ABSTRACT

Wind power has advantages of relatively low cost, mature technology and suitable for large-scale development, so large-scale wind power generation is developed in China, but the impact of large-scale wind power integration on power loss is also gradually emerged. This paper first analyzes the fluctuation characteristics of grid loss based on large-scale wind power integration. Secondly, based on the simplified model of large-scale wind power access grid, the influence mechanism and effect factors of network loss fluctuation are analyzed, and then the reduction mea- sures based on effect factors are proposed. Finally, taking Gansu Hexi Power Grid as an example, the effect factors and reduction measures of large-scale wind power access grid are simulated and verified, which show the correctness of the proposed loss effect factors and loss reduction mea- sures of large-scale wind power access grid.

Keywords:Large-Scale Wind Power Integration, Loss Fluctuation Characteristics, Loss Effect Factors, Loss Reduction Measures

基于大规模风电接入的电网损耗波动特性和影响因子分析

曾文伟¹，刘文颖¹，王贤¹，王维洲²，梁琛²，郑晶晶¹

¹华北电力大学电气与电子工程学院，北京

²国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州

收稿日期：2017年6月1日；录用日期：2017年6月25日；发布日期：2017年6月28日

摘 要

风力发电具有成本相对较低、技术成熟和适宜规模化开发等优势，因此我国大规模发展风力发电，但大规模风电接入对电网损耗的影响也日渐显现出来。本文首先分析基于大规模风电接入的电网损耗波动特性，其次基于大规模风电接入电网的简化模型，分析造成网损波动的影响机理及影响因子，并由此提出基于损耗影响因子的降损措施。最后，以甘肃河西电网为例，对大规模风电接入电网的影响因子及降损措施进行仿真验证，结果表明了本文所提出的大规模风电接入电网损耗影响因子和降损措施的正确性。

关键词 :大规模风电接入，损耗波动特性，损耗影响因子，降损措施

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

风力发电具有成本相对较低、技术成熟和适宜规模化开发等优势，因此我国大规模发展风力发电，但大规模风电接入对电网损耗的影响也日渐显现出来。

目前，针对大规模风电接入电网对损耗影响的问题，国内外学者已有一定的研究。文献 [1] [2] [3] 理论分析了风电接入电网后对配电网损耗的影响，提出了风电场接入电网的电压等级、机组功率因数、风电接入位置和出力大小等都会影响配网损耗，但研究范围只限于风电场接入配电网，未涉及大规模风电接入输电网对网损的影响。文献 [4] 在酒泉风电基地辐射接入甘肃电网的背景下，分析得出大规模风电接入电网对网损影响因素，并以酒泉风电基地为例证明了结论的正确性，但只限于辐射接入电网方式。文献 [5] 对大规模风电的接入位置、变压器损耗和接入容量等因素对电网损耗进行了分析，并提出了大规模风电并网后的降损措施。文献 [6] [7] 都给出了分布式发电的最优布置位置，并分析它对电网网损的影响。文献 [8] 对风力发电的特点、影响风电并入电网的原因以及风电并网对电网网损的影响进行了分析。文献 [9] 通过建立电网主要元件参数和电网损耗之间的表达式，分析了运行参数对网损的影响，并定性探讨了网损电量和运行参数的关系；最后针对各影响因子，提出了降损的相关措施。

基于以上研究成果，本文在大规模风电接入电网的背景下，考虑大规模风电送出与电网常规输送功率共用输电通道的条件，研究了基于大规模风电接入的电网损耗波动特性和电网损耗影响因子，并基于电网损耗影响因子提出了降损措施。最后以甘肃河西电网实际运行数据为例进行仿真计算，验证了本文所提出的大规模风电接入电网损耗影响因子和降损措施的正确性。

2. 基于大规模风电接入的电网损耗波动特性分析

电网中的有功损耗主要为线路损耗和变压器损耗，都可用公式表示如(2-1)：

(2-1)

由式(2-1)可知，大规模风电接入电网中的有功损耗与风电接入点电压的平方成反比，与输送通道电阻以及通过它的功率的平方成正比。当输送通道电阻和电压一定时，通过它的的有功功率和无功功率增加，有功损耗将以二次方关系增加。当大规模风电接入电网时，风电通过变压器升压向线路传输功率，变压器和线路中通过的功率会发生变化，从而会导致电网网损产生较大波动。

