新能源并網(wǎng)方式及其影響分析綜述 1 1 3 3 4 5 5 6 9風電作為一種間歇式能源并網(wǎng)電網(wǎng)會對系統(tǒng)造成影響，本章主要介紹風電并網(wǎng)的接入方式以及不同方式接入電網(wǎng)時對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，從負荷波動導致的潮流分布變化，設備的利用效率以及電能質量等影響方面進行分別的論述。風電作為一種可再生的清潔能源，隨著相關技術的不斷迭代更新，對應的建造成本越來越低，應用范圍也越來越大。從最初的單機容量低到目前單機風機裝機容量達到6MW,從陸上風電到海上風電，滲漏率也越來越高。電網(wǎng)側對于風電的并網(wǎng)方式的管理也在隨之變化。電力系統(tǒng)電網(wǎng)采用不同電壓等級運行，對應的負荷以及電源也根據(jù)其電源裝機容量和負荷大小接入對應的電壓等級。我國目前的電網(wǎng)主要分成以下幾個電壓等級：1000kV的特高壓主要負責跨區(qū)域的長距離運輸，典型的西電東送、三峽大壩的水電外送等均采用1000kV交流或800kV的直流進行傳輸，500kV的特高壓負責跨省的電能傳輸。220kV的電網(wǎng)則是各個區(qū)域供電的主干網(wǎng)絡，主要采用環(huán)網(wǎng)運行。110kV及以下則屬于配電網(wǎng)，采用環(huán)網(wǎng)結構、開環(huán)運行的方式。其對應的功能描述如下表2-1所示：1線路傳輸距離一傳輸距離遠，傳輸損耗低。起始點一般為大型電源或電源密集區(qū)域國調2線路傳輸距離超一般作為地市地區(qū)的電能下網(wǎng)支撐。提供較強的供電能力網(wǎng)調(國調分中3一般小于60公里省調4公里環(huán)網(wǎng)結構、開環(huán)運行。加用備用電源自動投入裝置的方式保障供地調5公里由于接線方式存在三角形接線以及星型接線的方式，目前在逐步淘汰縣調6供電半徑小于15公里城區(qū)配電網(wǎng)，多為絕緣架空線和配調如上表2-1所示，我國電網(wǎng)中不同的電壓等級承擔不序號電壓等級負荷接入建議(kW)電源接入建議(kW)110萬kw至30萬kw的負荷接入。通過220kV導線接入主網(wǎng)的220kV變電站母線中型電源，裝機容量一般為10萬kw以上的風電、太陽能光伏發(fā)電或常規(guī)電源。2以下一般建議建立110kV的專變進行供電。單機5萬kw或總裝機10萬kw以下的風電、太陽能光伏發(fā)電或常規(guī)電源。3以下一般建議建立110kV的專變進行供電。總裝機5萬kw以下的風電、太陽能光伏發(fā)電或常規(guī)電源，火電一般為用戶自備電廠或地方小水電4高供電可靠性要求的負荷采用為臺區(qū)供電分布式電源一般接入10kV配電網(wǎng)如上表2-2所示。對于風電、太陽能等新能源而言可以分為兩種類型。第一種為集中式的大規(guī)模風電以及光伏電站，其裝機容量低于10萬kw一般在110kV電壓等級及以下上網(wǎng)，總裝機容量超過10萬kw的新能源電站一般在220kV電壓等級并網(wǎng)。第二章則為分布式電源，其并網(wǎng)的電壓等級一般為10kV或380V。這種并網(wǎng)方式的選擇一般考慮以下三個方面的因素，即經(jīng)濟性、安全性以及穩(wěn)定性。(1)經(jīng)濟性：對于電源而言，將一次能源轉化為二次能源的電能并向電網(wǎng)傳輸是其主要功能。作為企業(yè)而言，盈利則是其首要目標，對于給定裝機容量的發(fā)電廠而言，其電壓等級的選擇涉及到升壓變、輸電線路的建設成本。雖然更高的電壓等級具有更低輸電損耗的優(yōu)勢，但是同樣升壓變、輸電線路的建設成本、運維成本也相對較高。因此，上表2-2所示的建議接入電網(wǎng)等級正是考慮這一經(jīng)營約束條件下的選擇。