受調(diào)峰和安全穩(wěn)定約束的華東電網(wǎng)新能源承載規(guī)模研究

覃琴，蘇麗寧，陳典，張尚，秦曉輝

（電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司), 北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

為了響應(yīng)習(xí)總書記提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了行動方案[1]，指出到2030年，公司經(jīng)營區(qū)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到10億kW以上，并強(qiáng)調(diào)著力打造清潔能源優(yōu)化配置平臺，支持新能源優(yōu)先就地就近并網(wǎng)消納的同時，加大跨區(qū)輸送清潔能源力度。華東電網(wǎng)作為國家清潔能源消納的主要市場[2]，一方面海上風(fēng)電、分布式光伏就近接入，預(yù)計“十四五”華東新投產(chǎn)新能源9800萬kW，占公司經(jīng)營區(qū)負(fù)荷的27.7%；另一方面通過跨區(qū)直流大規(guī)模受入西南水電、三北地區(qū)風(fēng)光新能源，預(yù)計至2025年，跨區(qū)直流規(guī)模13回，電力流入8580萬kW，占最大負(fù)荷的20.5%。

隨著直流和新能源大規(guī)模饋入華東電網(wǎng)，系統(tǒng)的安全運(yùn)行將面臨一系列挑戰(zhàn)[3-9]：1）新能源隨機(jī)性、波動性、間歇性大，高峰電力供應(yīng)保障和調(diào)峰難度增加；2）直流和新能源對常規(guī)機(jī)組的大量置換，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和電壓支撐能力下降，頻率和電壓穩(wěn)定風(fēng)險突出。針對典型受端電網(wǎng)開展新能源承載規(guī)模上限的研究，避免新能源的過度發(fā)展，并疊加與直流的相互作用對大電網(wǎng)安全、新能源消納產(chǎn)生不利影響。

眾多學(xué)者針對受端電網(wǎng)新能源承載能力進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[10]從滿足富余可再生能源跨省區(qū)現(xiàn)貨交易的需求出發(fā)，提出了省級、分中心多級協(xié)同方案的受端電網(wǎng)接納能力評估分析方法；文獻(xiàn)[11]提出了一套基于系統(tǒng)備用需求容量和調(diào)峰能力約束的風(fēng)電接納能力評估體系；文獻(xiàn)[12]基于電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域，提出了多區(qū)域大規(guī)模新能源接納能力評估方法；文獻(xiàn)[13]通過光伏發(fā)電出力序列重構(gòu)技術(shù)和對電力系統(tǒng)詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ图熬€路約束的精細(xì)化建模，提出了基于時序運(yùn)行模擬的可再生能源消納特性分析方法；文獻(xiàn)[14]通過建立新能源消納系數(shù)和新能源承載系數(shù)兩個指標(biāo)與新能源裝機(jī)、負(fù)荷、調(diào)峰率、備用率之間的關(guān)系，提出基于新能源承載力指標(biāo)的新能源裝機(jī)規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[15]提出了考慮新能源出力特性改進(jìn)的典型日法，用于評估電網(wǎng)的新能源消納承載能力。這些評估分析方法大多圍繞新能源消納特性展開，或者基于靜態(tài)安全特征，極少針對多直流饋入受端電網(wǎng)的系統(tǒng)特性，未能兼顧調(diào)峰、頻率、電壓等多方面影響因素，難以準(zhǔn)確反映受端電網(wǎng)的新能源承載能力。

本文提出一種評估受端電網(wǎng)新能源承載規(guī)模的方法，以電力電量平衡和安全穩(wěn)定研究為出發(fā)點(diǎn)，采用生產(chǎn)模擬和時序仿真相結(jié)合的方法，統(tǒng)籌考慮棄電率、交流斷面限制、儲能應(yīng)用、單一直流最大功率等因素，剖析直流與新能源之間的耦合關(guān)系，求得受調(diào)峰和安全穩(wěn)定約束的華東電網(wǎng)承載新能源規(guī)模，提出新能源發(fā)展的制約因素及應(yīng)對措施。本文研究思路及結(jié)論已應(yīng)用于華東電網(wǎng)“十四五”規(guī)劃。