2015年8月10日甘肃河西电网的风电集群点有功出力曲线如下图1所示。可以看出，河西电网该日风电有功出力呈现“夜间风大、白天风小”的特点，并且风电有功出力波动较大，最小接近10%，最大接近35%，这主要是因为集群内不同风电场的风电出力表现出现较大的相关性，导致河西电网集群点风电出力波动很大。

河西电网网损随风电有功出力变化(按5%递增)曲线如下图2所示。由图2可以看出，当风电有功出力小于15%时，河西电网的网损会随着河西电网风电出力的增加而减少；当风电有功出力大于15%时，河西电网的网损会随着河西电网风电出力的增加而大幅度增加。

图2网损变化曲线表明，在河西电网负荷一定的情况下，当风电有功出力小于15%时，随着风电功率的增加，输电通道送入河西电网功率逐渐减小，网损减小；当风电有功出力大于15%后，河西电网的负荷已不能消纳发出的风电，需要远距离输送给甘肃主网，因此随着风电出力的增加而大幅度增加。为此，需要从理论上分析大规模风电接入的电网损耗影响因子，为有效降损提供技术依据。

3. 基于大规模风电接入的电网损耗影响因子

考虑一个大规模风电接入的简化电网模型如图3所示。送端网络送出点1电压为，送出功率为，变压器高压侧电压为，变比为，大规模风电送出功率为，受端网络接入点3电压为，负荷为。其中，线路1-3的阻抗值为，变压器阻抗值为，线路的总长度为，风电接入点位置到送端电网的长度为。在此我们定义风电集中接入位置参数：。

线路1-2的有功、无功损耗分别为

, (3-1)

风电接入电网后，变压器上的有功、无功损耗分别为：

, (3-2)

由电力线路电压计算可知，线路1-2之间的电压降落纵横分量分别为

, (3-3)

在220 kV及以上的超高压电力网中需要计及对电压降落的影响，因此线路1-2的末端电压

(3-4)

线路2-3的有功、无功损耗分别为

(3-5)

从而风电接入电网后的有功损耗为

图1. 河西电网2015年10月8日风电有功出力变化

图2. 河西电网网损随风电有功出力变化的曲线图

图3. 大规模风电并网模型

(3-6)

由(3-6)式可知，大规模风电接入电网后的有功损耗与风电送出功率、送端网络的送出功率、风电集中接入位置参数、送端网络送出点电压有关，以下分别研究它们对电网有功损耗的影响。

3.1. 大规模风电送出功率对电网损耗的影响

一般风电场只消耗感性无功而不发出无功功率，对于双馈式风电机组组成的风电场，一般能将无功控制为0 [5] 。因此，为了研究的方便，本文假风电送出的无功功率为0。以下分析风电送出的有功功率对电网有功损耗的影响，并保持送端网络送出功率、风电集中接入位置参数、送端网络送出点电压不变。

为了定量的分析与之间的关系，本文给定图3中电气元件归算的标幺值参数为：，。对于其他影响因素也以标幺值进行分析，令，，。假设，那么由式(3-1)到式(3-6)，本文得到随的变化曲线如下图4所示。

由图4可知，当其他影响因素保持不变时，随着的增大成二次方地增大。因此，风电送出功率对于来说是一个相关性大的损耗影响因子。

3.2. 大规模风电集中接入位置对电网损耗的影响

大规模风电集中接入位置的不同，会影响风电送出过程中的电气距离，进而会影响风电送出功率在线路2-3传输过程中的有功损耗。为了研究风电集中接入位置参数()对电网有功损耗的影响，本文保持其他影响因素不变，并不妨取，，，。由式(3-1)到式(3-6)，本文得到随的变化曲线如下图5所示。

