电网在调峰能力约束下接纳风电能力的估算

闫广新，施 海，刘新刚，王 凯

（1.新疆电力设计院，新疆乌鲁木齐 830001；2.新疆风电工程设计咨询有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830063）

随着风电装机规模逐渐增大，并网风电的随机性和间歇性对电网产生冲击也更加严重，对电网调峰能力的考验也更加突出。影响电网对风电接纳能力的因素很多，例如并网风电的电能质量、电网自身的调峰能力和无功补偿能力以及电网的响应特性等，其中一些因素的不利影响可以通过加强区域电网建设来解决。例如电网的响应特性决定了电网在运行中的暂态稳定性，可以在输电规划和电网系统的设计时通过加强电网网架结构加以解决；电网的无功补偿能力可以通过优化无功配置方法来加以解决；并网风电的电能质量可以通过风电机组选型的优化及接入系统电压等级的调整进行改善［1］。但是作为影响电网风电接纳能力的主要因素，电网自身的调峰能力却无法通过电网运行设备的改造和完善来解决，因此区域并网风电的建设规划，必须考虑当地电网的调峰能力。本文将结合阿勒泰地区电网规划，对电网调峰能力与消纳风电能力间的关系进行分析，在考虑风电场集群效应研究的基础上，计算风电场可以上网的安全装机容量，从而为合理安排当地风电规划和调度策略提供支持［2－4］。

1 计算方法

风电不具有常规电源输出稳定、可调度等特点，对于电网而言，风电波动类似于一个负的负荷扰动。在风电场出力产生较大波动变化时，需调整电网常规电源的出力水平平衡风电出力的变化。因此，当有大量风电注入电网后，电网中常规电源除了要为负荷波动留出足够备用外，还需要为风电场留出一定备用能力，用于平衡风电出力的变化，可以说风电在电网中具有一定的反调峰性。区域电网受常规电源（火电机组和水电机组）调峰能力的限制，在低谷时接纳风电能力最差。

根据区域电网的调峰能力计算电网风电接纳能力，必须考虑当地电网的常规电源调峰能力和联络线的输电能力。通过尖峰时刻电网负荷的预测可以确定常规电源的开机方式，分析火电机组和水电机组向下调整的调峰能力，可以确定电网的网供电力最低限值。根据电网的网供电力的最低限值和低谷时刻负荷预测值，对电网风电接纳能力进行估算。进一步考虑风电场集群效应，计算出电网可接纳的风电安全装机容量。图1为受调峰能力约束的风电接纳能力算法框图。

图1 风电接纳能力算法框图

1）负荷尖峰时刻电网最大供电能力 尖峰时刻常规电源出力包括水、火电机组出力及联络线送出电力。负荷尖峰时刻电源的开机需配备一定的旋转备用容量。为了把电源出力折算成网供电力，应减掉电源的厂用电及网损，联络线送出电力折算成网供电力时应考虑加上损耗。因此尖峰时刻电网最大供电能力：

式中：Pmax为尖峰时刻电网最大供电能力；Ph为火电机组出力；Ps为水电机组出力；δG为电源厂用电率；δS为输电网损率；PL为联络线送出电力；δlos为联络线损耗率。

通过对负荷尖峰时刻电网最大供电能力的分析，可以确定常规电源的开机方式，然后再对常规电源的调峰能力进行分析，用来求取低谷负荷时刻可以达到的最小网供电力。

2）负荷低谷时刻电网最小网供电力 负荷低谷时刻电网最小网供电力是在常规电源调峰能力约束下，通过降低常规电源的运行出力从而得出的。在尖峰时刻常规电源开机方式确定的基础上，根据常规电源的调峰能力，并考虑电源厂用电、网损、以及联络线送出电力和损耗等情况，即可求出负荷低谷时刻电网最小网供电力：

式中：Pmin为负荷低谷时刻最小网供电力；P′h为火电机组考虑调峰能力最小出力；P′s为水电机组考虑调峰能力最小出力；ε为低谷时刻联络线送出电力调整系数。

3）负荷低谷时电网的风电接纳能力 根据上述取出的负荷低谷时刻最小网供电力，考虑到风电场厂用电，负荷低谷时电网的可接纳风电为：

式中：Pwind为低谷时刻可接纳风电电力；Pload为低谷预测负荷值；δwp为风电场厂用电率。

当电网内有多座风电场时，由于风能的空间差异性而使得风电场群总输出功率相对波动幅度小于单个风电场输出功率的波动幅度的现象，称之为风电场集群效应［5－6］，风电场集群可能最大出力与风电场集群额定容量之比为集群效应系数：