1 受調(diào)峰約束的新能源承載規(guī)模及其影響因素

1.1 新能源承載規(guī)模

以《可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃研究》[16]中的風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量為邊界基礎(chǔ)，確定0%和5%兩種棄電率目標(biāo)，兼顧交流斷面是否約束、儲能是否應(yīng)用等敏感因素，擬定4類方案，如表1所示。

表1 電力電量平衡分析比選方案Table 1 Alternative option for balance analysis on power and electricity quantity

華東電網(wǎng)作為典型受端電網(wǎng)，直流受入將擠占新能源發(fā)電消納的空間，直流規(guī)模越大，新能源消納空間越小，因此直流規(guī)模按15回、16回設(shè)定。

利用中國電科院自主研發(fā)的供需平衡分析工具-電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷一體化生產(chǎn)模擬軟件（power system department-power energy balance, PSDPEBL），開展對電力電量平衡、調(diào)峰平衡等的計算分析，計算流程如圖1所示。

計算求得受調(diào)峰約束的華東電網(wǎng)新能源最大接入規(guī)模及比例，如表2所示?？梢钥闯觯?5回直流規(guī)模場景下能夠消納的新能源接入比例均高于16回直流規(guī)模，其驗(yàn)證了直流將擠占新能源消納空間的結(jié)論。

表2 不同直流規(guī)模下受調(diào)峰約束的新能源最大接入比例Table 2 The maximum grid-connected proportion of new energy constrained by peak-shaving under different DC transmission scales

從調(diào)峰約束來看，按照0%和5%兩種棄電率，以及是否放開省市分區(qū)間的交流斷面限制，接入16回直流，至2025年華東電網(wǎng)能消納的新能源裝機(jī)容量 1.5～3.3億 kW，裝機(jī)占比約27.7%～45.8%，電量占比約8.8%～18.4%。進(jìn)一步增加2000萬kW的儲能，能夠消納的新能源裝機(jī)容量可提升至3.9億kW，裝機(jī)占比約48.6%，電量占比約22.2%。

1.2 影響因素

以16回直流規(guī)模受入為例，分析新能源承載規(guī)模影響因素。

1）與風(fēng)電相比，光伏對新能源消納影響更大。

方案1的條件下，通過模擬計算得出風(fēng)光電量占比8.7%、裝機(jī)占比27.7%。開展逐日調(diào)峰計算得出，春節(jié)、五一、十一假期，調(diào)峰裕度明顯下降，如圖2所示。

觀察典型日開機(jī)位置圖3，當(dāng)午間光伏大發(fā)、風(fēng)電也具有一定規(guī)模的出力時，系統(tǒng)調(diào)峰能力不足造成棄風(fēng)棄光。

從風(fēng)電、光伏特性分析對消納的影響。以圖4安徽電網(wǎng)為例可以看出，對比風(fēng)電、光伏的反調(diào)節(jié)特性更加明顯。模擬結(jié)果顯示，光伏裝機(jī)的增長會加大調(diào)峰的難度，進(jìn)而影響新能源消納的電量占比。

2）省市間調(diào)峰互濟(jì)有助于新能源消納。

方案2是在方案1的基礎(chǔ)上，放寬棄電率指標(biāo)至5%。此時風(fēng)光電量占比和裝機(jī)占比分別提升7.2%和13.9%。

受交流斷面的約束，部分省市存在低谷調(diào)節(jié)缺口，同時其他省市存在調(diào)峰裕度，說明調(diào)峰互濟(jì)未能充分發(fā)揮。以某典型日調(diào)峰平衡計算結(jié)果為例，系統(tǒng)調(diào)峰需求為5238.1萬kW，通過抽蓄、水電、燃?xì)?、燃煤參與調(diào)峰的容量為5028.8萬kW，低谷調(diào)節(jié)缺口為209.3萬kW，但此時系統(tǒng)存在689.8萬kW的調(diào)峰裕度。

方案3是在方案2基礎(chǔ)上，放開交流斷面的約束。省市分區(qū)間充分發(fā)揮了調(diào)峰互濟(jì)的能力，可促進(jìn)新能源的消納，風(fēng)光電量占比和裝機(jī)占比分別提升2.4%和4.2%。

