基于容量约束的电网新能源接纳能力研究与应用

王燕敏，丁志政，陈 婧，高 克

（1.云南大为制氨有限公司，云南 曲靖 655338;2.天地电研(北京)科技有限公司，北京 100193）

0 引言

随着能源与环境问题的日益突出，以风电、光伏为代表的新兴可再生能源已成为我国能源发展的重要方向。然而大规模新能源的接入对电网具有一定的冲击性[1-3]，同时电网对新能源的消纳受多种因素的制约[4-5]。为确定地区电网新能源最大接纳能力，必须确定制约电网最大接纳能力的瓶颈因素[6-10]，新能源优先本地消纳，若本地不能完全消纳，则需上送至主网，通过跨区域输送通道外送消纳。在不考虑谐波、调峰能力等电能质量制约因素时，新能源接入规模与电网可容量应相适应：一方面本地电网应有足够的容量裕度接纳新增装机；另一方面跨区域输电线路应有足够的容量裕度外送。

类似中国西北部，风、光资源丰富而负荷水平相对有限的地区，新能源消纳主要靠跨区域输电通道外送，如何提升区域间的输送能力是相关地区关注的重点。而对于新能源以本地电网消纳为主、少量外送（不以大型汇集站上网）的地区，本地电网的容量裕度是限制新能源接入规模的核心因素之一。在中国鼓励发展新能源，又控制弃风弃光现象的背景下，应该合理安排新能源的开发时序和接入方式，保障新能源接入规模与电网容量裕度的适应性。

基于此，本文提出一种基于容量约束的新能源接纳能力计算模型，通过确定新能源上网的容量约束条件，在考虑现状电源（包括现状新能源）出力及负荷水平的情况下，计算各电压等级电网的剩余容量裕度，为后续新能源接入规模及接入方式提供参考，以保障地区新能源与电网建设的和谐发展。

1 基于容量约束的电网新能源接纳能力计算模型

对于区域电网而言，10 kV至110 kV都可能有新能源接入（不考虑220 kV及以上大型汇集站上网），若本地无法全部消纳，电能将送至上级电网消纳，本级电网能上送多少新能源与本级线路容量密切相关，上级电网可接纳多少新能源与上级主变容量密切相关。考虑本地消纳后，各级电网还剩余多少容量裕度可供新增装机接入是本模型的研究目标。

1.1 模型的构建

1.1.1 构建原则

从电网整体来看，容量卡口一般为区域最高电压等级电网，计算各电压等级电网的接纳能力时，宜采用从高电压等级到低电压等级的方式。本模型以区域电网剩余容量裕度为研究对象，与电源开机方式、负荷水平、电网结构及运行方式都密切相关，为得到电网对新能源的最大接纳能力，应合理选择计算时刻。本模型的构建主要有以下原则：

（1）选取新能源出力与电网负荷差值最大的时刻进行计算；

（2）按电压等级从高到低的顺序进行计算。

1.1.2 计算参数及计算模型

新能源未接入电网时，潮流流向为发电厂、主网、配网、用户，从高电压等级向低电压等级传输。新能源接入电网后，潮流流向可能为新能源电站、配网、主网、配网、用户。潮流从中压配网向高压配网再向主网传输的过程中，各电压等级线路容量、变电站容量均会约束上送潮流。电网对新能源的接纳能力计算相关参数如表 1所示。

表1 接纳 能力计算参数Tab.1 parameter of the mathematical model

注：现状新能源出力系数由调度提供的电厂出力特性曲线推算而来。对于新能源类型丰富的地区，不同电源出力特性曲线对比能够反映现状新能源出力互补的情况，可由现状新能源出力系数这一参数体现。若考虑规划新能源与现状新能源（不同类型）之前的出力互补情况，可选取与本地区新能源资源情况相似的地区作为参考，结合本地区负荷特性，给出规划新能源的出力系数，并对现状新能源的出力系数进行相应的修正。

