新能源发电项目消纳能力研究综述

2018-06-05

电气开关 2018年5期

(国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江杭州 310007)

1 引言

随着世界经济的发展，常规化石能源供应不足的情况日益凸显，环境污染问题越来越严重，开发和利用新能源有助于缓解能源供应和环境问题所带来的压力，新能源具有清洁、可再生、对环境友好等特点，不会导致一系列棘手的生态及经济问题。对于新能源的大规模开发与利用，是保障我国能源安全、优化一次能源结构、发展低碳经济的重要举措，其中风力发电和光伏发电已经成为发展最快、技术最成熟、商业化前景最好的清洁能源开发方式[1-3]。

与水电、火电等常规电源相比，风能、太阳能等新能源发电最根本的不同点在于其有功出力的随机性、间歇性、波动性。这一特点造成了新能源大规模开发面临的接入、调度、对电网运行的影响及消纳困难等一系列问题。针对上述情况，本文研究分析了影响新能源接入的各种因素，对于地方电网新能源发电接入具有重要指导意义。

2 新能源消纳能力影响因素

新电源最大消纳能力的确定，是以多种约束条件为基础综合考虑计算所得出的结果。图1总结了限制新能源消纳能力(主要为风电和光伏)的约束条件，总结来看，大致概括为以下几类：

(1)电网结构。不同的电网结构拥有不同的输送能力和对外界电网联络的能力，具有外送通道的电网具有着更高的调峰能力，而过低的线路传输功率则会反过来限制新能源的消纳水平[4]。

(2)负荷特性。系统的负荷特性尤其是峰谷差和最小负荷等因素直接决定了新能源允许接入电网的容量。

(3)电网短路容量。电网的短路容量大表明电网网络强，对外界因素变化的抵抗力较高，而且，电网的短路容量裕度也是决定电网消纳能力的重要指标。

(4)电网调峰能力。电网良好的调峰能力是保证电网功率平衡的重要前提，也是决定电网消纳能力的先决条件。

(5)新能源接入电网后的稳定性。新能源并网后对电压偏差和电能质量等都造成负面的影响，进而限制了电网的消纳能力[5]。

(6)新能源出力特性。新能源出力有着明显的不可控和不可预知性，这就使新能源并网时必须有常规能源为其提供补偿，进而限制了电网的消纳能力。

图1 电网消纳新能源能力的影响因素

2.1 电网结构

电网结构主要从几个方面影响着地区电网的消纳能力，分别为变电站和线路容量约束、电力线路廊道约束和间隔约束等。

(1)变电站和线路容量约束

从电网结构约束来看，新能源的接入应满足线路和主变“N-1”的校验，以保证电网调度的灵活性。因此新能源最大的消纳容量受最小网供负荷和满足“N-1”件下主变和线路的容量影响，具体情况如下：

Smax=PK+PE

式中，Smax为新能源最大消纳容量；PK为最小网供负荷；PE为满足“N-1”条件下主变和线路的容量。

对于有外送通道的电网来说，外送通道的建设可以有效提高地区电网的外送能力，即当峰谷时将多余的电量通过高压线路外送到其他省份，进而大幅加大了地区电网对新能源的消纳能力。

(2)电力线路廊道约束

在城市化建设不断深入的背景下，电力建设工程越来越多，建设用地也愈发珍贵。当前城乡电网已纳入城乡区域经济发展规划体系中，城建规划部门可支配用于电力建设的空地极为有限，导致城市基础建设和电网建设之间矛盾频现，其中电力线路走廊建设和包括改扩建在内的城市道路建设之间的矛盾尤为突出，二者缺乏必要的统筹与协调。输电线路建设过程中难免会与群众的利益发生矛盾，在这过程中不仅需要相关部门的协调与配合，还需要在占用群众土地的资源后给予合理的补偿，不但增加工程建设的成本，而且在协调过程中出现的多方面因素都有可能滞后电网规划项目的建设。此外，关于线路改迁费用由哪一方支付也是市政建设和供电部门争论的焦点，不利于双方工作的开展。

(3)间隔约束

按照远景规划来看电网35kV电压等级会逐步取消，因此新能源电站在110kV电压等级的接入能力直接影响着新能源的消纳能力。然而目前110kV变电站多采取桥接线方式和单母线分段，这造成110kV变电站间隔十分紧张。因此新能源电站接入110kV电网的主要方式有两个：接入220kV变电站110kV间隔、T接110kV线路。

