南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力影响分析

卢斯煜，王彤，金小明，周保荣

(南方电网科学研究院，广州市 510080)



南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力影响分析

卢斯煜，王彤，金小明，周保荣

(南方电网科学研究院，广州市 510080)

南方五省区及其近海地区新能源资源储备丰富，大规模发展风能、太阳能等新能源发电，将有助于缓解南方各省区能源短缺和环境污染等方面的矛盾。同时，作为“西部大开发”战略的重要组成部分，“西电东送”是优化南方五省区电力资源配置、促进经济结构调整的一项重要举措，也会对各省区的新能源开发和消纳产生影响。从南方电网“西电东送”特性和送受端电网新能源发电特性的相互作用机理出发，运用含新能源的南方电网中长期运行模拟手段，分析南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力的影响，为“西电东送”送电水平的合理确定和各省区新能源开发时序的合理安排提供参考。

西电东送；新能源；消纳；调峰能力

0 引 言

南方区域水能资源极为丰富，但分布不均匀，可开发装机容量集中在云南和贵州地区；而负荷则集中于东部沿海经济发达地区，仅广东省的电力消费就占南方区域的60%以上，但其能源资源非常短缺。在此背景下，“西电东送”工程应运而生——通过将西部的富余电力送往东部，实现南方区域内资源的优化配置，促进东部和西部的共同发展。

南方电网是世界上最复杂的电力系统之一。近年来，随着南方电网系统规模的不断扩大，风电和太阳能发电等间歇性新能源的加入，大规模跨流域多级水电站的建设和投产，核电及抽水蓄能电站等多种类型电源的接入以及电网远距离交直流混合输电格局的形成，都极大地增加了电网运行的复杂性。尤其是风电和光伏等大规模新能源的发电并网，更是给电网运行带来前所未有的挑战：(1)新能源发电具有随机性、波动性和难以预测性，将增加系统的运行难度；(2)新能源的消纳水平将受到系统的电源结构、网架结构以及负荷特性等多方面因素的制约；(3)在南方电网“西电东送”的框架下，大规模功率跨区转移，这使得在考虑新能源电源与各类型电源跨区协调的同时，也需要考虑电源整体与负荷之间的空间协调优化问题。因此，考虑新能源发电与其他多类型电源的优化调度、跨省区电网的协调运行等，对于南方电网在节能减排、优化区域资源配置等方面具有显著效益。

目前，关于风电消纳的研究主要集中于风电并网带来的调峰调频、运行控制等问题[1-5]，以及风电的外送方式等问题[6-7]。本文从南方电网“西电东送”特性和送受端电网新能源发电特性的相互作用机理出发，运用含新能源的南方电网中长期运行模拟手段，分析南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力的影响，为“西电东送”送电水平的合理确定和各省区新能源开发时序的合理安排提供参考。

1 南方电网“西电东送”与新能源特性相互作用机理分析

1.1 南方电网各省区新能源发电特性分析

截止2015年1月，南方电网五省区新能源装机总量为9 816 MW，新能源发展情况较好的省份为广东(3 156 MW)和云南省(4 361 MW)，其中，云南的风电装机在五省区中最高，达3 174 MW。南方电网五省区的新能源具有以下特性：

(1)季出力特性。

广东、云南和海南风电具有明显季特性，枯水期(11～4月)出力较高，丰水期(5～10月)出力较低，且云南的这种特点更为突出，其风电出力丰枯比达3∶7，与当地水电存在较好的互补关系；而广西、贵州丰枯期的风电出力基本持平。

(2)日出力特性。

南方电网五省区中，除了海南电网白天风电出力较大之外，其他省区夜间的风电平均出力水平都大于白天，具有一定的反调峰特性。

1.2 “西电东送”与新能源特性相互作用机理分析

南方电网“西电东送”最主要的送受端分别为水电资源丰富的云南电网以及用电负荷最大的广东电网。由1.1节中可见，这2个电网也是目前南方五省区中新能源规模最大的省份，因而“西电东送”送电的合理性将对其新能源消纳能力产生影响。

