南方电网新能源消纳量化分析

陈巨龙，李震,2

（1.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵阳550002；2.贵州大学电气工程学院，贵阳550002）

0 前言

近年来，我国新能源的快速建设和发展，在能源总消耗量一定的情况下，很大程度上减少了传统化石能源的消耗，有利于气候变化，更有利于环境保护。

由于风、光等新能源出力具有随机波动性和间歇性的特点，大量的新能源并网发电，给电力系统安全稳定运行增加了难度，也带来了如何消纳大规模新能源的难题[1-4]。

文章介绍了南方电网新能源现状，分析了南方电网新能源消纳情况，阐述了新能源消纳能力量化分析方法，并选取实际运行场景进行实例验证，提出了南方电网在应对大规模新能源消纳方面需采取的措施。

1 南方电网新能源现状

截至2016年底，南方电网统调装机容量为277343 MW，其中风电装机容量为15449 MW，光伏容量为3780 MW，风电占比近5.6%，光伏占比近1.4%，其中风光均集中在南方Y 省，该省截至2016年底新能源装机容量9756 MW，风电装机容量7843 MW，占比9.6%，光伏容量1913 MW，占比2.3%。Y 省风电场共83座，调管模式为省中调直调和“省地共调”两种模式，但均由省中调统一管理。

南方电网新能源纳入各省电力平衡，因此分析南方电网新能源消纳情况，重在分析Y省电网的新能源消纳能力。又因光伏占比较小，且光伏负荷曲线一般情况下为白日半球弧线，可预测性较强，也不存在反调峰特性，因此，本文主要分析南方电网风电消纳情况。

2 风电消纳与调峰情况分析

2016年，Y 省弃风电量6.41亿kWh，弃风率4.17%，弃风电量同比增加333%，弃风率同比增加2.7个百分点。弃风主要发生在Y 省A市和B市两个地区，其中A 市弃风电量3.14亿kWh，占总弃风电量比例为49%，B市弃风电量3.2亿kWh，占总弃风电量比例为50%。其余地区弃风较少，仅占总弃风电量1%，原因主要为部分时段网络受限。经过分析，Y省电网弃风原因如下：

A 地区弃风原因风电装机规模较大，送出断面容量较小。在2016年下半年之前，该地区风电总装机为522.75 MW，最高用电负荷为270 MW，由于该地区同时还有水电送出需求，考虑风电与水电发电的同时率后仍有富余，大量电力需外送。但送出通道仅有220 kV 的线路，送出断面受稳定限制，控制极限为280 MW，风电电力最大受阻约190 MW。而在2016年下半年，断面送出极限提升至850 MW，风电送出几乎不受限。

B地区弃风原因为风电场投产速度快且接入较集中，电网送出通道建设滞后。该地区风电总装机达到1007 MW，但该地区负荷需求小，最高用电负荷仅75 MW，发电能力远大于地区负荷需求，绝大部分电力需通过220 kV 输电断面外送，该断面受220 kV 和热稳极限（800 A）限制,断面控制最大值仅为280 MW，因此电力外送受阻比较严重，考虑风电出力的同时率，送出受阻最大约300 MW。

截止目前，Y 省虽未出现因调峰原因产生的受限弃风情况，但该省风电最大日峰谷差高达3730 MW，风电日峰谷差占日发电最大出力比例达到20.6%，日间最大电量偏差7658万kWh，两日最大电量偏差9324万kWh，日间电量偏差占全网日发电量比例最大15.73%，两日电量偏差占全网日发电量最大占比23.71%。风电明显的随机性、间歇性及反调峰等特性，预测难度大，给电力电量平衡日前安排、日内调控带来了严峻的挑战，也给调度运行人员提出了更高的要求。为此，必须深入研究应对风电消纳的手段，通过量化分析的方法计算风电消纳的能力。

3 风电消纳能力量化分析方法

考虑Y省装机主要为蓄水式水电、火电、风电、光伏、径流式小水电等，为风电消纳提供调节能力的主要为蓄水式水电（以下简称水电）和火电。为简化分析[5-7]，将发电机组分为水电、火电、风电及其他发电机组，将网损及厂用电纳入省内负荷，可得时段t 内电力实时平衡等式：

式中，PH,j,t、PT,k,t、PW,m,t、Pother,t分别表示时段t 内某个水电厂、火电厂、风电场及其他发电机组的有功出力，Pin,t、PLine,t分别表示时段t 内省内、外送联络线有功负荷[8-9]。

由于Y 省无抽水蓄能等储能电站，因此在分析风电消纳能力时，可将省内负荷PLine,t视为常数，忽略其他发电机组调节能力，可得时段t内省区电网上、下调节裕度Mupsafe,t、Mdownsafe,t分别为：