雖然充分發(fā)揮了調(diào)峰互濟(jì)能力，但在負(fù)荷低谷時段，仍存在部分棄電。以某典型日調(diào)峰平衡計算結(jié)果為例，系統(tǒng)調(diào)峰需求為6191.2萬kW，通過抽蓄、水電、燃?xì)?、燃煤參與調(diào)峰的容量為5254.4萬kW，雖然此時系統(tǒng)不存在調(diào)峰裕度，但仍有936.8萬kW的低谷調(diào)節(jié)缺口。

3）配置儲能可提升新能源消納水平。

方案4是在方案3基礎(chǔ)上，增加2000萬kW的儲能。

由開機(jī)位置圖5可以看出，增加儲能后，儲能出力明顯增加，棄電情況顯著改善。儲能接入后，系統(tǒng)新能源棄電率從5%降至3.5%，或者棄電率保持在5%，風(fēng)光電量占比和裝機(jī)占比分別提升3.8%和2.8%。

2 受安全穩(wěn)定約束的新能源承載規(guī)模及其影響因素

2.1 研究邊界

以國網(wǎng)公司“十四五”電網(wǎng)規(guī)劃確定的華東電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架為邊界基礎(chǔ)[2]，選取系統(tǒng)特性相對惡劣的汛期輕負(fù)荷方式作為主要計算方式，在13～16回直流饋入規(guī)模場景下，用新能源機(jī)組替代常規(guī)機(jī)組、提高新能源滲透率（新能源出力占負(fù)荷的比例）的方式，重點(diǎn)從頻率和電壓兩方面分析新能源發(fā)展的安全穩(wěn)定約束，研究新能源承載規(guī)模上限。

采用的計算數(shù)據(jù)主要邊界條件包括：負(fù)荷水平為最大負(fù)荷的60%，即2.26億kW，負(fù)荷模型為58%馬達(dá)和42%靜態(tài)負(fù)荷，裝機(jī)水平為5.14億kW，其中新能源裝機(jī)1.13億kW，旋轉(zhuǎn)備用為12%。主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。本次研究放開網(wǎng)架約束的制約，對潮流過載、斷面受限等加強(qiáng)或優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)解決網(wǎng)架影響的因素均不考慮。

推薦理由:這是一部描寫中國人救助猶太人真實(shí)歷史的兒童文學(xué)作品，入選2018年重點(diǎn)主題出版物選題。在日軍鐵蹄踐踏下，猶太女孩薩拉的生活被徹底打破。隨著猶太難民大量涌入，中國人民無私接納了他們，共同堅守著，抗?fàn)幹敝晾杳鞯絹?。這個飽含大愛的故事，詮釋了愛與和平的永恒主題，印證著中國人民崇高的國際人道主義精神。

2.2 頻率穩(wěn)定約束

研究頻率穩(wěn)定問題時，一次調(diào)頻容量為同步機(jī)組開機(jī)容量的4%，低頻減載第一輪動作頻率49.0 Hz，延時0.5 s切除母線7%的負(fù)荷。

以準(zhǔn)皖直流（功率缺額1200萬kW）雙極閉鎖故障不觸發(fā)低頻減載動作為約束條件，求取受頻率穩(wěn)定約束的新能源承載規(guī)模上限，如表3所示，在13回、14回直流場景下，直流與新能源出力占負(fù)荷比例不超過41%。

表3 不同直流規(guī)模下受頻率穩(wěn)定約束的新能源出力上限Table 3 The maximum output power of new energy generators constrained by frequency stability under different DC transmission scales

可以看出，15回、16回直流場景下，直流受電比例分別為43%、46%，已超出41%的發(fā)展上限，即在沒有新能源接入時已觸發(fā)低頻減載動作。

與系統(tǒng)頻率跌落直接相關(guān)的影響因素為功率缺額規(guī)模和常規(guī)機(jī)組開機(jī)水平[16-18]。

1）功率缺額規(guī)模。

采取預(yù)控單一直流最大功率的措施，進(jìn)而達(dá)到減小系統(tǒng)需要應(yīng)對的最大功率缺額的目的。假設(shè)新能源出力占負(fù)荷比例為5%，15回、16回直流場景下，需預(yù)控單一直流最大功率分別不超過1150萬kW、1080萬kW，如表4、圖7所示。