图1给出了云南电网和广东电网夏季(汛期)典型日的负荷曲线。由图中可见，(1)从高峰时段看，云南电网和广东电网的日负荷在该时段具有一定的互补特性。云南电网的负荷最高时段出现在晚间20点，中午相对较低；而广东电网的负荷最高时段则出现在中午12点，晚间相对较低。因此，高峰时段云电送电特性可尽量匹配受端电网负荷特性送电，实现送受端互补。(2)从全天时间尺度看，由于云南电网和广东电网的风电出力均具有一定的反调峰特性，不同的云电送粤特性将给送受端电网带来不同程度的调峰压力，因此，云电的日送电特性，需要综合考虑送受端的负荷特性及风电的消纳能力。若为了充分利用汛期送端(云南)水电资源和新能源电能，西电丰期采取满送的方式送电，西电相对于受端电网(广东)的调峰能力将较弱，这将在一定程度上阻碍受端电网(广东)新能源的消纳；若汛期西电根据受端负荷特性进行送电，将增加送端电网的调峰压力，降低其新能源消纳能力，但同时，由于该情况下西电调峰能力较强，将有利于受端电网新能源的消纳。由以上分析可见，“西电东送”需要合理安排送电特性，才能有效兼顾送受端电网新能源的消纳水平。

图1 云南、广东电网夏季典型日负荷曲线Fig.1 Typical daily load curves of Yunnan and Guangdong power grid in summer

图2给出了西电送电特性对送受端新能源消纳能力的影响。图中横坐标表示不同的送电特性，其中，方式1表示西电完全匹配受端负荷特性送电，方式7表示西电完全按照送端水电特性满送，其他方式为中间过渡方式。由图中分析可见，随着送电特性与受端负荷特性的匹配程度降低，受端新能源消纳能力将逐步降低，而送端新能源消纳能力则逐步增加并趋于饱和；整体上，送受端的新能源消纳特性将呈凸性曲线，最高点对应全网最大的新能源消纳容量及相应的送电特性。

根据此原理，需要在不同西电送电特性条件下，对南方电网送受端系统进行含新能源的运行模拟，评估不同方式下电网的新能源消纳能力。

图2 西电送电特性对送受端新能源消纳能力的影响Fig.2 Impact of west-east power transmission characteristics on renewable energy acceptability of power system

2 含新能源的南方电网中长期运行模拟原理

针对南方电网新能源随机运行特性及“西电东送”大规模电力转移特点，本节构建了含新能源的南方电网中长期运行模拟总体框架和目标，可实现对不同电力规划方案在给定运行模式下的全年运行模拟[8]。通过统计系统模拟的发电成本、能耗、排放、利用效率等多方面的指标，实现对电力规划决策的安全可靠性、经济性、适应性与环保性的多维度评估。同时，利用该模型，可通过更改“西电东送”边界条件，研究其对系统运行及新能源消纳能力的影响。

2.1 运行模拟总体框架

南方电网中长期运行模拟总体框架以中长期尺度下新能源随机出力序列模拟、电源检修计划编制、水电电量优化分配为基础，以短时间尺度下的日运行模拟为核心。在日运行模拟中，考虑南方电网相关运行约束与调度规则，考虑多类型电源相互协调的机组组合，实现对南方电网在中长期运行层面下的精细化模拟(逐日小时级)。根据逐日运行模拟结果计算规划期内系统运行成本、燃料消耗以及污染物排放，同时引入多维度的分析评价指标体系，实现对系统未来运行的全方位评估。总体框图如图3所示。

由图3中可见，模拟框架主要包括3个环节：(1)输入数据环节：根据南方电网电源装机规划方案，结合系统负荷预测、“西电东送”计划、调度运行方式等，形成电力系统运行模拟的边界条件。(2)计算环节：①电源检修计划安排模块：根据系统负荷与系统检修规则安排机组检修，同时考虑不同区域、不同类型电源在检修安排上的互补协调，保证检修计划的合理性；②新能源运行模拟模块：根据新能源资源(如风资源、太阳能辐照条件)的随机特性及新能源装机情况，模拟新能源的随机运行方式，生成符合新能源出力随机性、波动性与时空相关性的一系列出力时间序列[9-12]；③逐日运行模拟模块：根据输入的边界条件、机组检修计划、水电发电计划以及新能源随机出力序列，利用考虑线路约束及“西电东送”约束的机组组合模型，考虑系统中各类型机组的运行特性，以日为单位对系统运行调度开展模拟。(3)模拟结果环节：根据日运行模拟得到的机组出力信息，统计机组发电量、系统运行成本、环保与排放等评价指标，评估规划期内南方电网运行的经济性、节能性与环保性。

