科创中国

宁夏风力和光伏发电资源丰富，同时也是我国首个新能源综合示范区，随着新能源发电装机比重越来越大，如何从设备技术改造、电网网架构建等方面来推进新能源消纳能力提升存在以下几大难题：一是由于风能和太阳能出力的随机性、波动性，合理评估量化新能源开发布局与建设时序难；二是新能源不同并网方式对电网影响不同，优化接入方式、配置接入容量难；三是大规模新能源接入不确定性，导致传统电网规划方法实现源荷网协调规划难；四是新能源机组抗干扰差，规模化新能源的接入下电网稳定运行控制难。基于上述分析，亟需建立合理的风电、光伏及火电联合外送的源网协调规划体系。

项目团队重点针对新能源开发布局、场站汇集、集群接入、网架规划、暂态控制等环节面临一系列难题开展研究并取得以下创新：①提出基于风电机组可靠性、区域湍流等综合评估的风机叶片延长增效方法，有效提升机组发电量6%以上，基于新能源容量可信度解析化模型，提出计及风电容量和电量效益的开发时序优化模型，首次实现宁夏风电可信度量化计算，准确度达到96%以上，解决了新能源开发规划中时序和布局优化的难题；②基于多目标优化及多属性决策理论，提出了考虑接入点和接入容量优化的大规模新能源电源优化配置方法，建立了考虑可靠性、技术性、经济性的新能源基地功率汇集方案优选评估方法，解决了新增700万新能源科学接入电网难题；③基于主网架规划方案的全寿命周期成本等因素，提出了考虑源荷不确定性和网架拓展多选择性的大规模新能源集中接入的输电网双层规划方法，指导“太六平”750千伏线路规划建设，甘宁断面输电能力从380万千瓦提升至700万千瓦；④考虑新能源连锁脱网特性,提出了兼顾首摆稳定性与功率振荡恢复速度的双目标暂态切机控制方法，构建了故障后新能源汇集电网的无功出力紧急控制策略，降低了新能源机组大规模脱网的风险，研发了基于风机主控优化的变流器耐频改造技术，增加频率保护的频率参数和延时时间参数。

项目团队历时5年，聚合产学研用整体优势，构建了宁夏大规模新能源开发与电网协同发展关键技术及应用体系，整体达到国际先进水平，项目成果推动宁夏新能源装机由2015年1131万千瓦增至2019年2034万千瓦、装机占比由88.2%提升至97.5%，利用率由88%提升至97%以上，直接效益1.01亿元，减排二氧化碳超700万吨，经济社会效益特别显著。

本项目针对宁夏大规模新能源开发布局、场站汇集、集群接入、网架规划、暂态控制等环节面临一系列难题开展研究并取得以下技术亮点：

一是在风机本体改造和新能源开发消纳能力计算方面，基于风电机组可靠性、区域湍流等综合评估，针对老旧风电场机组可利用率相对较低的特点，创新研发风机叶片延长增效方法，有效提升风机效能，首次提出了风电可信容量的解析化模型，利用该模型从宏观统计角度与微观时序角度分别揭示了风电可信容量的影响因素，根据研究的风电可信容量解析化模型及风电容量可信度评估方法，提出了基于风电容量可信度的风电时序开发评估模型，模型采用序优化技术求解风电场时序开发模型。

二是在功率汇集方案选定方法方面，从不同灰机拓扑运行特性进行分析，创新提出三种典型汇集拓扑模式，同时制定汇集系统评估指标，建立涵盖可靠性、经济性、技术性三个方面的指标体系，有效解决目前国内外缺少针对新能源基地汇集拓扑的评估体系和方法的不足，采用综合评估方法实现拓扑选定。在集群接入点选择和接入容量优化方法中首次建立接入点、接入容量优化模型，构建包括潮流均衡度、线路投资、系统有功网损和新能源接入总容量的多目标函数，并计及并网线路优化选择模型，有效弥补了国内外同类研究成果重点研究经济性，缺少针对新能源集群接入优化的研究，本项目将新能源接入优化与电网规划统筹考虑，实现系统运行适应性与投资经济性整体最优。

三是首次采用考虑大规模新能源集中接入的输电网双层规划方法，其中输电网双层规划模型针对源网荷不确定性，构建双层规划模型，上层以全寿命周期成本最优、下层以最小切负荷期望为目标，迭代寻优，将源网荷不确定性和电网规划全寿命周期成本统筹考虑，达到经济性和技术性最优，解决了同类研究成果中单一考虑新能源极端出力场景进行校验的不足。

四是不同于国内外同类研究成果只考虑常规机组的暂态切机措施，本项目构建了平衡暂态首摆稳定性与抑制线路功率振荡冲突的双目标加权模糊的切机模型，优化风火切机配比，实现暂态稳定控制效果最优化。研发了基于风机主控优化的变流器耐频改造技术，增加频率保护的频率参数和延时时间参数。提出了计及新能源连锁脱网特性，兼顾首摆稳定性与功率振荡恢复速度的双目标暂态切机控制方法，以及故障后新能源汇集电网的无功出力紧急控制策略，应用于宁夏—浙江±800千伏特高压直流安全稳定控制方案。

