新能源电力接入对电网规划的影响思考

国网河南省电力公司经济技术研究院 张 园

在全球能源日益紧缺和绿色理念深入人心的背景下，新能源应运而生，新能源逐渐融入电网建设的方方面面。在2022年5月12日的经济和生态文明领域建设与改革情况新闻发布会上，国家发展和改革委员会明确提出要加快构建新能源供给消纳体系，大力推动能源革命，有序有力有效推进“双碳”工作。传统能源的退出必须在新能源安全可靠的基础上，坚持先立后破，实现安全降碳。因此，在现代电网规划中，新能源电力接入既是大势所趋，又是发展需要，所以应考虑到新能源并网造成的系统性问题，精准地对电力接入进行计算和评测，从而最大限度地发挥新能源的积极作用，控制新能源接入后对电网规划的负面影响，从而实现电网能源管理和运用的转化。

1 新能源电力接入对于电网性能造成的影响

1.1 对电网整体功率平衡造成的影响

在电网规划中，发电机组、电缆网络以及终端用户形成一个电力供应的闭环，在电力供应中，功率应维持在稳定状态，才能够保证电能的供需平稳。然而，电力需求与日俱增，传统的电力供应存在着电压或者频率不稳定的情况，时常发生电网功率的失衡等故障，对于电网规划与管理维护带来了诸多困扰。在有功功率波动较大时，发电侧会进行补给。因为电力系统是一个实时平衡的系统，当负荷侧有功功率波动时，特别是波动较大时，将出现有功缺额，有功负荷波动如图1所示。

图1 有功负荷波动图

新能源的电力接入，可以结合电网运行情况调整能源占比，以此来平衡电网整体功率，保证电网规划的稳定性。

1.2 对电网电能质量造成的影响

电网规划的核心是通过合理调配电能，为用户提供稳定、可靠的电力供应服务，发挥电力行业的社会价值。在电力供应过程中，电压、电流等电能质量关系到用户的切身体验，同时也反映出了电网规划的合理性。新能源电力接入，可以有效降低传统能源主导下的电能质量问题。当然，电网规划也必须充分考虑到新能源自身的波动性等，有针对性地进行规划和预判，从而更好地改善电能整体质量。例如，在风能发电接入时，由于新能源发电装置会产生谐波与直流分量，在谐波与直流分量融入电力系统后，将导致电网电压畸变，从而影响电能质量。基于此，在新能源并网时必须进行相应的调控，通过对风力发电的峰值、谷值、均值等进行测算，从而规划出最为合理的电网模型。如图2所示，新能源的电力接入，必须结合其能源特性，通过主站和子站的调控功能，最大限度地优化电能质量。

图2 新能源接入电网的电能质量协调控制系统

1.3 对电网安全保障造成的影响

当前，我国电网体系是基于传统能源进行规划的，电力系统的稳定性较强，但在长期使用过程中不可避免地出现了老化或者磨损，电网的整体安全性有所下降。而新能源电力的接入，必然会增加电网系统的整体复杂度，其并网后的电网系统稳定性难以得到有效的保证。因此，电网规划应综合电网建设规模、新能源设备类型等因素，并通过仿真模拟电网运行状态，确保电网运行的稳定性。如在接入风力发电技术时，普遍存在孤岛问题、低电压穿越问题等，针对新能源应用中的现实问题进行分析，采取预防措施，可以确保电网运行的安全性。

2 新能源电力接入的电网规划模型探讨

在我国，风力发电和光伏发电是目前技术相对成熟、使用较为广泛的新能源，与传统能源相比具有环保性，并且可以循环利用，但同时也具有十分明显的不确定性和不稳定性。因此，在电网规划模型设计过程中，应构建出与之匹配的电力系统模型。利用逐步扩展法网络规划模型进行计算，其流程图如图3所示。

图3 逐步扩展法网络规划模型流程图

在保证电网系统稳定、安全、高效运行的基础上，尽可能地降低新能源弃电量，提高新能源的利用效率。本文将从电力、电量以及调峰三项平衡的层面，对新能源的发电场景进行模拟，探索传统能源与新能源电力交换和新能源消纳的模型。

