考虑大型新能源发电基地接入的大电网规划方法研究

【摘要】：近年来,以风力发电和光伏发电为主的可再生新能源发电技术在世界范围内得到了迅猛发展。我国风力发电和光伏发电主要采用“大规模开发、集中式并网”的发展模式,越来越多的大型新能源发电基地(large-scale new energy power bases,LNEPBs)规划落成,其中很多基地与负荷中心呈逆向分布,位于互联大电网较为薄弱的末端,其配套接入系统并网工程以及送端主干电网规划建设滞后,导致这些地区新能源弃电现象严重。根据多形态新能源发电大规模集中接入条件下大电网规划发展的需求,针对大规模新能源发电发展与送端电网规划发展不协调的问题,本文围绕考虑大型新能源发电基地接入的大电网规划方法课题展开研究,旨在研究提供科学合理的规划方法将大型基地的出力安全、经济地接入主网,并打造坚强的送端电网以满足多形态新能源发电基地出力的就地消纳以及跨省跨区消纳目标。课题的主要研究工作归纳如下:基于大规模新能源发电出力特性分析,考虑输电工程建设成本、新能源弃电成本、输送新能源发电收益,建立了系统评估新能源发电基地接入系统规划中并网输电工程建设运行的经济性评估模型;并以此为目标,考虑实际并网工程约束,提出了新能源发电基地接入系统规划模型;为了能够有效求解该模型,采用析取不等式等效线性化、汇集站选址栅格地图离散化和新能源年弃电量分段线性化等手段,将模型转换成混合整数线性规划(mixed integer linear programming,MILP)模型;同时,采用成熟的商用MILP求解器对大规模MILP模型进行求解,以寻求全局最优的接入系统规划方案;通过算例仿真分析,说明了所采用线性化手段具有很高的求解效率和精确度,并验证了本文所提新能源基地接入系统规划方法的可行性和实用性。在上述新能源发电基地接入系统规划研究成果的基础上,结合基于场景法考虑新能源电站出力以及负荷波动不确定的新能源发电并网区域网架规划(regional transmission network planning,RTNP)模型,提出了新能源发电基地接入系统及其并网区域网架的双层协调规划模型:上层以两者规划的整体经济性最优为目标,进行新能源基地接入系统规划决策,下层以区域网架规划投资最少为目标,进行区域网架结构扩展规划;进而根据下层模型的库恩—塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)最优性条件将双层规划问题重构为含均衡约束的数学规划问题(mathematical programming with equilibrium constraints,MPEC),进一步将MPEC模型中的互补性约束等效线性化,将原双层协调规划模型等效处理为单层MILP模型;并采用成熟的商用MILP求解器对该模型进行求解;通过算例仿真分析,验证了本文所提新能源发电基地接入系统及其并网区域网架协调规划方法的合理性和可行性。通过对大规模新能源发电并网点的静态电压稳定(static voltage stability,SVS)灵敏度指标及其判据的分析,得到了考虑静态电压稳定约束的新能源发电汇集输送功率极限约束;同时,在网架结构变化时考虑与静态电压稳定相关的系统节点阻抗修正,提出了计及系统节点阻抗修正的区域网架规划的MILP模型;在此基础上,建立了以新能源发电基地接入系统及其并网区域网架规划整体经济性最优为目标,上层考虑新能源发电汇集输送功率极限进行新能源发电基地接入系统规划决策,下层进行计及系统节点阻抗修正的区域网架规划决策的双层协调规划模型;进而根据双层规划求解方法,将该双层协调规划模型转换为单层MILP模型进行求解;通过算例仿真分析,验证了本文所提考虑静态电压稳定的新能源发电基地接入系统及其并网区域网架协调规划方法的合理性。在根据上述协调规划方法获得新能源发电基地接入系统规划方案和区域网架规划方案的前提下,以含多形态大型新能源发电基地接入的多省区送端超高压(ultra-high-voltage,UHV)骨干网架为规划对象,建立了输电网随机双层规划模型:上层以电网规划方案的全寿命周期成本最优为目标,进行充裕性规划方案决策;下层以失负荷最小为目标,基于2m+1点估计法进行考虑不确定因素和线路N-1约束的规划方案静态安全性评估。进而根据双层规划求解方法,将该输电网随机双层规划模型等效转换为单层MILP模型进行求解;算例仿真分析表明,采用该方法进行送端骨干网架规划所得方案不仅能够满足多形态新能源发电基地出力的基本消纳,而且能够为该地区特高压交/直流电力外送提供了坚强的送端超高压骨干网架支撑;同时,算例验证了本文所提考虑多形态大型新能源发电基地接入的多省区输电网随机规划方法的科学性、有效性以及实用性。