由图5可知，当时，最大，当时，最小。当时，随着的增大近似成线性地减小。因此，风电集中接入位置参数对于来说是一个相关性大的损耗影响因子。

3.3. 送端网络的送出功率对电网损耗的影响

送端网络通过输电线路1-3向受端网络传输功率，会在线路1-3上产生有功损耗。由于送端网络送出的有功功率和无功功率对的影响相似，为了研究的方便，本文只分析对的影响。本文取，，，，并保持不变。假设，由式(3-1)到式(3-6)，本文得到随的变化曲线如下图6所示。

由图6可知，随着的增大成二次方地增大，因此送端网络送出功率对于来说是一个相关性大的损耗影响因子。通过比较图4和图6可以发现，对于数值相同的和，由影响的电网有功损耗明显大于由影响的。

3.4. 输电线路电压对电网损耗的影响

当其他影响因素保持不变时，随着送端网络送出点电压的变化，输电线路1-3各点的电压均会发生变化(包括)，由式(3-6)可知，会发生相应的变化，因此输电线路电压对电网损耗的影响可由表示出来。本文取，，。对于送端网络送出点1，本文不妨将它看作中枢点，因此它的合理电压范围为。由式(3-1)到式(3-6)，本文得到随的变化曲线如下图7所示。

结合式(3-3)、(3-4)以及的取值，不难得到。由图7可知，近似与成反比。当时，。因此，送端网络送出点电压对于来说是一个相关性小的损耗影响因子。

图4.随的变化曲线

图5.随的变化曲线

图6.随的变化曲线

图7.随的变化曲线

3.5. 大规模风电接入的电网降损措施

本文通过对上述大规模风电接入电网损耗影响因子的分析，提出以下降损措施：

1) 在送端网络送出功率和风电接入位置确定的情况下，风电送出的功率等于电网就地负荷时，风电接入电网的网损最低。

2) 在送端网络送出功率和风电送出功率确定的情况下，对风电接入位置进行优化分配，可以减小风电接入电网的网损。通常情况下，对于只有一个风电接入点的电网，风电应该在中间偏末端的位置接入电网；如果电网允许有多个风电接入点，风电应尽量分散地从多个负荷比较重的馈线节点接入电网。

3) 在风电送出功率和风电接入位置确定的情况下，当风电接入电网的功率较大时，应尽量减少外部电网的传输功率，降低远距离传输功率，可减少网损。

4) 对于大规模风电集中接入的地区，应适当提高风电接入地区电网的运行电压水平。

4. 大规模风电接入电网损耗波动特性仿真计算分析

4.1. 甘肃河西电网简介

本文以甘肃河西电网为例进行仿真计算，通过仿真分析风电送出功率、风电接入位置、送端网络的送出功率、输电线路电压这四个损耗影响因子对电网损耗波动的影响。

2015年底，河西地区电网形成了经典的链式长距离网络，以新疆哈密750 kV站为送端，经甘肃敦煌750站 = 酒泉750站 = 河西750站 = 武胜750站为主网架的双回交流线输电走廊与甘肃主网联接。其中，以750 kV敦煌变和750 kV酒泉变为中心接入的电网为河西电网，河西电网接线图如图8所示。

在2015年冬小典型运行方式下，河西电网负荷总量4347.9 MW，常规能源(火水电机组)总发电功率为3402 MW，风电总发电功率为3750 MW。本文所研究的送端网络的送出功率指的是图8中的新疆哈密外送功率；风电送出功率指的是风电送出有功功率；此外河西风电出力功率变化时，调整受端电网开机方式平衡，以保持功率平衡。

4.2. 大规模风电送出功率对电网损耗波动的影响

首先计算大规模风电送出功率对河西电网损耗波动的影响。在送端电网送出功率分别为0、700 MW、1990 MW的情况下方式下，河西电网网损率随风电送出功率变化的曲线图，如图9所示。

河西电网总有功负荷为4347.9 MW，河西地区常规电源开机容量为3402 MW，从而可知河西地区需

图8. 2015年河西电网接线图

图9. 河西电网网损率随风电送出功率变化的曲线图

要供电的负荷为945.9 MW。通过分析图9，不难得出以下结论：当新疆外送功率为0时，随着风电出力的增加，河西电网网损率逐渐降低，在风电送出功率为1000 MW时达到最小值。之后随着风电送出功率的增加，多余的风电需要远距离传输到甘肃主网，河西电网的网损率将随之增加；当新疆外送功率为700 MW、1990 MW时，河西电网网损率随风电送出功率的变化规律与新疆外送功率为0时的相似。

