大规模风电接入的输电网规划研究

万 晔，黄 骏

（1.国网淮安市供电公司，江苏 淮安 223001； 2.国网淮安市洪泽区供电公司，江苏 淮安 223100）

大规模风电接入是电力系统规划和管理领域的关键议题之一。风电作为一种清洁、可再生的能源形式，具有巨大的潜力，但也伴随着出力波动和不确定性。本文探讨如何有效地应对大规模风电接入，以确保电力系统的可靠性、稳定性和可持续性。通过深入分析风电的发展现状和相关不确定性因素，以及提出相应的处理方法和电网规划方案，本文旨在为电力系统规划者和决策者提供有价值的参考。

1 风电发展现状及特点

风能作为一种清洁可再生能源，近年来得到了广泛的关注和发展。随着技术的不断进步和环保意识的增强，风电已经成为全球能源领域的一个重要组成部分[1]。且随着技术成熟度的提高，风电的发电成本不断下降。根据IEA 的数据，风电的竞争力不断增强，其成本已经接近或甚至低于传统能源，如煤炭和天然气，这使得风电在电力市场上更具吸引力，也推动了其装机容量的增长。中国是世界上风电装机容量最大的国家之一。根据中国国家能源局的数据，截至2020年底，我国的风电装机容量达到了约281 吉瓦（GW），占全球总装机容量的大部分。同时，我国每年都在增加大量的风电装机容量。2020 年，我国新增风电装机容量达到了约71.7GW，创下历史新高，这显示了我国政府支持可再生能源发展的决心。我国的风电发电量也在不断增加，2020 年，我国的风电发电量超过了4200 亿千瓦时，为国内电力供应做出了重要贡献。而政府也采取了一系列政策来推动风电发展，包括提供补贴、定额发电和可再生能源配额制度等，鼓励风电项目的建设和投资。

需要指出的是，我国风电行业的快速增长也伴随着一些挑战，如电力输送和储存的问题、与传统能源的协调，以及风电发电的不稳定性。但我国政府和行业已经采取措施来解决这些问题，并进一步推动风电产业的发展。随着时间的推移，我国的风电发展将继续对国内和全球的能源景观产生积极影响。

2 考虑大规模风电接入的不确定性因素

2.1 大规模风电出力不确定性

风速的波动性是风电出力最主要的不确定性来源之一，即使在相同地点，风速也会随着时间而波动，从几秒到几分钟的时间尺度都可能发生变化[2]。这种风速的瞬时波动会直接影响到风电机组的出力。由于风能与风速的三次方关系，小幅度的风速变化也可能导致风电发电量的快速变化，这增加了电力系统的不稳定性。

另外，季节性和气象变化会对风能资源的可利用性产生显著影响，不同季节和地理位置的风速和风向模式可能存在差异。例如，在夏季，气温升高可能导致低风速期，而在冬季可能出现更多的高风速时段。这种季节性变化会影响不同季节的风电产量，需要考虑季节性的电力系统运行策略。

2.2 发电机容量的不确定性

风电发电机是风力发电系统的核心组件，直接影响着风电系统的能量转换效率、可靠性和运行成本。因此，保持发电机的高可靠性、提高其性能和降低维护成本都是风电行业的重要挑战和目标。但是，由于受到种种原因的影响，风电发电机容量存在着一定的不确定性。影响因素之一就是发电机的可靠性，发电机的可靠性问题对于风电发电量的稳定性至关重要。不可预见的机组故障或维护需求可能导致风电机组停机，从而降低了系统的可靠性。这些故障可能包括涡轮机、变速器、电子控制系统等各种组件的故障，可靠性问题不仅会影响风电发电量，还可能导致维修成本和停机时间的增加。

2.3 负荷不确定性

电网规划方案是在满足最大负荷需求的前提下制定的，负荷发展预测的准确程度将会对规划决策的科学性产生直接的影响。负荷预测值的大小不但受到规划年经济气候、政策等多种因素的影响，并且与我国新一代电力系统结构体系息息相关。由于近年来受人类活动、能源结构调整、能源价格波动等因素的影响，未来年负荷预测的不确定性与复杂性将日益增强，对长期负荷的精确预测也变得越来越困难。