考虑风电场输出功率集群效应，可以得出电网安全接纳的风电容量：

式中：WG为可接纳风电容量；ρ为风电场集群效应系数。

随着风场数目增加，风电场集群系数ρ随之减小；根据多年运行的结果，阿勒泰电网内风电场集群系数约为0.82。

2 阿勒泰电网风电接纳能力估算

阿勒泰电网是一个处在新疆电网末端的送端电网，根据阿勒泰地区的“十二五”电网发展规划，2015年当地的火电装机容量将达到982 MW，水电的装机容量达到1081 MW。2015年阿勒泰规划网架通过3回220 k V线路接至新疆主电网，由于电气距离长网架的结构较弱，联络线送出的电力暂态稳定极限约为600MW。

阿勒泰电网内的火电机组都是供热机组，并用“以热定电”的原则进行设计，特别到了冬季，火电机组出力可调范围有限，水电受自然因素的影响，出力受阻严重，因此冬季电网内常规电源的调峰能力比较低，对电网风电接纳能力的影响更大。根据阿勒泰地区电网“十二五”发展规划测算，2015年阿勒泰地区冬季的最大负荷约662 MW，最小负荷约397 MW，如果联络线送电电力按600 MW考虑，参考电网历年运行情况阿勒泰冬季的水电和火电机组的厂用电率和网损率综合考虑约为8%，风电场的厂用电率约为2%，联络线损耗率约为1.8%。另外，电网在运行过程中需要的旋转备容量，按最大负荷的3.5%考虑，2015年阿勒泰地区的供热机组调峰能力预计为35%（径流式小水电冬季按装机容量30%出力计算，不参加调峰）。风电场集群系数ρ取0.82，见表1。可以得到冬季小负荷典型运行方式下阿勒泰电网可接纳风电电力Pwind为384 MW，可接纳的风电装机容量WG为468 MW。

表12015 年阿勒泰电网风电接纳能力估算

2011年底阿勒泰地区已建成49.5 MW风电场4座，在建的5座49.5 MW风电场计划2012年底至2013年初逐步建成投产，届时阿勒泰地区风电总装机容量将达445.5 MW，接近受调峰能力的制约的阿勒泰地区风电的可接纳的极限容量468 MW。

3 结论

在风电大量并网的情况下，电力系统调峰能力将成为风电接纳能力的瓶颈。本文建立了电网在调峰能力约束下，电网低谷时刻风电接纳容量的计算方法，并根据阿勒泰地区“十二五”规划的电网结构，计算了2015年阿勒泰地区最大可接纳风电装机容量，可为有关部门在制定风力发电场发展规模时提供参考。阿勒泰电网处于新疆电网北部末端，地区水能、风能资源丰富，但是这些清洁能源的开发应与地区消纳能力和电网送出能力相匹配，建设速度过快可能导致建设项目的浪费。

［1］ 李 强，张 洋，李明慧.电网接受风电能力的研究［J］.电力电子技术，2010，44（6）：20-22.

［2］ 刘长义，韩 放，于继来.互联电网的调峰调频和联络线调整［J］.电网技术，2003，27（4）：1-3.

［3］ A Feijoo，J Cidras.Modeling of Wind Farms in the Load Flow Analysis［J］.IEEE Trans on Power Systems，2000，15（1）：110-115.

［4］ 吕勤学，刘 刚，黄自元.电力调峰方式及其存在的问题［J］.电站系统工程，2007，23（9）：37-40.

［5］ Changling Luo，H.Golestani Far，H.Banakar，Ping-Kwan Keung，Boon-Teckoi.Estimation of Wind Penetration as Limited by Frequency Deviation［J］.IEEE Transaction on Energy Conversion，2007，22（3）：783-791

［6］ Julija Matevosyan.Wind power integration in power systems with transmission bottlenecks［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，17（4）：1132-1139.