摘要： 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己经成为发展最快、技术最成熟、商业化前景最好的清洁能源开发方式。
关键词：风力发电；光伏发电；消纳能力；调峰约束；容量约束
1引言
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。
(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。
(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。
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。
2.2电网短路容量
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。
2.3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。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。
2.4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
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，当新能源上网己达到主变容量限制，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。
4结语
为引导风力、光伏等新能源发电项目的合理发展，避免不必要的经济浪费，本文分析了影响新能源接纳能力的各种因素，得出调峰能力和电网设备容量限制应作为主要的接纳能力约束条件来判定地区电网的接纳能力，研究结论可为地区电网规划、新能源消纳能力分析提供指导意见。
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论文作者:杨光,赵忠美
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/25
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