随着用电负荷的逐年增长，为了满足用电需求电力网架将日益扩大，在当下土地资源严重缺乏的情况下，220kV变电站建设用地与电力廊道都是非常宝贵的。标准220kV变电站的110kV出线间隔为12回，去除优化110kV网架结构以及为后续电网发展所预留的间隔外，能够用于新能源电站直接接入的110kV间隔至多为3回。因此110kV电网能够T接多少新能源电站对于新能源的消纳能力起着决定性的作用。然而对于110kV桥接变电站标准进线仅为两回，为了保证供电可靠性以及方便继电保护定值的整定，最多应只有一回进线T接新能源电站且仅T接1个电站为宜，已存在T接点的线路、变电站进线为双T接的情况以及为重要供区供电的变电站则不再考虑T接新能源电站，因此间隔约束对新能源的建设有着巨大的限制。

2.2 电压偏差

新能源电源并网后，公共连接点的电压偏差应满足GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》的规定，即：35kV及以上公共连接点电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%(注：如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据)。20kV及以下三相公共连接点电压偏差不超过标称电压的±7%。220V单相公共连接点电压偏差不超过标称电压的-10%～+7%。

然而新能源因其机组输出功率的波动，会引起接入点电压的偏差进而超出上述导则所规定的范围，具体机理如下：

图2 单个电源接入电网的简化电路

图2为单个分布式电源接入电网的简化电路，其中U1为线路首端电压；U2为线路末端电压；R、X分别表示线路的电阻和阻抗。当线路潮流为P+jQ时，线路首端电压可以表示为：

(1)

(2)

而当新能源出力为PG+jQG时，忽略垂直分量则电压的偏差为：

(3)

由上式可知，新能源并网引起的电压偏差与新能源的输出功率和电路阻抗有密切关系。对于电网来说，其一般拥有着相对较大的X/R，这就意味着新能源的无功输出很有可能导致1点和2点的电压差为负即抬高接入点的电压。

2.3 短路容量

对于有新能源并网的电网短路电流由两部分组成，分别来自于大电网和新能源电源。为了保证电网的安全运行，总的短路电流不应超过允许的最大短路电流。否则，系统必须通过限流装置来供电。

对于以逆变器方式接入主网的新能源来说，来自短路容量方面的限制则要小的多。美国可再生能源国家实验室曾做过关于新能源于电网之间交互影响的研究。结果表明，当发生单相和三相故障时，以逆变器方式接入的新能源电源对短路电流的贡献很小，短路电流主要来自主网。

2.4 调峰能力

电网的调峰能力是决定电网消纳新能源容量的主要因素[6]。电网必须具备足够的调峰能力，才能平抑新能源机组的出力波动，保障电网及新能源电厂的可靠运行。因此新能源的消纳能力与电网剩余的调峰容量裕度有着直接的关系，具体表现在以下三个方面：

(1)由于运行需要或者电网事故，区域电网完全独立运行时，为了保证区域电网频率稳定且接近工频，需要区域电网有功趋于恒定，此时需要系统有足够的调峰能力，以保证在有功波动的情况下能够进行迅速调节。

(2)当区域电网为受端电网时，由于负荷急剧增加，而大网又无法更多的供给，此时需要系统有足够的调峰能力来迅速增加有功出力，以保证区域电网频率稳定，避免低频低压减载动作。

(3)当区域电网为送端电网时，由于负荷急剧降低，同时向大网的输送容量受限，此时需要系统有足够的调峰能力来迅速降低有功出力，以保证区域电网频率稳定，避免高频切机动作。

电网剩余的调峰容量裕度则主要取决于电网本身的调峰能力和调峰需求。

电网的调峰能力主要取决于地区电网内的电源特性和组成。通常来说水电机组出力调整范围大，调整速度快，同时水电厂的运行成本低，因此水电厂在大电网尖峰时刻加大出力，为系统提供调峰、调频事故备用等服务。而火电因为受锅炉、汽轮机最小技术出力等条件制约，出力调整范围较小，而且锅炉、汽轮机等设备受交变应力的限制，调整速度较慢，一般凝汽式机组每分钟仅可调整装机容量的1%左右。因此对于水电机组占比较大的电网，其相对应的调峰能力一般远大于常规电网。

电网的调峰需求主要取决于电网负荷特性和新能源的出力特性。具有较小峰谷差的电网对电网调峰能力的需求则更小，为消纳新能源并网而留有的电网调峰容量则越多。对于新能源发电来说，其一个显著的特点是出力的不稳定和间歇性。这一特性导致其将会有很大的可能恶化电网现在的峰谷差，导致电网剩余调峰能力降低，进而影响未来的消纳能力。

2.5 电能质量

随着大规模新能源的接入，如电力谐波、电压闪变和三相不平衡等电能质量问题变得愈加突出，这些问题也因此成为了制约大电网对新能源消纳能力的重要因素。

(1)电力谐波

包括直驱永磁同步风力发电机和双馈式异步风力发电机组在内的变速风电机组采用可控PWM整流逆变器来并网导致产生大量的谐波注入到电网中。同样，光伏发电也采用了逆变装置。这种装置能引起供电系统谐波，又因风力、光伏发电输出受天气影响较大，发电功率具有快速随机波动性，是一种典型的非线性、波动性电源。