其中容量约束Sy指约束某一电压等级电网线路容量及其上级变电容量中的较小值；电厂出力系数kg指接纳能力计算时刻电厂出力与装机的比值，该数值可由地区电厂出力特性曲线推算出；负荷系数kp指接纳能力计算时刻电网负荷与全网最大负荷的比值，该数值可由地区负荷特性曲线推算出。

接纳能力计算公式如下：

1.2 基于容量约束的新能源接纳能力计算流程

通常情况下，高电压等级电网总容量小于低电压等级电网总容量，容量卡口易出现在地区最高电压等级电网，计算各电压等级电网的接纳能力时，宜采用从高电压等级到低电压等级的方式。为描述方便，假定研究区域内最高电压等级为110 kV，以风电、光伏为例，新能源接纳能力计算流程如图1所示。

1.2.1 确定新能源接纳能力计算时刻

参照模型构建原则第1条，新能源出力与电网负荷差值最大的时刻为新能源接纳能力计算时刻。通过分析地区年、日负荷特性以及新能源出力特性，可确定该时刻。研究的侧重点不同，计算时刻的选取有所区别。主要分为以下几种情况：

1）重点研究电网对光伏的接纳能力，选取光伏出力与电网负荷差值最大时刻。该情况适用于以光伏装机为主、风电装机占比偏小地区，风电可视作常规电源考虑出力。

图1 计算流程图Fig.1 Calculation process

2）重点研究电网对风电的接纳能力，选取风机出力与电网负荷差值最大的时刻。该情况适用于以风电装机为主、光伏装机占比偏小的地区，光伏可视作常规电源考虑出力。

3）综合考虑电网对新能源的接纳能力。该情况适用于光伏、风电都很突出的地区，通常光伏最大出力出现在午间或午后，但风机最大出力因地而异：

（a）风机最大出力出现在白天，新能源接纳能力计算时刻为光伏、风电出力叠加最大的时刻；

（b）风机最大出力出线在晚间。由于晚间光伏不出力，新能源接纳能力计算时刻应包含白天、晚间两个。白天综合考虑两类新能源的出力情况，同情况（a）；晚间选取风机出力与电网负荷差值最大的时刻。

1.2.2 确定负荷系数及电源出力系数

1）确定计算时刻负荷系数

根据地区负荷特性曲线，找到计算时刻负荷值Pi，负荷系数为该负荷值与全年最大负荷值Pmax的比值：

2）确定计算时刻机组出力系数

火电机组、大型水电机组出力相对稳定，当有大量新能源上网时，机组开停机方式可由地区供电公司提供。新能源机组可根据其出力特性曲线确定计算时刻出力大小PGi，出力系数为该时刻的出力与装机容量的比值：

1.2.3 计算110 kV及以下新能源接纳能力

1）确定容量约束值Sy110

通过110 kV上网的新能源，电能上送需经过220 kV主变，220 kV主变容量及220 kV变电站的110 kV出线容量均会约束新能源的上送。即110 kV及以下新能源接纳能力的容量约束值为：

其中，∑St220为地区220 kV主变容量之和，∑Sl110为地区220 kV变电站的110 kV出线容量之和。

2）计算接纳能力

考虑110 kV及以下电厂（包括新能源电站）的出力，考虑110 kV及以下电网负荷的消纳，110 kV及以下新能源接纳能力如下：

1.2.4 计算35 kV及以下新能源接纳能力

确定计算时刻及机组出力的方法同上，不再赘述。下面主要介绍35 kV及以下新能源接纳能力的算法。

1）确定容量约束值Sy35

通过35 kV上网的新能源，电能上送需经过110 kV主变，110 kV主变容量及110 kV变电站的35 kV出线容量均会约束新能源的上送。即35 kV及以下新能源接纳能力的容量约束值为：

