电网接纳风电能力的评估及应用

朱黎

【摘 要】风电接纳能力评估方法可以分为工程化方法、数值仿真法、制约因素法和数学优化法4种。其中工程法主要根据历史经验通过估算的方法获得评估结果；数值仿真法主要通过仿真实验得到结果；制约因素法主要考虑制约风电接纳的因素，如电压稳定性、电能质量、系统调峰能力、网络传输能力等来评估风电接纳能力；数学优化法则通过构建优化模型，综合考虑多种约束条件来评估系统的风电接纳能力。

【关键词】电网；接纳风电能力；评估方法；应用

大规模具有随机性、间歇性甚至反调峰特性的风电接入电网，而国内各风电场均无法提供有效的风电出力预测，同时风机和风电场出力尚不具备在线控制、调节功能。电网中除风电以外的其他电源的出力，不仅须随负荷变化进行调节，还须为适应风电出力变化进行调节[1]。随着风电装机容量的增大，风电出力波动对电网的影响也日益加大。目前关于电网接纳风电的能力，尚无明确的定义及权威部门认可的标准计算方法。鉴于此，亟须研究一套标准的电网接纳风电能力评估体系。

一、风电接纳能力的影响因素

电网影响因素主要包括以下几个方面：

第一，电网的负荷水平与负荷特性。电网的负荷水平和峰谷差率直接决定了风电允许接人的容量。

第二，电源结构。目前国内风电富集地区的电源结构大都以煤电为主，供热机组占很高比例，没有或只有很少抽水蓄能电站，风电装机容量接近甚至超过水电，这样的电源结构不利于大规模风电接入。

第三，调峰能力。电网的调峰能力和最小开机出力约束了并网风电的规模。风电自身影响因素主要体现为风电运行特性和风电技术装备水平。若风电场装设了风电功率预测系统，并不断提高其预测精度，同时若风电场有功出力能在线调控，出力绝对值及出力变化率（变化速度）能有效控制，则有利于电力调度对电网中其他电源开机方式的合理安排，可以大幅度提高电网接纳风电的能力。

二、风电接纳能力评估方法及应用

（一）工程化方法及应用

工程化方法主要根据历史经验通过估算的方法来确定并网风电场的最大接入容量，主要用于风电场规划，多出现在风电接纳能力评估的第一阶段[2]。该方法常用到2个指标，即风电穿透功率极限和风电场短路容量比。风电穿透功率极限是指系统能承受的最大风电场装机容量与系统最大负荷的比，是从全网的角度出发，表征一个给定系统最大可承受风电容量的大小，其值越大说明系统的风电接纳能力越强。风电场短路容量比是指风电场的额定容量与并网点PCC（pointofcommoncoupling，PCC）短路容量的比值。该指标从局部电网出发，表征风电注入对局部电网电压质量和电压稳定性的影响，决定了网络承受风电扰动的能力。尽管风电穿透功率极限能够很好地反映系统的风电接纳能力，但其存在

着求取较难的缺点，在实际应用中通常利用经验数值，或直接利用短路容量比来近似确定风电的最大并网容量[3]。

虽然工程化方法在使用的过程中简单方便，但由于系统的运行方式多变，利用工程化方法确定系统的最大风电装机容量往往存在着较大的误差。在实际应用时，该方法可与其他几种评估方法相结合，作为其他方法评估结果的边界条件。例如，在利用数值仿真法确定风电场最大装机容量时，可以将工程化方法得到的评估结果作为数值仿真时风功率出力水平的选取依据，在此基础上逐渐改变风功率，进而确定该方法下风电场的最大装机容量。

