光热电站的新能源电力外送系统优化技术研究
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摘要：针对当前新能源发电量不稳定问题，本文将结合某地区实际情况，在详细研究当地新型电力系统电力形势基础上，详细阐述了光热电站的新能源电力外送系统优化方案，并通过模型仿真验证，分析总结了近期电力外送与远期电力外送技术方案，并总结了紧急切机处理的相关技术措施。最后根据案例研究地区的实际情况可发现，上述措施可有效满足地区对电能需求，是一种安全、有效的技术优化方案。
本公司于2023年3月参与到某地区新能源电力外送系统优化项目中，电能接收地的光热资源丰富，其发电量有明显的季节性特征，根据典型年光照资源数据模拟逐小时出力，并进行特性统计分析后可以发现，2~4月、9~10月光热电站发电量较多，6~8月和12月发电量较少；根据光热电站典型年各月日等效发电小时数小于4h天数统计也可以发现，当地三个地区全年日光热等效发电小时数低于4h的天数分别为52、57、75天，在5~8月发生较多。同时根据电能接收地电网典型日负荷曲线可以发现，当地负荷曲线较平，叠加直流外送曲线后，冬季晚高峰负荷时段一般为18:00—21:00，如图1所示。因此，电源参加电力平衡需保证晚高峰时段4~6h电力需求。
但需要注意的是，电能接收地新能源发电存在严重的季节不平衡问题，其中冬季电力缺额占比最大，且随着新能源装机渗透率逐步提高，季节性缺电问题日益加剧，电力外送成为满足地区电能需求的主要措施。目前当地的冬季缺电问题仍主要依托地区主网提供电力电量支撑，但随着周边其他地区火电建设数量逐渐减少，导致周围为当地提供的电力支撑有限，在这一背景下如何实现当地电力外送系统优化成为本公司必须解决的问题。
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光热电站的新能源电力外送系统优化策略
1.1模型的建立
本公司基于案例项目实际情况，采用PSDBPA软件展开模型分析，该软件可通过光伏电站出力来表示光伏机组的运行情况，在建设操作处理中选择稳定文件swi建模＋潮流文件dat技术。整个建模操作的基本步骤如下：在潮流文件dat中选定BQ节点卡，并增设机端电压0.4kV与对应的T变压器卡与L线路卡；在稳定文件中创建光伏发电模型，根据案例项目的实际情况，设定单个光伏机组额定功率为1.05MW，共计100个；工况模拟。为确保机组在新能源电力外送运行中有过电压与低电压穿越能力，因此本公司技术人员在模型仿真中同时增加了RE卡与RE＋卡。
在上述建模方案基础上，本公司在实现中遵循光火储多能互补一体化模式，通过特高压直流外送通道实现电能有效供给。此外，在技术实现中还充分考虑到经济效益为目标制定电力外送计划。
式中：maxF为新能源电力外送的净收益最大值，单位元/年；e为系统售电收益，单位元/年；rim为新能源电力外送系统的总投资，单位元；roep为系统建成后的维护成本，单位元；rres为系统建成后的折旧值，单位元，并为保证公式能最大程度还原电网运行情况，在数据运算中所有数据均采用连续优化变量。
1.2电力外送系统的约束变量设计
1.2.1通道外送功率的选择
为切实解决目标地区在新能源电网建设中面临的季节性缺电问题，本公司采用经验函数计算电力通道的外送功率参数，
式中：pd(t)为单位时间t内的通道外送功率，单位亿kWh；d为地区用电需求系数；T为储能发电装机容量，单位亿kWh；e为系统售电收益，单位元/年。通过本公式的计算方法，可在充分考虑电力工程项目经济效益的基础上，合理规划通道外送功率，确保送电量且切实满足地区发展与居民基本需求。
1.2.2设备约束条件评估
在新能源电力外送系统优化技术实现中，需根据光热电站新能源电力系统设备的实际情况，保证电力外送系统运行状态能长时间保持稳定运行，其功率平衡约束的计算方法如下：
式中：Pc（t）为单位时间t时的光伏出力参数；Pb（t）则为光伏机组的总出力参数，Pd（t）为系统的电力外送工作状态。在本式数据计算中，当Pd（t）≥0时证明储能装置处于放电状态；而当Pd（t）＜0，可证明装置处于充电状态。
1.3近期新能源电力外送技术实现策略
技术方案的实现：电网基础设施建设普遍具有建设周期长、工程项目总投资较大的特征，导致电力设施建设难以在短时间内满足地区发展实际情况。本公司为解决上述问题，决定先采用短期电力外送技术以解决项目所在地存在的电能不足问题，主要技术措施包括：优化地区电网温控系统，即在两个主变站加装子站，并将当地与周边地区新投入的光热电站纳入切机阀内，强化光热电站送电能力；扩建供电区750kV第二台主变，解决TB4单主变运行可靠性低问题，从而提升供电区域的电网电力能力，进而更好地解决目标地区的季节性电力不足问题。
技术可行性评价：本公司采用上述近期新能源电力外送技术后，分别比较改造前后案例地区的部分母线节点（1~5#母线）的电压值（kV）情况如下：754.32/794.63、742.35/784.63、352.63/384.03、348.53/366.86、361.72/389.42。根据以上数据可以发现，案例地区在采用本公司介绍的近期新能源电力外送技术后，所选的5条母线电压值均处于理想范围内，提示该技术不会对当地电网安全性产生影响。
