閆廣新，施 海，劉新剛，王 凱

（1.新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊 830001；2.新疆風(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830063）

隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模逐漸增大，并網(wǎng)風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊也更加嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力的考驗(yàn)也更加突出。影響電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電接納能力的因素很多，例如并網(wǎng)風(fēng)電的電能質(zhì)量、電網(wǎng)自身的調(diào)峰能力和無功補(bǔ)償能力以及電網(wǎng)的響應(yīng)特性等，其中一些因素的不利影響可以通過加強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)來解決。例如電網(wǎng)的響應(yīng)特性決定了電網(wǎng)在運(yùn)行中的暫態(tài)穩(wěn)定性，可以在輸電規(guī)劃和電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)通過加強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加以解決；電網(wǎng)的無功補(bǔ)償能力可以通過優(yōu)化無功配置方法來加以解決；并網(wǎng)風(fēng)電的電能質(zhì)量可以通過風(fēng)電機(jī)組選型的優(yōu)化及接入系統(tǒng)電壓等級(jí)的調(diào)整進(jìn)行改善［1］。但是作為影響電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的主要因素，電網(wǎng)自身的調(diào)峰能力卻無法通過電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的改造和完善來解決，因此區(qū)域并網(wǎng)風(fēng)電的建設(shè)規(guī)劃，必須考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)峰能力。本文將結(jié)合阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力與消納風(fēng)電能力間的關(guān)系進(jìn)行分析，在考慮風(fēng)電場(chǎng)集群效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)可以上網(wǎng)的安全裝機(jī)容量，從而為合理安排當(dāng)?shù)仫L(fēng)電規(guī)劃和調(diào)度策略提供支持［2－4］。

1 計(jì)算方法

風(fēng)電不具有常規(guī)電源輸出穩(wěn)定、可調(diào)度等特點(diǎn)，對(duì)于電網(wǎng)而言，風(fēng)電波動(dòng)類似于一個(gè)負(fù)的負(fù)荷擾動(dòng)。在風(fēng)電場(chǎng)出力產(chǎn)生較大波動(dòng)變化時(shí)，需調(diào)整電網(wǎng)常規(guī)電源的出力水平平衡風(fēng)電出力的變化。因此，當(dāng)有大量風(fēng)電注入電網(wǎng)后，電網(wǎng)中常規(guī)電源除了要為負(fù)荷波動(dòng)留出足夠備用外，還需要為風(fēng)電場(chǎng)留出一定備用能力，用于平衡風(fēng)電出力的變化，可以說風(fēng)電在電網(wǎng)中具有一定的反調(diào)峰性。區(qū)域電網(wǎng)受常規(guī)電源（火電機(jī)組和水電機(jī)組）調(diào)峰能力的限制，在低谷時(shí)接納風(fēng)電能力最差。

根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰能力計(jì)算電網(wǎng)風(fēng)電接納能力，必須考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的常規(guī)電源調(diào)峰能力和聯(lián)絡(luò)線的輸電能力。通過尖峰時(shí)刻電網(wǎng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)可以確定常規(guī)電源的開機(jī)方式，分析火電機(jī)組和水電機(jī)組向下調(diào)整的調(diào)峰能力，可以確定電網(wǎng)的網(wǎng)供電力最低限值。根據(jù)電網(wǎng)的網(wǎng)供電力的最低限值和低谷時(shí)刻負(fù)荷預(yù)測(cè)值，對(duì)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力進(jìn)行估算。進(jìn)一步考慮風(fēng)電場(chǎng)集群效應(yīng)，計(jì)算出電網(wǎng)可接納的風(fēng)電安全裝機(jī)容量。圖1為受調(diào)峰能力約束的風(fēng)電接納能力算法框圖。