谐波对系统及其它设备的影响包括：

①谐波对旋转电机的影响。谐波对旋转电机的主要影响是引起附加损耗，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压；

②谐波对供电变压器的影响。谐波电流不但引起变压器绕组附加损耗，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热。谐波使变压器噪声增大，谐波源造成的谐波电流在谐振条件下可能损害变压器。

③谐波对换流装置的影响。交流电网的电压畸变可能引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈放大系统的电压畸变，使整流器的工作不稳定；对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备。

④谐波对并联补偿电容器和电缆的影响。谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。国内在许多电力系统和用户系统内都发生过无功补偿电容器组无法投入运行，大批电容器损坏的事故。

⑤谐波对通信的干扰和影响。谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导会感应到通信线路上，可能损害通话的清晰度，触发电话铃响，甚至在极端情况下，威胁通信设备和人员的安全。

⑥谐波对继电保护和自动装置的影响。谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰，造成误动和拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值大、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作。

(2)电压波动和闪变

《电能质量电压波动和闪变》规定了电力系统公共连接点的电压波动和闪变电压允许值。电压波动的定义为一系列电压变动或工频电压的周期性变化。闪变反映的是电压波动对照明度的影响。近些年，随着非线性及冲击负载在电网中的不断增加，使得电网中电压波动和闪变等电能质量问题越来越严重。根据有关方统计，电网中电压波动是引起电能质量问题主要原因。电压波动引起的用户投诉，占电能质量问题的80%以上。强烈的电压波动与闪变会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户(包括电弧炉本身)的实际功率减少，波动与闪变是对电网的一种公害。作为一个输出不可控的电源点，新能源机组带来的电压波动和闪变问题将十分严重，这也会限制大电网对其的接纳能力，具体的机理如下。

当大容量的光伏电源接入电网时，负载功率为光伏电源功率与负载功率之和，由于光伏发电功率的快速随机波动性，光伏发电尤其在多云天气，最大变化率超过10%额定出力，变化频度每小时超过10次，将导致电网电压的波动，这种电压波动有较规律长时期的，也有不规律短时期的。其中特别是频率在1～10Hz之间的电压波动会引起照明白炽灯和电视画面的闪烁，使人们感到烦躁，这类干扰称之为“闪烁”或“闪变”。强烈的闪烁会造成电机转动不稳定，电子装置误动作甚至损坏，也会使电网供电的用户的实际功率减少，闪烁是对电网的一种公害。

而对于风电机组来说，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。除此之外，并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。

(3)三相不平衡

新能源电站并网引起的三相电压不平衡主要由三相PWM逆变控制过程中的各种不确定因素引起，比如直流侧电压突然出现的波动等，除非逆变控制系统出现故障，正常情况下光伏并网引起的三相电压不平衡度很小。因此来自于三相不平衡对电网接纳能力的限制较其它因素小的多。

3 消纳能力的主要约束条件

新能源的发展存在多个限制因素，但是通过大量的经济投入可以逐步消除或削弱这些约束条件。例如，可以通过新建多个电站以提高系统备用容量；新建大型的抽水蓄能电站以进行系统的调峰调频；当新能源上网受主变容量限制时可以进行主变扩建或新建变电站；线路输送容量限制可以进行线路改造或者新建线路；新能源电站无接入点可以通过变电站间隔扩建或者新建变电站来增加；电力走廊约束可以通过架空线路入地来解决；电压波动、谐波治理可以通过采用新型的电力电子元件的先进整流、滤波装置进行改善等。这一系列措施均可以为新能源的发展提供更有利的条件，但是会大大增加投资成本。

相对来说电压波动和短路容量等约束都可以通过加装小电抗等技改项目消除或缓解，成本较为低廉。而调峰能力作为和电网电源结构直接相关的约束条件受到当地资源条件等限制且一次投入较高并无法在短期内有显著改观。除此之外电网设备的限制也不容忽视，以变电容量约束为例，当新能源上网已达到主变容量限制，变电站不满足主变扩建条件，而新能源又有强烈的接入愿望时，则需要通过新建专用变电站来进行新能源电站的上网。新建1座220kV变电站投资在2.5亿元以上，变电站建设完成后每年的设备运维与事故检修所涉及人力、物力、财力的费用则更加昂贵，这对于电力企业来说是无法接受的。因此，在新能源大规模发展的背景下，调峰能力和电网设备容量限制应作为主要的约束条件来评估地区电网的消纳能力。