项目提出的技术方法具有较强的创新性、实用性，于2015-2019年已经在国网宁夏电力有限公司、宁夏回族自治区发展改革委员会、国网宁夏宁电电力设计有限公司以及多家新能源企业进行了第一阶段应用，取得了良好的经济和社会效益，具备在其他具有类似宁夏大规模新能源开发的省份推广应用的条件。

1）提出的基于风电机组可靠性、区域湍流等综合评估的风机叶片延长增效方法，在华润电力承德御道口风场四期、五期部分机组进行升级改造，改造后发电量同比增长6%以上，可在同类风场老旧风机改造中进行应用。

2）提出的输电网双层规划技术在国网宁夏电力有限公司，在宁夏与西北第二回联网通道方案论证中进行应用，对最终选择平凉-六盘山-太阳山线路方案起到关键作用。同时给予项目成果提出的宁夏-浙江直流送端新能源与火电打捆外送方案，相关结论得到国家能源局采纳，提出的双目标瞬时切机控制方法以及故障后宁夏大型新能源基地汇集电网无功出力紧急控制策略，应用于宁夏-浙江特高压直流安全稳定控制方案，此技术可在类似宁夏新能源富集的电力外送省份大型新能源外送通道规划建设及汇集电网无功优化等方面进行深度应用。

3）项目提出的基于容量可信度的风电开发时序优化算法和考虑接入点和接入容量的大规模新能源优化配置算法，通过在宁夏太阳山、麻黄山、香山等六个风区资源开发时序评估中应用，为自治区发改委提供多项科学合理政策建议，同时也推广应用到华能、中广核等新能源开发厂家，有力推动当地新能源产业健康发展，助力新能源企业取得良好的经济效益，可在全国范围内新能源资源富集省份开展新能源开发中进行应用推广。

项目由国网宁夏电力有限公司经济技术研究院牵头、国网经济技术研究院有限公司、国网能源研究院有限公司、北京鉴衡认证中心有限公司、新疆金风科技股份有限公司共同合作完成，其中国网宁夏电力有限公司经济技术研究院作为牵头单位为项目配备了充足的研究人员，提供了所需资料、设备和办公环境，主要负责项目整体策划和全面牵头项目的整体研究工作。国网经济技术研究院有限公司、国网能源研究院有限公司、北京鉴衡认证中心有限公司共同参与研究提出了新能源容量可信度解析化模型，首次实现宁夏风电可信度量化计算，同时基于多目标优化及多属性决策理论，提出了考虑接入点和接入容量优化的大规模新能源电源优化配置方法，提出了考虑源荷不确定性和网架拓展多选择性的大规模新能源集中接入的输电网双层规划方法，应用指导宁夏电网与西北电网的第二回联络通道方案制定，指导宁夏中民投等风光基地开发，编制了《促进宁夏大规模新能源开发的电网构建关键技术及应用》。新疆金风科技股份有限公司作为国内风电设备研究与制造行业的龙头企业之一，在风机设备研究创新方面做了大量工作，提出了基于风电机组可靠性、区域湍流等综合评估的风机叶片延长增效方法，为项目硬件研究方面做了补充。项目第一完成人，周宗川，现任职于国网宁夏电力有限公司经济技术研究院电网规划发展研究中心主任，长期从事宁夏电力与电网规划工作，拥有丰富的电网、能源规划工作经验，在项目研究过程中整体把握项目研究方向，带领团队顺利完成项目研究并进行深度推广应用。

为了研发该成果本项目团队投入各类经费约610万元，截至目前国网宁夏电力有限公司应用本项目成果，近三年完成新增新能源发电量29亿千瓦时，按照跨区输电电价计算新增销售额8264万元，扣除增值税，新增利润6961万元，另外间接效益方面中广核新能源灵武有限公司、华电（宁夏）能源有限公司灵武分公司2020-2021年应用项目研究成果后新增发电量销售额为36635万元，新增利润2472.84万元。

基于项目研究成果形成《宁夏“十三五”电力发展规划》、《“十三五”宁夏太阳能资源开发规划》、《宁夏“十三五”可再生能源规划》等数十项能源电力专项规划，新能源消纳计算成果被自治区发改委纳入新能源年度开发方案，指导宁夏国家级新能源示范区建设，实现新能源装机规模从2012年的300万千瓦增加至2019年的2000万千瓦，年均增速达到18%，发电量累计达到1328亿千瓦时，新能源利用率从2016年的88%上升至2020年的97.26%，通过直流累计送出新能源电量291亿千瓦时，助推自治区新能源快速发展，实现新能源”双升双降”，在新能源装机和发电量持续大规模增加的情况下，新能源限电率和限电量持续下降，在全国名列前茅。

项目成果有效解决海量新能源科学接入电网难题，避免新能源项目无序开发，保障了新能源企业投资收益，实现增发电量超过60亿千万时，拉动新能源产业上下游投资数百亿，助力自治区绿色发展，2015年-2019年消纳新能源电量1089.3亿千瓦时，累计减少燃煤消耗3704万吨，减排二氧化碳9639万吨、二氧化硫89万吨、氮氧化物26万吨。

项目成果可通过技术合作等方式进行转化，目前已在宁夏、新疆等地多家新能源厂家、设计单位以技术合作的方式进行推广应用，后期可在具备条件的地区与有意向合作单位进行更深层次的推广应用，同时结合应用情况继续开展项目成果的深化研究。