3 风电不确定性的处理方法

3.1 机会约束法

机会约束法是一种基于概率的方法，用于处理风电不确定性。它的核心思想是通过确定性的机会约束来约束风电系统的运行，以确保在不确定性条件下仍能满足电力需求[3]。首先，通过历史气象数据和风电场的运行数据进行统计分析，建立风电出力的概率模型，考虑风速和风能的随机变化。其次，根据电力系统的重要性和可接受的风险水平来确定电力系统的可靠性要求，即在不同概率水平下满足电力需求的概率。将风电系统的运行问题建模为一个优化问题，目标是最大化期望收益或最小化期望成本，同时满足可靠性约束。将风电出力的概率分布和可靠性约束转化为约束条件，加入优化问题中，同时使用数学优化技术求解带有概率约束的优化问题，以确定最优的风电系统运行策略。

3.2 场景概率法

场景概率的核心思想是将不同的风速和风能场景建模为概率分布，然后通过对这些场景进行采样来模拟风电系统的运行。首先，根据历史气象数据和风电场的运行数据，建立不同风速和风能场景的概率分布，这些场景可以表示不同时间段内的风电出力水平。通过随机抽样或蒙特卡罗模拟，从不同的场景中生成随机样本，用于模拟风电系统的运行，这些样本包括不同时刻的风电出力。其次，使用生成的场景样本来模拟风电系统的运行，包括电力生成、负荷需求、输电线路状态等，通过模拟可以得出不同情况下的系统运行结果。最后，对模拟结果进行统计分析，得出风电系统在不同概率水平下的性能指标，如可靠性、经济性等。基于模拟结果，制定风电系统的运行策略，包括发电机的输出调整、储能系统的运行、市场参与等。

4 基于大规模风电接入的电网规划方案

4.1 总体思路

在面对大规模风电接入时，电网规划需要制定综合的总体思路，以确保电力系统的可靠性、经济性和可持续性。具体应从潮流计算、电源规划和方案评估等方面入手，形成具有针对性的规划方案。

1.潮流计算。首先，对电力系统进行详细建模，包括发电机、输电线路、变电站、负荷和储能设备等，这需要考虑电力系统的拓扑结构和参数。建立风电出力的模拟模型，考虑风速和风能资源的不确定性，使用历史气象数据和风电场的性能数据来模拟风电出力。随后进行电力系统潮流计算，分析不同情况下的电压、电流、功率流动等参数，考虑风电接入后的电力系统稳定性和可靠性。一般来说，潮流计算的过程应该以电网母线的情况为依据来计算PQ 节点、PV 节点等。但在大规模风电接入之后要充分考虑到风电机组的特性，对风力发电过程当中的电压迭代进行有效的计算，完成PQ 模型和PZ 模型的建立。

2.电源规划。进行电源规划时应该以电网状态、区域用电等相关的数据作为出发点来对未来用电量需求进行一定的预测，确定用电负荷的特性（包括峰值、结构、分布等），全面把握区域用电的情况。选择适当容量和技术特性的风电机组，考虑风电出力的不确定性和系统需求。同时，在调峰方面，考虑引入储能系统，包括电池、超级电容器等，以平滑风电出力波动，提供调峰和调频服务。

3.方案评估。第一，进行经济性评估，包括成本效益分析、投资回报期等，确保风电接入电力系统的经济性，并考虑未来运营成本。第二，评估电力系统的可靠性，包括考虑风电不确定性对可靠性的影响，确保系统能够应对各种运行条件和故障情况。第三，考虑风电接入对环境的影响，包括土地利用、生态保护、碳排放等，制定可持续发展的规划方案。通过这三个方面的评估，选择最优的规划方案。