圖1 風(fēng)電接納能力算法框圖

1）負(fù)荷尖峰時(shí)刻電網(wǎng)最大供電能力 尖峰時(shí)刻常規(guī)電源出力包括水、火電機(jī)組出力及聯(lián)絡(luò)線送出電力。負(fù)荷尖峰時(shí)刻電源的開機(jī)需配備一定的旋轉(zhuǎn)備用容量。為了把電源出力折算成網(wǎng)供電力，應(yīng)減掉電源的廠用電及網(wǎng)損，聯(lián)絡(luò)線送出電力折算成網(wǎng)供電力時(shí)應(yīng)考慮加上損耗。因此尖峰時(shí)刻電網(wǎng)最大供電能力：

式中：Pmax為尖峰時(shí)刻電網(wǎng)最大供電能力；Ph為火電機(jī)組出力；Ps為水電機(jī)組出力；δG為電源廠用電率；δS為輸電網(wǎng)損率；PL為聯(lián)絡(luò)線送出電力；δlos為聯(lián)絡(luò)線損耗率。

通過對(duì)負(fù)荷尖峰時(shí)刻電網(wǎng)最大供電能力的分析，可以確定常規(guī)電源的開機(jī)方式，然后再對(duì)常規(guī)電源的調(diào)峰能力進(jìn)行分析，用來求取低谷負(fù)荷時(shí)刻可以達(dá)到的最小網(wǎng)供電力。

2）負(fù)荷低谷時(shí)刻電網(wǎng)最小網(wǎng)供電力 負(fù)荷低谷時(shí)刻電網(wǎng)最小網(wǎng)供電力是在常規(guī)電源調(diào)峰能力約束下，通過降低常規(guī)電源的運(yùn)行出力從而得出的。在尖峰時(shí)刻常規(guī)電源開機(jī)方式確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)常規(guī)電源的調(diào)峰能力，并考慮電源廠用電、網(wǎng)損、以及聯(lián)絡(luò)線送出電力和損耗等情況，即可求出負(fù)荷低谷時(shí)刻電網(wǎng)最小網(wǎng)供電力：

式中：Pmin為負(fù)荷低谷時(shí)刻最小網(wǎng)供電力；P′h為火電機(jī)組考慮調(diào)峰能力最小出力；P′s為水電機(jī)組考慮調(diào)峰能力最小出力；ε為低谷時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線送出電力調(diào)整系數(shù)。

3）負(fù)荷低谷時(shí)電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力 根據(jù)上述取出的負(fù)荷低谷時(shí)刻最小網(wǎng)供電力，考慮到風(fēng)電場(chǎng)廠用電，負(fù)荷低谷時(shí)電網(wǎng)的可接納風(fēng)電為：

式中：Pwind為低谷時(shí)刻可接納風(fēng)電電力；Pload為低谷預(yù)測(cè)負(fù)荷值；δwp為風(fēng)電場(chǎng)廠用電率。

當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)有多座風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，由于風(fēng)能的空間差異性而使得風(fēng)電場(chǎng)群總輸出功率相對(duì)波動(dòng)幅度小于單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)幅度的現(xiàn)象，稱之為風(fēng)電場(chǎng)集群效應(yīng)［5－6］，風(fēng)電場(chǎng)集群可能最大出力與風(fēng)電場(chǎng)集群額定容量之比為集群效應(yīng)系數(shù)：

考慮風(fēng)電場(chǎng)輸出功率集群效應(yīng)，可以得出電網(wǎng)安全接納的風(fēng)電容量：

式中：WG為可接納風(fēng)電容量；ρ為風(fēng)電場(chǎng)集群效應(yīng)系數(shù)。

隨著風(fēng)場(chǎng)數(shù)目增加，風(fēng)電場(chǎng)集群系數(shù)ρ隨之減小；根據(jù)多年運(yùn)行的結(jié)果，阿勒泰電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)集群系數(shù)約為0.82。

