线功率交换能力有关，而不受风电场并网点的限制。静态电压稳定、静态安全约束、暂态稳定约束与风电场并网点的位置密切相关，其中，静态安全约束和静态电压稳定主要用于确保一定容量的风电机组并网运行后，电网的各支路传输功率、各节点电压均在合理范围内，暂态稳定约束主要用于验证风电接入后的电网暂态稳定性。

为此，对于规划电网的风电消纳能力评估，可以首先计算规划年基于调峰约束的风电消纳能力，其次基于静态电压稳定约束和静态安全约束确定各待选并网点的风电场容量，最后以暂态稳定约束验证电网的风电消纳能力，从而保证风电并网后电网的稳定运行。

需要说明的是，当一个电网有多个待选并网点时，各并网点的消纳能力相互影响[14]。为此，需要综合考虑各待选并网点的无功电压、送出能力、风能资源等裕度，合理确定开展静态安全、静态电压稳定、暂态稳定等约束评估的前后顺序。

2 规划电网风电消纳能力综合评估方法

2.1 规划电网风电消纳能力综合评估模型

规划电网风电消纳能力综合评估的基本思路是，计及调峰约束、静态安全约束、静态电压稳定约束，暂态稳定约束的不同特点，在基于调峰约束获取规划年电网的风电消纳能力限值的基础上，围绕各待选并网点迭代开展静态电压稳定约束、静态安全约束、暂态稳定约束的多重校核，以获取各待选并网点可消纳的最大风电装机容量，进而累加获取整个电网的风电消纳能力。

根据分析，规划电网的风电消纳能力Sw有

式中，Swi为待选风电场并网点i的风电装机容量；Nw为待选风电场并网点的集合。

与目标函数相对应的约束条件主要包括：

（1）潮流等式约束

式中，Ns为节点集合，Pgi、Qgi为节点i注入的有功、无功，Pwi、Qwi为风电注入的有功、无功，PLi、QLi为节点的有功、无功负荷，Ui、Uj为节点i、j的电压；Gij、Bij为支路i-j导纳的实部、虚部；θij为支路i-j相角差。

（2）资源约束

式中，Sri为待选并网点i可利用的风资源限值。

（3）调峰约束

式中，Sp为基于调峰约束获取的规划电网风电消纳能力限值。

（4）静态安全约束

式中，Plmax为线路i的最大传输功率，Pgimax、Pgimin分别为发电机i有功上下限，Nl、Ng分别为线路、发电机节点的集合。

（5）节点电压约束

式中，Uimax和Uimin分别为待选并网点i的节点电压上下限。

（6）短路电流约束

式中，Isi和ISN分别为节点i的短路电流和断路器开断容量。

2.2 待选并网点的优选

对于待选风电场并网点的选取顺序，本文综合考虑与并网点相关的电压无功裕度、送出线路裕度和风电资源裕度，建立了一个综合优选指标，通过获取该指标的最大值来确定每轮次增加拟风电装机容量的并网点。

待选风电场并网点i的综合优选指标为

式中，ΔQi为待选并网点i的风电容量增加ΔP后，系统电压最薄弱点的无功裕度，以系统功率基准为基准，取标幺值。无功裕度大于0表示系统无功不足，其指标前加负号。Plsi为待选并网点i的送出线路中负载率最高线路的送出线路功率极限与负载的差值，以线路的传输功率极限为基准，取标幺值。Pri为待选并网点i的风资源限值与现有容量的差值，以系统功率基准为基准，取标幺值。为各指标的权重系数，算例中分别取为0.5、0.25、0.25。

2.3 多并网点协同的风电消纳能力综合评估流程

综合本文2.1、2.2节内容，可建立如图1所示的多并网点协同的规划电网风电消纳能力评估流程。

图1 多并网点协同的规划电网风电消纳能力评估流程

3 算例分析

本节基于我国某实际电网，通过获取其2020年规划方案的风电消纳能力，验证算法的可行性。

结合年最大负荷、常规机组装机容量及调峰边界，基于调峰约束，该算例电网的风电消纳限值为1560MW。2020年，算例电网中的风电场集中在两块区域，拟选并网点主要有9个，如图2所示。其中，实线代表220kV输电线路，虚线代表110kV。