(2)安全性：電源的接入會改變系統(tǒng)的潮流分布以及短路電流，使得原本系統(tǒng)的N-1校驗結果發(fā)生改變，或者使得部分地區(qū)的短路電流超標。因此對于較大裝機容量的電源一般采用雙回供電的形式，避免出現(xiàn)N-1故障情況下的潮流大范圍轉移。而用電負荷專變的接入則需要考慮其負荷重要等級，選擇雙回或者單(3)穩(wěn)定性：負荷以及電源接入電網(wǎng)實現(xiàn)電能供應的動態(tài)平衡，無論是負荷還是電源出現(xiàn)失壓的情況都會造成系統(tǒng)頻率的波動。因此，裝機容量和用電負荷更大的電源以及用戶都會接入更高的電壓等級，采用環(huán)網(wǎng)供電的形式，防止電源或者負荷突然從電網(wǎng)中脫離，導致頻率的不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)。綜上所述，電源和負荷接入電網(wǎng)從經(jīng)濟型、安全性和穩(wěn)定性考慮，在容量確定的情況下，其接入電壓等級較為固定。110kV及以下電壓等級由于采用開環(huán)運行的運行方式，該電壓等級接入的新能源一般就地消納，富余的電能也是在110kV的電網(wǎng)上進行傳輸，在220kV和更高的電壓等級上則表現(xiàn)為該地區(qū)的220kV變電站下網(wǎng)負荷波動。而我國的電網(wǎng)220kV及以上電壓等級為環(huán)網(wǎng)運行，輸電通道的阻塞一般也是指220kV及以上的電壓等等級。而以下則將分別從輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)接入風電后的影響展開分析。1.2不同并網(wǎng)方式對電網(wǎng)的影響如上一節(jié)所述，不同裝機容量的新能源電廠，從經(jīng)濟性、安全性以及對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響將采用不同的方式并入電網(wǎng)。以下則將分別從配電網(wǎng)接入、輸電網(wǎng)接入系統(tǒng)的影響進行分類的分析。1.1.1配電網(wǎng)并網(wǎng)新能源的影響我國的配電網(wǎng)一般指110kV及以下電壓等級的電網(wǎng)，10kV及以下的配電網(wǎng)則專指城市配電網(wǎng)。配電網(wǎng)的運行方式是環(huán)網(wǎng)結構、開環(huán)運行的方式。即電網(wǎng)本身具有環(huán)網(wǎng)的結構，具備環(huán)網(wǎng)運行的硬件條件，到時為了防止電磁環(huán)網(wǎng)運行的風樹荒荷金如圖2-3所示，北風埡為110kV電壓等級接入的風電場，西北口為該地區(qū)的小水電，也是通過110kV電壓等級接入。途中紅色X為開環(huán)點，即在正常運行方式下，開關為斷開狀態(tài)，其他則為110kV的變電站主要為用電負荷供電。在此方式下，風電出力的波動僅僅會影響“夷陵-北風埡”線路上傳輸?shù)某绷?，其他線路上傳輸?shù)墓β什粫艿饺魏斡绊?。因此，?10kV及以下電壓等級中并(1)風電送出線路的潮流。隨著風電出力的波動，對應的外送通道的潮流用電負荷大小有關，例如“夷陵-金卡”線路上傳輸?shù)墓β蕜t等于金卡變電站的(2)接入點的電壓。由于風電的出力波動會影響上級變電站的下網(wǎng)負荷，對應的上級變電站的110kV母線的電壓也會出現(xiàn)小幅波動。考慮到220kV及以造成輸電通道的阻塞情況，僅僅影響和風電外送通道相關的線路有功。對于本文所指輸電網(wǎng)為220kV及以上電壓等級的輸電網(wǎng)絡。由于這一電壓等級出現(xiàn)輸電通道阻塞的情況。下圖2-4為某地220kV電網(wǎng)拓撲結構(部分)。其中朝變和潺變分別500kV變電站，為區(qū)域提供下網(wǎng)負荷，隔河巖、高壩洲分別為區(qū)域供電的水電，裝機容量分別為600MW和280MW,北風埡為并網(wǎng)風電，裝機容量為150MW。