2 阿勒泰電網(wǎng)風(fēng)電接納能力估算

阿勒泰電網(wǎng)是一個(gè)處在新疆電網(wǎng)末端的送端電網(wǎng)，根據(jù)阿勒泰地區(qū)的“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2015年當(dāng)?shù)氐幕痣娧b機(jī)容量將達(dá)到982 MW，水電的裝機(jī)容量達(dá)到1081 MW。2015年阿勒泰規(guī)劃網(wǎng)架通過3回220 k V線路接至新疆主電網(wǎng)，由于電氣距離長(zhǎng)網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)較弱，聯(lián)絡(luò)線送出的電力暫態(tài)穩(wěn)定極限約為600MW。

阿勒泰電網(wǎng)內(nèi)的火電機(jī)組都是供熱機(jī)組，并用“以熱定電”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別到了冬季，火電機(jī)組出力可調(diào)范圍有限，水電受自然因素的影響，出力受阻嚴(yán)重，因此冬季電網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源的調(diào)峰能力比較低，對(duì)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的影響更大。根據(jù)阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃測(cè)算，2015年阿勒泰地區(qū)冬季的最大負(fù)荷約662 MW，最小負(fù)荷約397 MW，如果聯(lián)絡(luò)線送電電力按600 MW考慮，參考電網(wǎng)歷年運(yùn)行情況阿勒泰冬季的水電和火電機(jī)組的廠用電率和網(wǎng)損率綜合考慮約為8%，風(fēng)電場(chǎng)的廠用電率約為2%，聯(lián)絡(luò)線損耗率約為1.8%。另外，電網(wǎng)在運(yùn)行過程中需要的旋轉(zhuǎn)備容量，按最大負(fù)荷的3.5%考慮，2015年阿勒泰地區(qū)的供熱機(jī)組調(diào)峰能力預(yù)計(jì)為35%（徑流式小水電冬季按裝機(jī)容量30%出力計(jì)算，不參加調(diào)峰）。風(fēng)電場(chǎng)集群系數(shù)ρ取0.82，見表1?？梢缘玫蕉拘∝?fù)荷典型運(yùn)行方式下阿勒泰電網(wǎng)可接納風(fēng)電電力Pwind為384 MW，可接納的風(fēng)電裝機(jī)容量WG為468 MW。

表12015 年阿勒泰電網(wǎng)風(fēng)電接納能力估算

2011年底阿勒泰地區(qū)已建成49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)4座，在建的5座49.5 MW風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃2012年底至2013年初逐步建成投產(chǎn)，屆時(shí)阿勒泰地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)445.5 MW，接近受調(diào)峰能力的制約的阿勒泰地區(qū)風(fēng)電的可接納的極限容量468 MW。

3 結(jié)論

在風(fēng)電大量并網(wǎng)的情況下，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力將成為風(fēng)電接納能力的瓶頸。本文建立了電網(wǎng)在調(diào)峰能力約束下，電網(wǎng)低谷時(shí)刻風(fēng)電接納容量的計(jì)算方法，并根據(jù)阿勒泰地區(qū)“十二五”規(guī)劃的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算了2015年阿勒泰地區(qū)最大可接納風(fēng)電裝機(jī)容量，可為有關(guān)部門在制定風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)展規(guī)模時(shí)提供參考。阿勒泰電網(wǎng)處于新疆電網(wǎng)北部末端，地區(qū)水能、風(fēng)能資源豐富，但是這些清潔能源的開發(fā)應(yīng)與地區(qū)消納能力和電網(wǎng)送出能力相匹配，建設(shè)速度過快可能導(dǎo)致建設(shè)項(xiàng)目的浪費(fèi)。

［1］ 李 強(qiáng)，張 洋，李明慧.電網(wǎng)接受風(fēng)電能力的研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（6）：20-22.

［2］ 劉長(zhǎng)義，韓 放，于繼來.互聯(lián)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻和聯(lián)絡(luò)線調(diào)整［J］.電網(wǎng)技術(shù)，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］ 呂勤學(xué)，劉 剛，黃自元.電力調(diào)峰方式及其存在的問題［J］.電站系統(tǒng)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.