省区电网为应对机组异常或负荷波动等不确定性影响，时段t 内需预留上、下旋转备用则时段t 内新能源上、下消纳裕度分别为：

4 约束条件

约束条件包括电厂自身发电能力约束及网络安全约束[10-12]，综合考虑，可以归纳为以下三种情况：

4.1 限制单个电厂出力的情况

设定省区电网共有Gj个水电厂，时段t 内第i个水电厂的约束条件为：

设定省区电网共有Gk个火电厂，时段t 内第k 个火电厂的约束条件为：

4.2 限制区域电网断面潮流的情况

当区域电网内仅有发电厂时，多个电厂互联后经同一通道并网，为保证电网稳定运行，往往需要控制这一通道的潮流，此时，可将控制通道潮流分解为控制区域电网内多个电厂出力[13-15]，假设省区电网共有Ai个这样的区域电网，且区域电网内仅有水电厂、火电厂、风电场，则时段t 内约束条件为:

当k=K,K∈[1,2,3....Gk]，若第k 个火电厂在第i 个断面约束区内且参与断面控制时，AT取1，否则取0。当m=M,M∈[1,2,3....Gm]，若第M个风电场在第i 个断面约束区内且参与断面控制时，AW取1，否则取0。

当区域电网内不仅有发电厂，还有用户负荷时，控制断面为区域电网与主网的联络通道，此时区域电网内发电厂出力与负荷相互影响，则时段t 内约束条件为：

式中PL,i,t为第i个断面控制区域电网时段t内有功负荷总和，虽然负荷具有随机波动性，但是可以通过采集相关厂站的主变、线路等设备的潮流数据计算而来，在此可认为是常数。

5 运行实例

2017年2月5日夜间负荷低谷时段，Y 省风电大发，给该省中调调峰均带来了困难，最终申请总调支援，才保证了风电的全额消纳。2017年2月15日白天负荷高峰时段，Y 省因风电少发较多，申请总调安排直调电厂支援，才实现异步联网后留足安全裕度情况下的电力平衡。下面以这2个调峰最为困难的实际运行场景为例，对Y 省调峰与风电消纳情况进行说明。

5.1 因风电多发申请调减C水电厂出力

2017年2月5日夜间负荷低谷时段，Y 省风电大发，最大出力达到3818 MW，比计划高1100 MW。火电均减至最低稳燃出力，除径流式电厂、保障生态流量电厂和主调频电厂机组外的有调节性能的水电厂机组均已停机，Y省内频率下调节备用紧张，频率调节困难，为保证相关备用满足异步联网方式下频率调控要求，避免弃风，Y省中调向总调申请1点15分至7点30分调减C水电厂出力300 MW。

5.2 因风电少发申请增加D水电厂出力

2017年2月15日白天，Y省风电出力在凌晨5点以后逐步下降，在晚峰时段仅有1900 MW，较计划偏低900 MW，在23点40分时，风电出力仅为1573 MW，风电当日峰谷差高达1556 MW，而且呈明显的反调峰特性。在省内水电厂水位较低，出力紧张情况下，Y省在早峰、晚峰时段安排火电厂满发，增加火电机组出力360 MW。在火电上调节能力全部调出后，综合考虑省内风电偏差、负荷等情况后，Y 省中调向总调申请D水电厂增加出力，从6点15分开始，D水电厂提前增加至1800 MW出力。

6 结束语

截止目前，南方电网范围内风电除局部因网络阻塞受限的情况外，还未发生因调峰因素影响的弃风事件，这不仅说明南方电网有着比较充足的风电消纳能力，也说明南方电网各级调度计划编制人员及调度运行控制人员为消纳风电而做出的努力工作。但是，清洁能源仍将高速发展，风电投产占比加大，例如2017年南方电网计划净新增装机容量15978 MW，其中风电机组3244 MW，占比高达20%。这将加大风电消纳的困难。因此，为提高南方电网风电消纳水平，需要量化分析风电消纳能力。通过量化计算风电消纳上、下裕度，可以合理安排电网运行方式及各类机组开机方式，在确保电网安全稳定运行的前提下，优化考虑风电消纳能力最大化，为风电消纳提供充足的上下调节空间。通过实时计算风电消纳上、下裕度，调度运行人员根据电网运行情况，可以有效发挥总调及南网大平台的协调作用，考虑总调直调机组参与省内平衡，考虑省间互助容量，尽力保证风电最大额度消纳，也为调度运行人员应急实时控制提供有效的手段。