光伏消纳能力关键因素分析

马军

摘要：世界经济快速发展的同时消耗着大量的传统化石能源，造成传统化石能源供应不足，而使用传统化石能源带来的环境污染问题也越来越严重。如何缓解能源供应和环境污染问题是现今世界可持续发展的重要议题。加大对可再生能源的开发和利用可以有效的缓解棘手的生态和经济问题。而新能源发电中，由于太阳能资源的储量无限、广泛并且具有良好的经济性，因此太阳能光伏发电已成为世界各国研究和发展的重点。伴随光伏发电技术的成熟和生产成本的降低，光伏发电并网已成为主流趋势。然而光伏发电的输出功率受外界因素的影响很大，所以并网后会给配电网带来很多问题和挑战。新能源发电出力间歇性和波动性的特点，使其在接入电网后产生了一系列的问题，如影响电网稳定运行、消纳困难等。加大新能源消纳影响因素的研究对地区电网新能源并网具有重要指导意义。针对上述情况，本文将主要研究影响新能源消纳的各种因素。

关键词：光伏发电;光伏消纳;影响因素

光伏发电的消纳能力是结合各种因素和约束条件综合计算得到的结果。图1-1表示了影响新能源消纳能力的各种因素。

一、系统负荷特性

系统的峰谷差和最小负荷等因素直接决定了光伏发电最大允许接入的容量，若接入容量高于系统最小负荷或系统调峰能力不足时，就会存在弃光，不利于光伏发电经济运行。

二、电网网架结构

所谓电网网架结构坚强，不仅仅是指网内电源支撑点多而稳固，电网具不具备良好的调峰能力也是考验网架结构坚强的另一指标。而电网的调峰能力优劣又和与区域外电网的联络的输送通道是否可靠有关，有可靠的输送通道就可以将富余的多余功率输送到外电网，有效降低光伏弃光率。反之，输送通道不足就会限制电网对光伏的消纳[1-2]，从而使弃光率上升造成光伏发电的经济性下降。有充足的外送通道就可以把峰谷时多余电量送到外省，从而提高地区电网光伏发电消纳能力。

电网结构主要从变电站和线路容量、站内间隔和线路走廊三个方面影响着地区电网的消纳能力。

1.变电站和线路容量约束

在线路和主变“N-1”校核满足的条件下光伏才能接入，最小网供负荷、线路和主变的容量影响着光伏发电最大消纳能力，如式（1-1）：

式中：Smax——最大消纳容量;PK——最小网供负荷;PE——满足“N-1”条件下主变和线路的容量。

2.站内间隔约束

随着电网建设往经济性的方向靠拢，新建的110kV变电站主要以两个电压等级、桥型接线或是单母线、单母线分段的形势进行设计建设，35kV变电站的间隔越来越紧张，因此新能源电站在110kV电压等级的接入能力直接影响着新能源的消纳能力。而110kV变电站的110kV空间隔多数是为远期第二电源接入准备的，无多余间隔用来接入光伏电站。因此光伏电站想要接入电网，要么接入330kV变电站的110kV间隔，要么T接在110kV线路上。而330kV变电站与电力线路的建设在当下土地资源严重缺乏的形势下尤为宝贵。新建的330kV变电站仅仅可以满足电网发展的要求，所以从110kV线路上T接光伏电站的方式越来越普遍，大量光伏电站以这种方式接入后又影响着供电可靠性，因此站内间隔约束影响着光伏电站的建设和发展。

3.线路走廊约束

在城市化建设的大背景下，城市基础建设和电网建设之间的矛盾逐渐凸显。输电线路建设过程中与当地群众的利益纠纷问题只增不减，严重影响着线路建设进度，加之对群众的经济赔偿成本日益增加，使工程建设成本增加。因此宝贵的线路走廊只能尽可能满足电网可靠性的要求，从而制约着光伏电站的发展。

三、系统稳定性

系统稳定是新能源接入电网首要考虑的内容，包括暂态稳定性和静态稳定性。大规模的新能源并网发电时，当系统发生大扰动（单相接地或三相短路）后，网内发电机间功角在第一个或第二个摇摆周期内不发生失步，母线电压和电站频率能自动恢复到正常稳定运行，同时系统内各节点电压、发电机出力、支路功率不超过设备限定的上下限，就可以说明电网对新能源发电消纳满足电网稳定的要求。

四、调峰能力

电网的调峰能力是决定光伏发电消纳能力的主要因素之一[3]。保证电网功率平衡的重要前提是要求电网具备良好的调峰能力，良好的调峰能力决定着电网对光伏发电的消纳能力。光伏发电受自然环境因素的影响较大，呈现波动性、间歇性的特性，对于调峰能力不足的电网，就会影响光伏的消纳。所以电网必须具备足够的调峰能力来保障电网及光伏电站的稳定可靠运行。因此光伏发电消纳能力与电网调峰能力关系密切，对于受端电网主要表现在以下两个方面：

1.因电网事故造成区域电网完全孤立运行时，区域电网的调峰能力迅速介入，使这部分孤立电网保持在稳定状态。

2.当电网电力供不应求时，也需要区域电网的调峰能力迅速介入，增加有功出力，使区域电网保持稳定。

但如要实现上述两种措施，就必须要求区域电网有足够的电网调峰能力。水电机组是目前电网中的主要调峰电源[4]，其以调整效率高的特点成为电网中的调峰利器，尤其是具备优质调节库容的水电站和抽水蓄能电站为主[5]。电网的负荷特性和光伏发电的出力特性又决定了电网的调峰需求，电网峰谷差小则对电网调峰能力的需求也越小，也就为消纳光伏并网而留有的电网调峰容量则越多。

五、电网短路容量

电网短路容量越大电网越坚强，外界因素对电网的影响也越小。电网短路容量也是电网消纳能力的指标之一，新能源并网下的电网短路电流由大电网和新能源电源组成。由于现有的光伏发电是通过逆变器方式接入电网，所以来自短路容量方面的限制比较少。当发生单相和三相故障时，光伏电源对短路电流的影响几乎可以忽略不计，绝大部分的短路电流均来自主网。

六、小结

改善消纳能力的方法很多，通过新建变电站或对变电站进行扩容改造可以缓解新能源并网时主变容量受限的情况;通过改造或新建线路可以改善线路输送容量;通过新建电源可以提高系統备用容量和电网调峰能力等。

因此，大规模新能源并网的背景下，节点电压上下限、发电机有功无功出力上下限、支路功率上下限、主变容量上下限是否都满足要求制约着地区电网的消纳能力。

参考文献

[1] 王海杰，罗伟，鹿杰.新能源发电项目消纳能力研究综述[J].电气开关，2018.No.5：6-10.

[2] 李常信，宋颖巍，张明理等.从战略、技术层面提高辽宁电网新能源接纳能力研究[J].东北电力技术，2015，（7）：15-18.

[3] 王晶.甘肃新能源消纳现状及分析[J].电力需求侧管理，2016，18（6）：49-51.

[4] 张顺，葛智平，郭涛等.大规模新能源接入后系统调峰能力与常规电源开机方式关系研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（01）：106-110.

[5] 裴哲义，王彩霞，和青等.对中国新能源消纳问题的分析与建议[J].中国电力，2016.