2.1 新能源发电场景模拟的基本思路

在常见的新能源中，光伏发电主要受到日照的影响，相对比较稳定，而风电的随机性和地域性更强，因而是电网规划中新能源接入的重要考察对象。实践中，由于风力发电涉及当地风力、风向、气候等因素的影响，单一时间内测量的数值并没有多少参考性，进行精准的预测并不现实。然而，可以利用统计学核算风力发电站一段时间内的记录数据，结合数据分析，明确风力发电的特性，预测风力发电现存问题，从而为电力接入的规划设计提供重要的数据参考[1]。

2.2 风力发电的时间特性和空间特性

在风力发电中，季节性和昼夜性的影响因素非常明显。其中，在昼夜性上通常呈现出“一峰一谷”的现象，总体来说白天的风力相对较小，而夜晚的风力相对较大，14时至20时的时间段内风力往往偏小，因而该时段的发电量处于低谷状态。而在季节性上则与地方的气候尤其是冷空气活动的情况有着密切的关系，其中冷空气活动较多的季度，发电量通常都在装机容量的40%至70%，而冷空气活动的间隔期内发电量则会下降到20%至60%，个别时间甚至可能会降至几乎为零的状态，因而对于电网的整体电力供应造成明显的影响。

在空间属性方面，风力发电既受到风力发电场规模的影响，同时也与电场所处的地理位置与环境有着密切的关系。实践表明，风力发电场群的电力供应波动最弱，单一风力发电场的电力供应波动次之，单一风力发电机的电力供应波动最强。究其根本，是单一波动的剧烈程度，会被集群效应所稀释，逐渐趋向于平稳的状态。此外，不同位置的风电机、风电机组也会产生风力资源之间的互补和抵消效应，从而维持风力发电总量的相对平衡状态，这也就是风力发电、光伏发电等新能源往往以大规模集群方式出现的原因。

2.3 风力发电的指标评析与电力接入模型设计

通过对风力发电的时间和空间特征进行分析得知，单一、孤立地评价其电力指标并不科学，也不利于电网规划，必须从概率学和统计学的角度进行整体性、阶段性和长期性的综合评析，才能够全面地掌握风力发电的基本规律，进而为电网规划奠定坚实的基础。将P设定为风力发电的出力系数，其均值和标准差的计算公式可以列为以下公式：

正如上文所述，风力发电既受到时间因素的影响，也受到空间因素的影响，其波动性并不稳定且没有固定的规律，因而只能通过概率学的方法对波动率的分布情况进行统计，从而相对精确地测定风力发电的出力数据，以便为电网规划时的指标预测与匹配提供参考。尤其是风力发电在波动过程中可能会从峰值一直下降到接近于0的状态，对于电网的调峰提出了更高的要求，因而必须在测算出整体风电供应量的同时，做好峰顶和谷底电力供应值的调峰设定，从而最大限度地减少电力不足以及弃电过多的风险。其公式可以设定为：

在上述公式中，PW指的是风力发电机的输出功率，a和b分别表示风速以及风力发电的出力参数，v指的是等效风速，c和k则分别表示韦氏分布的尺度参数与形状参数[2]。

2.4 基于新能源消纳能力的电网规划模型及其算法

在电网规划中，新能源电力的接入必须充分考虑新能源的特殊性，在保障用电稳定与安全的前提下，尽可能地减少弃电量，使新能源得到最大限度的利用。具体的规划模型，应当采取双层优化结构，具体框架模型如图4所示。

在双层优化结构中，下层是基础数据，包括电网的整体结构、新能源的出力发电模型以及相关的数据指标；而上层是对新能源消纳能力的精准计算。通过对发电机使用周期、电网线路使用年限、系统电量损失、环境成本等因素，进行下层多目标成本的经济性计算，并予以数据优化，再对弃风弃光率等新能源消纳数据的二次优化，最终测算出最为科学、合理的电网规划方案。其中上层指标的计算函数为：

在该公式中，NT指的是进行数据研究与测算的时段总数，而Pabd（t）则表示在t时间内，系统因电力负荷发生变化，即使进行调峰也无法有效处理和负担新能源所产生的弃风或者弃光电量。

