基于时序生产模拟的张家港电网新能源规划

耿路，王欣怡，周江山，徐怡悦

（江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

据统计，截至2020年，我国风电、光伏累计装机容量达5.3亿千瓦，占电源总装机的24%，发电量 0.7 万亿千瓦时，占总发电量的 9.5%［1－2］。我国提出要构建以新能源为主体的新型电力系统，这意味着在未来电力系统中，能源结构将发生重大变化，以煤电为代表的传统化石能源逐步向以提供电力为主、电量为辅的备用保障型方向转变，发电量逐步减少。而风电、光伏等新能源将逐步成为主要电源，定位由提供电量补充转变为提供电量支撑。随着新能源渗透率的逐步提升，部分电网已经出现了新能源消纳能力不足、电压越限、线损过高等问题，严重影响了新能源的利用效率和电网的安全稳定运行［3］。因此，需要对新型电力系统中新能源的接入进行评估和规划，为新能源的广泛接入提供技术支撑。

时序生产模拟基于电网时序运行数据，逐时段模拟电网消纳新能源的情况，通过优化机组启停机计划、机组实时出力等，可以使电网接纳更多的新能源。因此时序生产模拟方法常被用于评估新能源消纳能力［4］。文献［5］提出了基于时序生产模拟的新能源消纳特性分析方法，利用该方法对2025年山东地区光伏消纳能力进行了评估，给山东地区新能源规划提供了有效的建议。文献［6］利用时序生产模拟方法对“十四五”期间的陕西电网新能源发展和规划提供支撑，文献［7］则对电网中的新能源装机容量进行规划，从而可以最大化的利用新能源资源，提高节能减排效益。

1 时序生产模拟模型

1.1 目标函数

时序生产模拟优化目标为生产模拟周期内风电和光伏消纳电量最大，即

1.2 约束条件

约束条件包括式（2）电力电量平衡约束、式（3）备用容量约束、式（4）～（5）火电机组出力约束、式（6）火电机组启停机约束、式（7）新能源出力约束。

2 算例分析

2.1 算例介绍

本文采用苏州张家港地区220kV实际网架为算例进行案例分析，具体网架架构和光伏年度序列如图1所示。

图1 张家港地区网架结构和光伏年度序列

2.2 考虑不同负荷水平的光伏规划

随着经济的快速增长，未来居民用电以及工农商业用电需求也会不断增长。因此，本文在考虑负荷增长情况下，分析不同新能源装机方案下的张家港地区新能源消纳情况。考虑电网负荷大小对规划方案的影响，设置2020年负荷水平基础上负荷增长5%、10%、15%、20%这四个场景，基本参数设置如下表1所示。

表1 基本参数设置

通过Matlab和Yalmip调用商业优化软件Cplex求解新能源消纳能力计算模型，以得到全局最优解。新能源装机方案如表2所示，求解得到不同负荷增长率和光伏装机方案的新能源消纳率对比如图2所示。

表2 新能源不同装机方案

负荷增长率方面，由图2（a）可知，随着负荷水平的提高，电网对于光伏的接纳能力提高，可接入容量值变大。不考虑弃电背景下，不同负荷增长率情况下对应的最佳光伏装机方案如上文所述，5%、10%、15%、20%负荷增长率下光伏的最佳装机容量分别为2500MW、2700MW、2800MW、2900MW。

不同装机方案方面，各装机方案如表2所示。结合表2和图2（b）可知，在2个节点接入方案中，方案 1（装机位置／容量：3／980MW，13／960MW）光伏消纳率为100%，从节能环保角度来看此方案为最佳选择；若允许存在1%以内的弃电，则方案2（装机位置／容量：3／1200MW，13／1200MW）为最佳方案，通过牺牲0.3%的电量，新增460MW的光伏可装机容量，从而光伏能够发出更多的电量来替代火电机组发电，符合“双碳”目标下大力发展新能源的战略方针。在3个节点接入方案中，方案6消纳率为98.83%，较适合用于装机。在4个节点接入方案中，方案8光伏全额消纳，不存在光伏弃电现象，未来新能源电站规划可以优先考虑此方案。在5个节点接入方案中，方案10消纳情况略优于方案9，相较于方案9，更适合用于制定光伏装机计划。在6个节点接入方案中，方案12光伏全部消纳，在6节点装机方案中为最佳方案。

图2 不同负荷增长率和光伏装机方案下的新能源消纳情况

综上所述，在张家港地区220kV网架背景下规划新能源电站的选址和容量时，在总装机容量相同情况下，若分散接入的节点数量相同，各装机方案下的新能源消纳情况差异很小，可忽略不计；若分散接入的节点数量不同，则分散接入的节点越多，电网可消纳的新能源越多。建议采用综合利用、多能互补的方式，按照分散布局、就近利用的原则，在张家港东南部电网地区，应尽量避免大规模新能源接入，新能源接入位置尽量向中部和西北部偏移。

3 结论

本文以苏州张家港地区实际网架为算例，采用时序生产模拟方法，考虑负荷5%－20%增长率情景和新能源不同接入方式情景，对不同的光伏装机方案进行消纳能力评估。以光伏消纳能力计算结果为依据，对未来张家港地区光伏装机方案提供建议，也为张家港地区建设新型电力系统和能源清洁转型提供决策支撑。