表4 預(yù)控直流功率效果Table 4 The effects of precontrolling DC power

2）常規(guī)機(jī)組開機(jī)水平。

為了應(yīng)對準(zhǔn)皖直流滿送時雙極閉鎖造成的功率缺額沖擊，系統(tǒng)須保持足夠的慣量和一次調(diào)頻能力。由于系統(tǒng)慣量和調(diào)頻能力主要由常規(guī)機(jī)組提供，因此系統(tǒng)的頻率特性與常規(guī)機(jī)組開機(jī)容量密切相關(guān)。

預(yù)控單一直流最大功率，可減小系統(tǒng)應(yīng)對的最大功率缺額，降低對常規(guī)機(jī)組最小開機(jī)水平的要求，達(dá)到接納更多直流和新能源的目的。由圖8可以看出，預(yù)控直流功率至1000萬kW、800萬kW，常規(guī)機(jī)組最小開機(jī)要求下降至1.27億kW、1.04億kW。

2.3 電壓穩(wěn)定約束

研究電壓穩(wěn)定問題，需要考慮交流系統(tǒng)故障引起直流連續(xù)換相失敗的情況[19-20]。根據(jù)國調(diào)中心發(fā)布的《特高壓直流換相失敗保護(hù)加速段調(diào)整方案》（調(diào)繼[2016]71號）規(guī)定，為防止特高壓直流雙極同時連續(xù)換相失敗對交流系統(tǒng)穩(wěn)定造成沖擊，調(diào)整特高壓直流換相失敗保護(hù)策略，直流滿送的情況下，復(fù)奉直流連續(xù)換相失敗4次則閉鎖直流，賓金、錦蘇、天中直流連續(xù)換相失敗3次則閉鎖直流。參考在運(yùn)特高壓直流運(yùn)行情況，規(guī)劃特高壓直流均連續(xù)換相失敗3次則閉鎖直流。

通過對華東全網(wǎng)1000kV和500kV交流線路暫態(tài)穩(wěn)定故障校核計算，以滿足第一級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為約束條件，求取受電壓穩(wěn)定約束的新能源發(fā)展規(guī)模上限，如表5所示，此時的直流與新能源出力占負(fù)荷比例應(yīng)不超過60%。

表5 不同直流規(guī)模下，受電壓穩(wěn)定約束的新能源出力上限Table 5 The maximum output power of new energy generators constrained by voltage stability under different DC transmission scales

當(dāng)電力電子化電源比例超出最大承載能力，系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的過程是一致的，如圖9所示，均為交流線路三永N-1故障引起母線電壓跌落，引發(fā)多回直流連續(xù)換相失敗3次以上導(dǎo)致閉鎖，同時，新能源機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓超出低電壓穿越區(qū)域的范圍，大量新能源機(jī)組脫網(wǎng)。直流與新能源的共同作用導(dǎo)致系統(tǒng)大量功率缺額引起華東頻率持續(xù)下跌，觸發(fā)低頻減載動作，母線電壓難以恢復(fù)，系統(tǒng)失穩(wěn)。

3 結(jié)論

1）從調(diào)峰看，華東電網(wǎng)能消納的新能源裝機(jī)容量上限為1.5億kW。采取差異化約束、降低棄電率標(biāo)準(zhǔn)、促進(jìn)清潔能源跨省區(qū)交易、儲能大規(guī)模成熟利用等措施，可提高新能源消納水平。

2）從安全穩(wěn)定看，受頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定限制的直流與新能源出力占負(fù)荷的比例分別為40%、60%。此時華東電網(wǎng)承載的新能源出力占負(fù)荷比例上限為5%、容量為1130萬kW。參照2019年華東新能源實(shí)際出力統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均出力率為0.1637，華東電網(wǎng)承載的新能源裝機(jī)規(guī)模上限為6900萬kW。采取預(yù)控單一直流最大功率、提高常規(guī)機(jī)組開機(jī)水平等措施，可提高新能源的承載規(guī)模。

3）制約華東電網(wǎng)新能源發(fā)展的首要因素是頻率穩(wěn)定約束，其次是電壓穩(wěn)定約束，最后是調(diào)峰約束。