图3 含新能源的南方电网中长期运行模拟总体框架Fig.3 Flowchart of mid-long term running simulation of China Southern Power Grid with new energy integration

2.2 日运行模拟总体模型

日运行模拟是实现电力系统中长期运行模拟的核心模块。根据电力系统实际需要，日运行模拟可实现运行成本最低(计及发电、购电成本、售电收入等)、发电能耗最低(计及单耗、发输损耗等)、系统排放最低等不同的优化目标。以系统发电成本Csys最低为例，目标函数可表示为

(1)

模型考虑的机组类型包括火电、燃机、热电、水电、抽水蓄能、核电、风电以及太阳能光伏发电等，对不同类型的发电机组分别建立运行模拟模型，并采取适当的模拟方法。模型考虑的约束条件包括：系统负荷与发电功率平衡约束、火电机组技术出力约束(出力上下限、爬坡约束、最小开停机时间约束)、新能源出力约束(调峰不足下的新能源切除约束)、水电及抽蓄出力约束、系统备用约束等。

3 算例分析

本节以云南电网和广东电网为例，根据前文所提方法，在不同的云电送电特性下，采用典型日及典型风电出力曲线进行运行模拟，分析云南电网及广东电网的风电消纳能力(即在不同的“西电东送”特性下，送受端电网各自所能消纳的最大风电容量)，研究送电特性与送受端风电消纳能力的协调关系。

本算例采用清华大学电机系开发的电力规划决策支持系统(gridoptimizationplanningtoolbox,GOPT)软件进行模拟计算。

3.1 基础数据

为了校验“西电东送”特性对送受端风电消纳能力的影响，研究采用云南及广东未来某规划年份的平水年和枯水年汛期(9月份)最大峰谷差日进行模拟计算。系统装机规模及送电通道容量见表1及表2，负荷数据见表3及图4，风电出力采用9月典型反调峰曲线场景，特性如图5所示。

表1 规划年份云南、广东规划机组数据

Table 1 Installed capacity proportion of Yunnan and Guangdong in the planning year %

表2 规划年份云电送广东规划容量Table 2 Power transmission capacity from Yunnan to Guangdong Provinces in the planning year MW

图4 云南及广东电网最大峰谷差日负荷曲线Fig.4 Daily load curves of Yunnan and Guangdong provinces with maximum peak-valley difference表3 规划年份云南、广东9月份最大峰谷差日负荷数据Table 3 Load data of Yunnan and Guangdong in the planning year

3.2 优化结果

3.2.1 平水年结果分析

为便于分析，设定7个不同的汛期云电送粤方式：(1)方式1根据广东电网负荷特性送电；(2)方式2在方式1的基础上，各时段送电电力提高10%(若超出容量上限则取现值)；(3)方式3～7以此类推。各方式下送电特性如图6及表4所示。

如图7所示，研究发现：(1)云南电网方面：由于规划年份平水年汛期云南存在大量弃水电量，在不增加弃水的前提下，云南汛期基本不存在风电消纳能力，因而如图7(a)所示，无论云电外送曲线如何变化，其风电消纳能力总是为0；(2)广东电网方面：如图7(b)所示，随着各时段云电送电电力逐渐增加，其调峰能力将逐渐减弱，增加了广东电网的调峰压力，阻碍了其风电的消纳能力；(3)整体方面：如图7(c)所示，由于规划年份平水年汛期云电送电曲线对云南风电消纳能力不存在影响。因而，若单纯从最优化全系统的风电消纳而言，云电通道平水年汛期可匹配广东电网负荷特性送电。但值得注意的是，在汛期，若选择消纳风电，则势必将挤占水电的运行区间；若选择消纳水电，则将降低风电的消纳能力，因此，西电送电特性的选取，也需要综合权衡弃风和弃水的影响，以全网运行成本最低为目标进行优化。

图5 云南及广东9月份风电典型反调峰出力曲线Fig.5 Typical wind generation output curve of Yunnan and Guangdong in September

图6 平水年云电送粤方式Fig.6 Scenarios of Yunnan-Guangdong power transmission in normal year表4 规划年份平水年不同方式下云电送粤特性Table 4 Transmission characteristics of different Yunnan-Guangdong power transmission scenarios in normal year