图4 新能源电力接入电网规划双层优化结构图

3 电网规划中新能源电力接入的优化策略

在电网规划中，新能源电力接入的兼容性等问题已经得到了解决，但因新能源消纳问题所产生的弃风、弃光电量，已成为束缚新能源高质高效发展的一大桎梏，如何切实有效提升新能源的利用率，从而降低新能源的单位成本、提升能源经济效益，是当前需要深入思考和严肃对待的课题。

3.1 新能源储发电容量优化策略

对风力发电、光伏发电等新能源进行储发电，指的是在电网系统上设置一套储能装置系统，打造出发电和供电之间的电力储备站和中转站，从而缓解新能源发电在波动性和间歇性等方面的弱势，保证供电、用电一端的电压、电流稳定性，同时也能够有效减少新能源的浪费问题。储发电系统通常由新能源发电机组、整流器、逆变器以及智能控制器组成，而储发电的容量装置是最为核心的部分，同时也是决定前端电力消纳率和后端供电稳定性的关键因素。关于储能容量的计算，主要采取以下公式：

其中，W是指储发电的总容量，通过对补偿周期TE内电力输出功率的均值计算，可以确定风力发电系统在一段时间内的输出总量，进而计算出储发电装备所需设定的最大容量。在实践操作中，当系统的实际发电功率，即PWP（t）高于目标输出功率即Pref时，超出的电量不再弃置流失，而是转入储发电系统进行储备，而当发电功率低于输出功率时，再从储发电系统中将储备的电力提取出来进行补充，从而实现电网发电的稳定有序、良性循环[3]。

3.2 风火打捆输电协调优化策略

风火打捆输电协调实际上是当前火力发电与新能源发电并行发展阶段的优化策略，通过将传统火电与新能源电力融合运用，可以在大幅减少化石能源使用量的同时，有效缓解新能源的不稳定问题，从而确保大规模的电网能源供应，这是当前传统电网规划进行优化升级的最优解。

采取打捆输电的模式，必须明确发电主体的主次关系，从目前来看，该策略主要是应对大规模新能源发电可能出现的剧烈电力波动问题，因而应当以新能源发电为主，尤其是在峰值时期应当全部由新能源承担发电任务。而当风力、光伏等新能源的供应低于基础值甚至达到低谷时，要逐渐加大火力发电的供应量，从而保证供电渠道的稳定性。因此，在风火打捆输电模式下，风力发电机组的规模要占有绝对的比重，从而最大限度地消纳新能源电力，避免能源的流失，而火电机组主要是承担电力调峰的作用，装机比例相对要低一些。值得说明的是，该模式主要适用于大规模的新能源发电场，如果发电基地的整体规模偏小，火力发电因机组将难以起到调峰作用，抑或是风力发电因占比不足而难以发挥自身优势[4]。

3.3 新能源发电调度优化策略

新能源并网后，将出现大规模间歇式运行问题，该问题将影响电网调度质量，因此需要针对电网调度支撑技术进行研究，结合新能源的优势完善调度决策支持系统。在电网调度运行中，应预测新能源发电功率，可以利用预测模型分析新能源发电功率，并不断完善预测模型的适应性。新能源发电功率预测流程图如图5所示。

现阶段，由于我国技术受限，并未构建完善的数值天气预报生产基地，因此对新能源发电功率预测方面的数值天气预报计算模式进行研究分析，进而为构建数值天气预报生产基地提供有力支持。当前，我国在风力发电短期功率预测方面的研究正在逐步深入，为实现电网多时空尺度下的调度目标，还需对新能源发电功率预测臵信度辨识技术、风电功率精细化预测技术等进行研究，以此来实现新能源综合优化调度管理目标[5]。

图5 新能源发电功率预测流程图

4 结语

综上所述，在社会迅速发展的背景下，人类对于能源的需求有增无已，而石油、煤等传统化石能源的储量日益枯竭，因此新能源的研发、引入工作逐渐推进。对此，电网规划必须将新能源的电力接入提上日程，并将其作为电网建设与优化发展的核心要务。当前，电力资源供需市场渐渐呈现出跨区域、跨类型的竞争趋势，电力企业如何进行有效的电网规划，利用最小的成本为客户提供高质量的电力资源，是值得深入研究的重要课题，也是我国新能源可持续发展的重要方向。