之后结合上文研究结果综合分析近期新能源电力外送技术的可行性后，判断在每年的6~8月和12月能向电能接收地提供25亿kWh，可有效填补电能接收地的用电缺口，具有可行性。而在统计近期新能源电力外送项目的经济效益后，结果显示新能源电力外送单年所能创造的经济效益超过8000万元，具有可行性。
1.4远期新能源电力外送方案
1.4.1技术方案设计
根据电源接收地的实际情况来看，当地预计在2030年存在36亿kWh的电能缺口，因此打造远期光热电站的新能源电力外送系统成为其中的关键。本公司结合当地实际情况制定远期电源外送技术方案，即通过升压汇流站将清洁电力接入该地区主网，并将电能输送至电力电源接收地即可。其中汇流站系统采用分期开发模式，即在第一期增设一台240MWA主变，该装置向外输送电力规模约为200WM；第二期电网建设中则采用双变模式，即额外增设一台240MWA主变，此时新能源系统向电源接收地输送的电力规模大于等于400MW。
在上述电力外送系统基础上，本公司提出了两种光热电站新能源并网方案，并将其作为远期新能源电力外送方案的关键，主要技术措施包括：方案1。在新能源电力外送系统建设中，将TB1OO汇流站中连接至TB26输电线路中；方案2。新建一条330kV的输电线路。
1.4.2技术方案对比结果评估
方案1评估：本公司相关人员发现，在当前的新能源电力外送系统体系中的TB22~TB4中仅设置了一条单回330kV线路，并且该线路已经处于严重重载状态，若采用新能源电力外送则可能增加系统运行风险，难以满足地区对电能需求。基于上述实际情况，本公司技术人员决定搭设第二回输电线路，根据现场实际情况，判断该线路总长度为82.53km。在上述技术架构中，为有效控制工程项目总成本，则可采用同杆双回架设，即在现有输电线路基础上架设第二回输电线路。在采用上述技术实现路径后，整个工程项目的设计总投资额约为2.61亿元。
方案2评估：基于方案1的相同工况，本公司技术人员为充分满足电源接收地的电力需求以及长远发展需求，决定新建一条输电线路，该线路的总长度达到130.52km。期间为有效控制工程项目总投资，决定利用原有输电塔杆。该方案的主要施工内容包括一条330kV的输电线路与一座同等规模的变电站，在统计该方案的经济指标后，计算出项目总投资约为2.89亿元。
1.4.3技术方案对比
结合本公司提出的两种技术方案，文章综合比较两种技术的优劣势情况，相关对比结果如表1所示。
在综合比较表1中的相关数据可以发现，本公司提出的两种技术方案各具优劣势，其中方案2具有建设规模大的情况，并且在后期运行中可能出现部分线路重载问题，对线路运行安全构成威胁；相比之下，方案1的投资项目成本适中，并且该技术也能满足电网安全运行约束条件。基于上述研究结果可以认为，方案1是满足本次新能源电力外送技术优化的可行手段，满足远期新能源电力外送技术要求。
1.5紧急切机处理
1.5.1技术应用思路
光热电站的新能源电力外送基础的应用，虽然能有效解决部分地区的电能不足问题，但在具体操作中依然面临诸多安全风险。因此本公司技术人员在技术改进中提出了紧急切机技术方案，该技术的适应场景为：电力系统在暂态过程中出现大量加速功率，并且故障后系统的节点电压降低会造成系统的输电能力下降。基于上述实际情况，在紧急切机处理中需及时切除故障设备，并且为避免系统发生功能性失稳，避免故障发生进一步恶化。
1.5.2步骤实施路径
为满足紧急切机处理要求，本公司技术人员提出了以下技术应对方案：步骤1。先完成系统初始化处理，即对系统发生故障情况做PSD-BPA仿真，获得光热电站新能源电力外送系统运行中的电压曲线，并根据该曲线划定对应的切机顺序；步骤2。试切断部分机组，并检查系统是否处于稳定状态，此时若证实系统达到稳定状态则可转入步骤3，若不稳定则会继续根据切机次序按步长依次切除火电机组；步骤3。检查输电线路系统电压是否处于稳定状态，若证实不稳定则可转入到步骤4。若稳定则可记录此时的切机量并按照步长一次性切除对应机组；步骤4：在系统电压未恢复时则证明切机量不足，需继续切机，此时需根据新能源机组切机顺序按步长切除新能源机组，直至系统电压达到稳定条件。
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光热电站的新能源电力外送系统优化技术应用效果评价
结合电源接收地的实际情况，在采用本公司开发的光热电站的新能源电力外送技术后，当地季节性电量缺口问题得到有效解决。以2024年的6月份为例，与往年对比结果显示，当地电力缺口总量约为4.2亿kWh；而在采用上述技术方案后，当地电力缺口仅为0.63亿kWh，该结果证明上述技术措施可有效满足地区用电需求。同时安全性评估结果显示，该技术自应用以来未发生一起火灾等严重安全事件，提示技术安全性满意，具有优势。
本文作者：中核汇能有限公司，张海松；文章转自《新能源发电与储能》。