4.2 规划要点

4.2.1 依照风电容量，合理设置机组

1.区域规划是电网规划的关键一步。风电规划过程中首先要根据风电资源的分布、地形地貌、环境影响等因素，确定风电发电场地的位置和规模，这需要考虑风速和风能资源的分布情况，以便选择最佳的风电场地。同时，合理分布多个风电场地可以降低系统过载风险，确保电力系统的可靠性。

2.要注重计算风电场的容量，根据容量做好电源接入设计。在接入的过程当中，如果电源距离负荷区域较远的话，就可以选择多点接入的方式，保证和提升电网的稳定性和安全性，反之则选择单点接入即可。此外，选择适当的风电机组技术是关键之一，这包括确定风力涡轮机的容量和风电场的总容量。考虑到风电出力的不确定性，机组技术应具备一定的灵活性和响应能力，以适应风速和风能资源的波动。风力涡轮机的容量应根据风速频谱和可利用的风能资源来确定。在低风速区域，可以选择容量较大的涡轮机，而在高风速区域可能需要容量较小的涡轮机，多台不同容量的涡轮机可以组成一个风电场，以适应不同风速条件。有时则可以考虑将风电与其他可再生能源如太阳能光伏系统结合使用，以平滑可再生能源出力的波动性，这种混合能源系统可以提高电力系统的可靠性和稳定性。同时引入储能系统可以帮助平滑风电出力，提供调峰和调频服务，储能系统的容量和配置也需要根据风电场的规模和性能来确定。

3.进行冗余设计，综合考虑电网运行状态、节能减排政策等因素，对规划方案进行前瞻性评估，形成电量冗余、线路冗余、设备冗余等合理冗余，确保大规模风电并网的科学性与高效性。随着我国风电研究与开发水平的提升，多能互补并网已是电网发展的必然趋势，其规划与设计中的大规模风电接入为电网发展提供了新的契机，需要为风电建设留下足够的“空间”[4]。

4.2.2 设置配套装置，做好调峰调频

1.由于风力发电具有随机波动、间歇性、可控性差、可预报性差等特性，使得其无法实现与传统发电单元相同的出力控制[5]。因此，在大规模风电接入之后，需要做好调峰调频机组的建设，通过调峰电源与大规模风电接入的叠加，确保电网的稳定输出，并结合电网规划模型、网损等因素，对大规模风电接入的场景进行合理的预测，充分掌握由于间歇性发电所引起的负荷波动、网损等，并进行相应的动态调节。例如，在能量网格上进行层次分析（AHP），确定多能源情景下的网格时序，进行面向目标网格的动态优化。

2.储能系统在大规模风电接入中扮演着至关重要的角色。储能系统可以在电力需求高峰期间释放存储的电力，以满足高负荷需求，减轻电力系统的压力，有助于防止过载和电力不足的情况发生。储能系统还可以迅速响应电力系统频率的变化，提供调频服务，维持电力系统的稳定性，这对于处理风电出力瞬时波动非常重要。其作为备用电源，当风电出力突然下降或其他设备故障时，储能系统可以迅速补充电力供应。

3.柔性燃机电站是另一种重要的配套装置，用于处理风电出力波动。柔性燃机电站可以在短时间内迅速启动并达到额定功率，以弥补风电出力突然下降的情况，这种快速响应对于维护电力系统稳定性至关重要。此外，这些电站可以灵活调整发电功率，以适应电力系统的需求，它们可以根据风电出力波动进行调整，确保电力平衡。

5 结语

大规模风电接入是实现清洁能源转型和减少碳排放的重要步骤之一，本文强调了风电作为全球范围内不断增长的清洁能源的地位和潜力。然而，我们也要认识到，风电接入伴随着出力波动和不确定性，需要综合考虑多种因素来有效管理和规划。通过机会约束法、场景概率法等处理方法以及合理设置机组和引入配套装置等规划要点，可以更好地利用风能资源，确保电力系统的可靠供电，并推动可再生能源的可持续发展。在未来，持续的技术创新和政策支持将进一步推动大规模风电接入的发展，为清洁、可持续的能源未来铺平道路。