圖中其余為220kV的供電變電站。香峰飛匾匾筆如上圖2-4所示，在風電接入以前，由于西部電網(wǎng)電洲多余的水電電能將通過樓-滋雙回線向東部進行傳輸。但是在風電接入后，由響水電的外送。而在風電和水電出力低谷時期，又會使得樓-滋雙回線出現(xiàn)潮流反向。出現(xiàn)500kV潺變下網(wǎng)電能向西部反向傳輸1.4輸電通道阻塞的危害其中，B(p,9)為Beta函數(shù)，參數(shù)P和9與期望“和方差σ2有關，可以通過式(2-2)、(2-3)得到：如果隨機變量5服從Beta分布，圖2-5為P、9取不同值時Beta分布概率密度函數(shù)圖形。x上圖2-5為起風后的風電出力典型曲線。關注風電的超短期預測，假定風電服從Beta分布。同時，本文重力具有較強的波動性，要求完全消納風電。如果從當前時刻預測到時段風電將有很大變化，若仍然按照時段的發(fā)電計劃安排火電機組的出力，則有可能出現(xiàn)時段的出力不能滿足要求，使系統(tǒng)發(fā)生輸電阻塞。因此必須調整時段機組的出力，從而使得時段不發(fā)生輸電阻塞。影響正常方式下的潮流分布。同樣以上文圖2-4的案例為例。對應的拓撲結構和裝機情況如下圖2-6和表2-7所示。表2-8和表2-9分別為風電北風埡接入前后序號電源/負荷電壓等級類型1隔河巖水電2高壩洲水電3北風埡風電4長變負荷站5郭變負荷站6峰變負荷站7負荷站8負荷站9滋變負荷站飛變負荷站筆變負荷站香變負荷站潺變在正常運行方式下，負荷用電一般為變電站變電容量的60%,即變電站日均負載率為60%。隨著季節(jié)和晝夜變換，負荷會呈現(xiàn)波動性的變化，峰谷差取用電低估為高峰期的70%。500kV的朝變和潺變?yōu)楣╇娭喂?jié)點，可以視作該局部的平衡節(jié)點，即隨著負荷、電源的峰谷波動，隨之波動保障電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。采用PSASP仿真計算軟件進行計算，其計算結果如下表2-8和表2-9所示，其結果分別為風電接入前后的線路潮流在峰谷情況下的潮流分布。序號線路名稱線路潮流(MW)方向負荷高峰負荷低谷1長-郭一回2長-郭二回3樓-郭一回4樓-郭二回5朝-郭一回6朝-郭二回7朝-柑一回8朝-柑二回9樓-柑一回樓-柑二回樓-滋一回樓-滋二回滋-飛線潺-滋一回潺-滋二回朝-峰朝→峰如上表2-8所示，隨著負荷的波動，系統(tǒng)中的潮流分布也將隨之波動，在負荷高峰期間線路上傳輸?shù)墓β室蚕鄬^高。表中的線路傳輸極限為斷面的傳輸極限，即考慮N-1(系統(tǒng)中任意設備發(fā)生故障的方式)情況下剩余設備不出現(xiàn)過載的傳輸極限。西部電網(wǎng)中電源較為集中，由于負荷較低，所生產(chǎn)的電能無法滋雙回”向外傳輸。無論是負荷高峰還是低估均向東部電網(wǎng)傳輸有功，在負荷高峰期間，由于東部負荷的峰值更高，外送通道中傳輸?shù)墓β室矔S之明顯增加。序號線路名稱線路潮流(MW)方向負荷高峰負荷低谷1長-郭一回2長-郭二回3樓-郭一回4樓-郭二回5朝-郭一回6朝-郭二回7朝-柑一回8朝-柑二回9樓-柑一回樓-柑二回樓-滋一回樓-滋二回潺-滋一回潺-滋二回朝→峰上表2-9為風電接入的潮流分布情況。如表中所示。風電接入以后會增加220kV電壓等級的電源供給，從而加重220kV電壓等級的潮流、減少500kV變電站的下網(wǎng)功率。從西部到東部的電能傳輸通道上傳輸?shù)墓β示忻黠@的提高。另外，由于風電出力的波動特點，也進一步加大了線路上傳輸潮流的峰谷差。“樓-郭雙回”、“樓-滋雙回”兩個斷面均出現(xiàn)了較為明顯的潮流越限，源出力的情況下，線路出現(xiàn)N-1故障，則會導致剩余的線路出現(xiàn)嚴重過風電出力收到一次來風的影響，在用電低谷期(每年的春季和秋季