图7 平水年西电送电特性对云南、广东风电消纳能力影响Fig.7 Impact of west-east power transmission characteristics on wind power acceptability of Yunnan and Guangdong power grid in normal year

3.2.2 枯水年结果分析

图8及表5给出了枯水年汛期典型日云电送粤曲线方式，各方式的设定原则同上节。

图8 枯水年云电送粤方式Fig.8 Scenarios of Yunnan-Guangdong power transmission in dry year表5 规划年份枯水年不同方式下云电送粤特性Table 5 Transmission characteristics of different Yunnan-Guangdong power transmission scenarios in dry year

图9 枯水年西电送电特性对云南、广东风电消纳能力影响Fig.9 Impact of west-east power transmission characteristics on wind power acceptability of Yunnan and Guangdong power grid in dry year

如图9所示，研究发现(1)云南电网方面：由于规划年份枯水年汛期云南可用水量相对较少，但水电调峰能力强，因而风电消纳能力较强；同时，如图9(a)所示，随着外送电力的增加，云南电网风电消纳能力逐步提高。(2)广东电网方面：如图9(b)所示，随着云电送电电力逐渐增加，广东电网面临的调峰压力将逐步加剧，风电消纳能力逐步下降。(3)整体方面：如图9(c)所示，综合考虑不同送电特性，送受端整体的风电消纳能力呈现先上升后下降的趋势，在场景5和6附近系统整体将获得最佳的风电消纳能力。因而，若单纯从最优化全系统的风电消纳而言，云电通道枯水年汛期可按照云南电网水电特性送电。

4 结 论

南方五省区及其近海地区新能源资源储备丰富，大规模发展风能、太阳能等新能源发电，将是南方电力系统未来发展的趋势。而“西电东送”将在促进新能源消纳，进一步优化资源分配，实现能源互补等方面发挥重要的作用。

本文研究了南方电网“西电东送”特性和送受端电网新能源发电特性的相互作用机理，并提出含新能源的南方电网中长期运行模拟手段；通过分析南方电网“西电东送”特性对送受端电网新能源消纳能力的影响，为“西电东送”送电水平的合理确定和各省区新能源开发时序的合理安排提供参考。同时，以某规划年份汛期的云南电网和广东电网为例，分析平水年和枯水年条件下不同送电特性对电网整体风电消纳能力的影响，结果表明：若单纯从最优化全系统的风电消纳而言，云电通道平水年汛期可匹配广东电网负荷特性送电，枯水年汛期可按照云南电网水电特性送电。但需要强调的是，西电送电特性的选取，需要综合权衡弃风和弃水的影响，以全网运行成本最低为目标进行优化。

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(编辑：刘文莹)

Impacts of West-East Power Transmission Characteristics on Renewable Energy Acceptability in China Southern Power Grid

LU Siyu, WANG Tong, JIN Xiaoming, ZHOU Baorong

(Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China)

There are rich renewable energy reserves in five provinces in Southern China and its offshore areas. The large-scale development of renewable energy, such as wind power and solar power, can help to alleviate the problems of energy shortage and environment pollution in Southern China. On the other hand, as an important component of China’s western development strategy, west-east power transmission is an effective measure to optimize the allocation of electric power resources and promote the adjustment of economic structure for five provinces in Southern China. Based on the interaction mechanism of west-east power transmission characteristics in China Southern Power Grid and renewable energy generation characteristics, this paper uses the mid-long term production simulation method of China Southern Power Grid to analyze the impacts of west-east power transmission characteristics in China Southern Power Grid on the renewable energy acceptability, which could provide references for the reasonable determination of west-east power supply level and the reasonable arrangement of the exploiting priority scheduling of renewable energy in each province.

west-east power transmission; renewable energy; acceptability; peak load regulation

中国南方电网公司科技项目(SEPRI-B12036)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0053-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.008

2015-06-30

2015-08-05

卢斯煜(1986)，男，博士，工程师，主要研究方向为电力系统规划与可靠性、新能源发电等；

王彤(1989)，男，硕士，助理研究员，主要研究方向为电力系统规划与可靠性、新能源发电和电力技术经济；

金小明(1963)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为电力系统规划、电力系统运行分析、新能源发电；

周保荣(1974)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为电力系统规划、电力系统运行分析、新能源发电。

Project Supported by the Science and Technology Program of China Southern Power Grid (SEPRI-B12036).