（二）数值仿真法及应用

数值仿真法的基本做法是基于仿真平台，搭建系统模型，在假定风功率出力水平一定的条件下，通过改变系统运行工况、设置故障等方法研究系统的安全、稳定性，接着通过改变风功率出力水平确定系统的最大风电并网容量。通过数字仿真法，对含大规模风电并网的系统可能出现的多种工况进行了模拟，结果表明系统的负荷水平、日运行计划、机组的最小出力限制、系统对电压水平的要求等因素都可能制约系统可接受的风电容量；数值仿真法主要基于仿真平台构建系统模型，考虑各种影响风电接纳的因素，利用时域仿真的方法来确定系统的最大风电装机容量，多用于第一阶段风电接纳能力评估。该方法物理概念清晰，只要模型正确就可通过仿真分析获得系统的最大风电装机容量。但该方法计算量大，不仅要确定一个给定系统的最大风电装机容量不仅需要建立复杂的系统模型，还需要进行海量的仿真计算，实用性差。为解决数值仿真法存在的计算量大、耗时长等问题，可以从以下几个方面考虑：简化模型，根据应用场合忽略一些次要因素的影响；与其他评估方法相结合，根据已有初步的评估结果（工程化方法得到的结果或经验数据）设置仿真时的风电出力水平，减少工作量；采用先进、成熟、应用广泛的电力系统仿真软件进行建模与仿真。

（三）制约因素法

制约因素法在风电接纳能力评估的第一阶段和第二阶段都得到了广泛使用。在第一阶段，学者从制约风电并网容量的因素出发，如系统的频率、电压、静态安全性、动态稳定性等，对风电最大接纳容量进行了研究。实际上，当风电接纳能力评估发展到第二阶段，学者们已经普遍认识到：现阶段制约我国风电消纳的主要因素是系统调峰能力与电网输送能力，至于风电并网引起的系统潮流、电压稳定、电能质量等问题在局部电网内部即可解决，尚不至于制约整个系统对风电的消纳。

综上所述，制约因素法主要从限制电网对风电接纳的因素出发，以不影响系统安全稳定运行的最大风电接入容量来表征电网的风电接纳能力。但在不同的发展阶段制约因素法偏重的角度有所不同：在第一阶段，其主要从制约风电并网容量的角度出发进行风电接纳能力评估，所得结果往往只是反映系统某一节点在某一制约因素下的风电消纳能力，所得结果不具一般性；而在第二階段，制约因素法更偏重于从系统整体的角度来评估电网风电接纳能力，所得结果无法有效反映局部电网的风电消纳能力。

（四）数学优化法及应用

随着最优潮流在电力系统中应用的不断深入，优化方法开始应用于电力系统的风电接纳能力计算。由于优化方法可以综合考虑多个影响风电接入的制约因素，其在确定系统最大风电接入容量方面得到了广泛应用。与此同时，优化方法在短期和超短期风电接纳能力评估中也得到了应用。与第一阶段不同，此阶段的风电接纳能力评估主要从优化系统调度运行出发，考虑系统经济成本、网络安全约束、潮流约束等因素来确定系统的风电接纳能力。可以看出，优化方法多通过构造优化模型，以系统的安全稳定运行为约束来确定风电接纳能力。

由于考虑了多种制约因素，所得结果能更准确地反映系统的风电接纳能力。但是，过多地考虑风电接纳能力的制约因素容易使得评估模型复杂化，引起求解困难、评估结果保守的后果。因此，实际应用时应尽可能考虑关键制约因素的影响，弱化非关键制约因素的影响，从而使模型简化。另外，研究新型高效的求解算法也将有助于优化法的进一步应用。

三、结论

近年来，风电在世界范围内迅猛发展，产生了良好的社会、环境效益。然而，风电具有多个时间尺度上的随机波动特性，随着渗透水平的逐渐加大，电网消纳风电的难度随之加大。现阶段，主要由于电网调峰能力与传输能力的制约，我国电网出现了较为严重的弃风问题，引起了全社会的普遍关注。基于此，对电网风电接纳能力进行科学、合理的评估不仅有助于风电场规划发展，从源头解决弃风问题，还可为系统调度提供有益的参考，从运行控制层面缓解风电接纳所带来的影响。

【参考文献】

[1]申洪，梁军，戴慧珠.基于电力系统暂态稳定分析的电网接纳风电能力计算[J].电网技术，2015.

[2]姚金雄，张世强.基于调峰能力分析的电网风电接纳能力研究[J].电网与清洁能源，2017.

[3]韩小琪，孙寿广，戚庆茹.从系统调峰角度评估电网接纳风电能力[J].中国电力，2015.