4.3. 大规模风电接入点位置对电网损耗波动的影响

本文研究大规模风电接入点位置对电网损耗波动的影响，通过对以下两种情形进行仿真：保持酒泉风电送出功率为零不变，使敦煌风电送出功率改变；保持敦煌风电送出功率为零不变，改变酒泉的风电送出功率，可以得到河西电网的网损率的变化情况如图10所示。酒泉和敦煌变电站的具体位置如图8所示。

由图10可以得出以下结论：当酒泉(敦煌)接入点风电送出功率一定时，随着敦煌(酒泉)接入点风电送出功率的增加，河西电网网损率会相应地增加；尽管酒泉变自然位置距甘肃主网负荷中心较近，但各风电场经110千伏线路汇集到330千伏，再经330千伏线路汇集到750千伏酒泉变电站，电气距离较远；而敦煌变随距甘肃负荷中心自然距离较远，但所有风电场均由330千伏线路汇集到750千伏敦煌变电站，电气距离较酒泉变近。因此酒泉变风电容量增加产生的网损率高于敦煌变风电容量产生的网损率。

4.4. 大规模风电接入送端网络的送出功率对电网损耗波动的影响

在风电送出功率保持不变的前提下，本文研究大规模风电接入送端网络的送出功率对电网损耗波动的影响，并得到了在风电送出功率分别为0、500 MW、1000 MW的情况下，河西电网网损率随新疆外送功率的变化曲线图，如图11所示。

通过分析图11，可以得到以下结论：当风电送出功率为0时，随着新疆外送功率的增加，河西电网网损率会逐渐降低，因为新疆外送功率通过河西地区会被负荷消纳，减少了向甘肃主网长线路传输的功率区，且在新疆外送功率为1000 MW时取得最小值(与当地负荷持平)，之后随着新疆外送功率的增加，多余的电能需要远距离传输到甘肃主网，河西电网的网损率将随之增加；当风电送出功率为500 MW和1990 MW时，河西电网网损率随新疆外送功率的变化规律与风电送出功率为0时的相似，只不过河西电网网损率最低点发生了变化。

4.5. 大规模风电接入输电线路电压对电网损耗波动的影响

本文通过投切750 kV变电站低压侧电抗器调整母线电压，研究大规模风电接入输电线路电压对电网损耗波动的影响，得到河西电网的网损及主要变电站的电压如表1所示。由表1可以得到如下结论：随着750变电站低压侧电抗器的投入，河西电网敦煌750、酒泉750、玉门330、瓜州330等母线电压逐渐降低，河西电网损耗明显升高，由原来的203.750 MW升高到了210.764 MW，变化幅度为7.014 MW。因此，合理地提高河西电网的母线电压，能减少河西电网网损。

5. 结论

本文首先分析基于大规模风电接入的电网损耗波动特性，其次构建一个大规模风电接入的简单电网模型，分析风电并网对电网损耗的影响机理，明确风电并网影响网损的四个损耗影响因子：风电接入点位置、风电送出功率、送端网络的送出功率、输电线路电压，并分别论述了它们对网损的影响，提出基于损耗影响因子的降损措施。在上述理论分析的基础上，以甘肃河西电网为例进行仿真计算，验证了本文所述的大规模风电接入电网损耗影响因子和降损措施的正确性。

图10. 河西电网网损率随风电接入点位置变化曲线图

图11. 河西电网网损率随新疆外送功率变化曲线图

表1. 河西电网网损及主要变电站电压

基金项目

国家自然科学基金面上项目(51377053)；国家科技支撑计划 (2015BAA01B04)；国家电网公司项目(52272214002C)。

文章引用

曾文伟,刘文颖,王 贤,王维洲,梁 琛,郑晶晶. 基于大规模风电接入的电网损耗波动特性和影响因子分析
Analysis of Fluctuation Characteristics and Effect Factors of Grid Loss Based on Large-Scale Wind Power Integration[J]. 智能电网, 2017, 07(03): 185-195. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2017.73021

参考文献 (References)