其中，∑St110为地区110 kV主变容量之和，∑Sl35为地区110 kV变电站的35 kV出线容量之和。

2）计算接纳能力

考虑35 kV及以下电厂（包括新能源电站）的出力，考虑35 kV及以下电网负荷的消纳，35 kV及以下新能源接纳能力如下：

1.2.5 计算110 kV、35 kV新能源接纳能力范围

地区电网对新能源的总接纳能力应综合考虑各电压等级电网的接纳能力，新能源上送的过程中应保证潮流不超过各级电网的容量裕度，因此地区总接纳能力取决于各电压等级接纳能力中的最小者。例如某地区S110及以下=a，S35及以下=b，其中a＜b，则该地区总体新能源接纳能力S=a，即S110+S35≤a。

1）110 kV新能源接纳能力范围

110 kV新能源最大接纳能力S110max=S110及以下=a，即所有新能源均从110 kV电压等级接入。

110 kV新能源接纳能力范围S110=[0，a]。

2）35 kV新能源接纳能力范围

35 kV新能源最大接纳能力S35max=min（S35及以下，S）=a，即所有新能源均从35 kV电压等级接入.

35 kV新能源接纳能力范围S35=[0，a]。

2 算例

本文选取A市为例，该市电源以水电和光伏为主（无火电厂，即接纳能力计算公式中，常规电源装机PGC仅包含水电装机），该市水电最大出力时间集中在8月，即夏季丰水期；光伏出力全年波动较为明显，8月至9月相对较大，全天最大出力集中在午间12时至14时。

A市全年最大负荷出现在冬季，4月回暖用电负荷明显下降，4月至10月负荷波动较小，10月之后负荷开始上升。该市今年来日负荷曲线如图 2所示，由日负荷曲线可知，该市日负荷较平稳，波峰与波谷差距较小，最大负荷分别出现在上午8时及晚间20时左右。

图2 A市日负荷曲线Fig.2 daily load curve of city A

综合来看，夏季午间为该市光伏出力与电网负荷差值最大的时刻。通过计算，该市夏季午间负荷约为最大负荷的45%，即负荷系数kp=45%。结合当地具体情况，确定该市在夏季午间各类装机出力系数，如表 2所示。

表2 A市夏季午间各类装机出力系数Tab.2 The efficiency coefficient of generators at noon in summer

参照新能源接纳能力计算流程，对该市110 kV、35 kV新能源接纳能力进行计算，如表 3、表 4所示。

表3 A市110 kV及以下新能源接纳能力Tab.3 The new energy acceptance capacity of 110 kV and below

表4 A市35 kV新能源接纳能力Tab.4 The new energy acceptance capacity of 35 kV and below

通过计算可知，A市110 kV新能源最大接纳能力S110max=S110及以下=136.79 MW；35 kV新能源最大接纳能力 S35max=min（S35及以下，S110及以下）=136.79 MW。即 A市现状电网对新能源的总接纳能力为136.79 MW，两个电压等级接入新能源的容量之和不超过136.79 MW。从计算结果还能看出，A市的电网容量瓶颈主要为220 kV变电容量，若今后该市继续发展新能源，应重点关注220 kV变电容量约束，结合地区电网规划，适当增加220 kV变电站布点。

3 结语

本研究提出了基于容量约束的新能源接纳能力计算模型，该模型选取新能源出力与电网负荷差值最大时刻为计算节点，从高电压等级到低电压等级依次计算新能源的接纳能力，找到限制地区新能源接入的容量瓶颈，为地区电网与新能源的适应性发展提供建设依据。并以A市例，计算A市在现状电网的新能源接纳能力，主要结论如下：

（1）地区电网新能源总接纳能力取决于各电压等级接纳能力中的最小值；

（2）各电压等级新能源接纳能力之和处于一种动态平衡，110 kV电网多接入，35 kV电网则少接入，二者之和不应大于地区总接纳能力；

（3）A市对110 kV及以下新能源的消纳能力主要受220 kV变电容量的限制，若该地区继续大力发展新能源，应当配合电网规划增加220 kV变电容量。

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