基于电网数据模型、规划各风电场的风资源容量，运用BPA软件，2020年算例电网各待选并网点的最大风电装机容量计算过程见表1。

图2 算例地区风电场并网图

表1 算例电网各待选并网点的风电消纳能力

对各待选并网点获取的累计风电装机容量进行暂稳验证，结果表明，风电并网后系统暂态稳定。因此，算例电网的各待选并网点的最大风电装机容量见表2。

表2 算例电网各待选并网点的最大风电装机容量

由表2可知，在调峰约束的基础上，进一步开展静态电压稳定约束、静态安全约束、暂态稳定约束等迭代校核，算例电网的风电消纳能力由调峰约束下的 1560MW降低至 1106MW，即该算例电网2020年度的风电消纳能力最终为1106MW。

4 结论

本文立足电网规划视角，结合限值电网消纳风电约束的不同特点，借助反映资源裕度、外送通道裕度、电压稳定裕度的待选风电场并网点优选指标，提出了一种多并网点协同的规划电网风电消纳能力综合评估方法。算例分析验证了方法的可行性。本文提出的评估方法可作为相关部门确定风力发电发展规模的工具，也可应用于电网规划和运行调度。下一步，将结合规模化风电并网运行对系统运行的经济性影响进行深化研究。

[1]李鹏波,罗荣钧,牟春晓,等.基于机组组合的风电消纳能力研究[J].电工电能新技术,2015,34(8)：25-31.

[2]贾文昭,康重庆,李丹,等.基于日前风功率预测的风电消纳能力评估方法[J].电网技术,2012,36(8)：69-75.

[3]凡鹏飞,张粒子,谢国辉.充裕性资源协同参与系统调节的风电消纳能力分析模型[J].电网技术,2012,36(5)：51-57.

[4]康重庆,贾文昭,徐乾耀,等.考虑网络安全约束的实时风电消纳能力评估[J].中国电机工程学报,2013,33(16)：23-29.

[5]刘畅,吴浩,高长征,等.风电消纳能力分析方法的研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(4)：61-66.

[6]吕泉,王伟,韩水,等.基于调峰能力分析的电网弃风情况评估方法[J].电网技术,2013,37(7)：1887-1894.

[7]张宁,周天睿,段长刚,等.大规模风电场接入对电力系统调峰的影响[J].电网技术,2010,34(1)：152-158.

[8]王芝茗,苏安龙,鲁顺.基于电力平衡的辽宁电网接纳风电能力分析[J].电力系统自动化,2010,34(3)：86-90.

[9]Nick M,Riahy G H,Hosseinian S H,et al.Wind power optimal capacity allocation to remote areas taking into account transmission connection requirements[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(5)：347-355.

[10]Matevosyan J.Wind power integration in power systems with transmission bottlenecks[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting,2007：1-7.

[11]Palsson M I,Toftevaag T,Uhlen K,et al.Large-scale wind power integration and voltage stability limits in regional networks[C]//2002 IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY SUMMER MEETING,VOLS 1-3,CONFERENCE PROCEEDINGS,2,2002：762-769.

[12]El S M,Badr M L,Rassem O M.Impact of large scale wind power on power system stability[C]//12th International Middle-East Power System Conference,2008：630-636.

[13]韩小琪,宋璇坤,李冰寒,等.风电出力变化对系统调频的影响[J].中国电力,2010,43(6)：26-29.

[14]Bakhtvar M,Keane A.Optimal allocation of wind Generation subject to voltage stability constraints[C]//2013 4TH IEEE/PES INNOVATIVE SMART GRID TECHNOLOGIES EUROPE (ISGT EUROPE),2013：1-5.

Comprehensive Assessment Method of Wind Power Accommodation Capacity based on Multiple Connection Point’s Collaboration

Wang Shiqian Si Ruihua Sun Sipei
(State Grid He’nan Economic Research Institute,Zhengzhou 450052)

Accurately assessing the capability of wind power accommodation of one power grid is conductive to the Healthy and orderly development of wind power industry,avoid the waste of wind resource，enhance the collaborative development level of power grid and power source.Considering the peak regulation,static security,steady voltage stability,transient stability constraints of power system,the paper gives a comprehensive preferred indicator to meet the assessment needs,and then,a comprehensive assessment method of the capability of wind power accommodation of one power grid is proposed,in which contain a number of connection points for wind farms.An actual planning power grid is taken as an example to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.

wind power wind power penetration capacity；multiple connection points；comprehensive assessment method；power grid planning；wind power

王世谦（1988-），男，硕士，工程师，主要研究方向为电网规划、电力系统分析。