主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)性分析

鐘 清，余南華，孫 聞，宋旭東，柳春芳，張 晗

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司，佛山 528000；3.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

近年來，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，化石能源逐步枯竭，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，能源的清潔高效利用越來越受到重視。傳統(tǒng)的被動(dòng)配電網(wǎng)已不能滿足環(huán)保要求及電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量的要求。未來電網(wǎng)需要規(guī)劃設(shè)計(jì)成一種綠色、高效、可靠、智能的方式以適應(yīng)未來的技術(shù)需求，并且能滿足分布式電源尤其是可再生能源的規(guī)模化接入。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中對可再生能源消納能力不足、一次網(wǎng)架薄弱、自動(dòng)化水平不高以及調(diào)度方式落后等問題在主動(dòng)配電網(wǎng)中將不復(fù)存在。

主動(dòng)配電網(wǎng)對綠色能源有良好的兼容性，且能高效利用己有資產(chǎn)，反映出了未來智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。主動(dòng)配電網(wǎng)能夠組合控制各種分布式能源（DG、可控負(fù)荷、儲能、需求側(cè)管理等），據(jù)此加大配電網(wǎng)對可再生能源的接納能力、提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)的升級改造投資，以及提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性[1]。傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)對分布式能源的消納模式單一，當(dāng)小容量分布式電源接入中低壓配電網(wǎng)后，因節(jié)點(diǎn)及饋線上負(fù)荷水平較低，無法通過人為或自動(dòng)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致分布式電源利用率低、并網(wǎng)點(diǎn)功率波動(dòng)頻繁、電能質(zhì)量差等各種現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。主動(dòng)配電網(wǎng)對分布式能源有多種消納模式，能有效避免上述問題。

本文通過詳細(xì)分析主動(dòng)配電網(wǎng)對分布式能源的消納模式及間歇式能源的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，為主動(dòng)配電網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)對分布式能源的消納

主動(dòng)配電網(wǎng)在建設(shè)時(shí)已考慮了間歇式可再生能源參與電網(wǎng)潮流分配與故障支持情況[2]。為了保證間歇式可再生能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)后電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性，需要合理配置可再生能源機(jī)組的出力。由于間歇式可再生能源要受到系統(tǒng)和分布式機(jī)組自身物理?xiàng)l件的約束，如何設(shè)計(jì)間歇式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)形式并確定間歇式能源的消納模式具有重要意義。

主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源的接入位置和接入容量多種多樣，比如將間歇式能源接入220/380 V 配電網(wǎng)、T 接接入380 V 母線、接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)后T 接接入10 kV 線路、專線接入變電站低壓側(cè)10 kV 母線等，接入容量可達(dá)60 MW。間歇式可再生能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)后電網(wǎng)的消納模式主要可歸納為3 種：點(diǎn)消納模式、線消納模式和面消納模式。

1.1 點(diǎn)消納模式

點(diǎn)消納模式的特點(diǎn)是通過復(fù)合能源協(xié)調(diào)控制，充分利用儲能系統(tǒng)緩解間歇性能源功率的波動(dòng)，一方面平滑功率輸出，另一方面提升間歇性能源的利用率，將多余的間歇性能源進(jìn)行存儲，由于此種消納模式不能向電網(wǎng)倒送功率，因此適用于分布率較小、滲透率較低的配電網(wǎng)，其模式如圖1所示。

1.2 線消納模式

線消納模式如圖2 所示，其特點(diǎn)是在小范圍內(nèi)對分布式發(fā)電進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，適當(dāng)情況下允許向電網(wǎng)供電，但其對分布式能源的消納有嚴(yán)格要求，要求分布式能源集中接入，適用于滲透率較大，但分布率較小且分散度較大的主動(dòng)配電網(wǎng)。目前將多種分布式能源以微網(wǎng)的方式進(jìn)行集成，通過微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對各個(gè)分布式能源進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效消納，線消納模式是目前運(yùn)用最廣的消納模式[3]。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)點(diǎn)消納模式Fig.1 Point consumption mode of ADN

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)線消納模式Fig.2 Line consumption mode of AND

1.3 面消納模式

面消納模式是一種能兼容微網(wǎng)技術(shù)并通過靈活協(xié)調(diào)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式能源完整消納的模式。其模式如圖3 所示。

主動(dòng)配電網(wǎng)能在同一電壓等級甚至相鄰電壓等級綜合利用所有分布式能源及微網(wǎng)資源，并通過靈活的協(xié)調(diào)控制技術(shù)來達(dá)到對分布式能源的完整消納。主動(dòng)配電網(wǎng)允許分布式能源發(fā)電功率潮流雙向自由流動(dòng)，相對集中控制模式而言，其接入分布式能源的半徑更廣，接入容量更大，并能利用網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)靈活控制潮流，對于分布式能源的利用率也最高，適應(yīng)于滲透率高、分布度廣、分散度不限的主動(dòng)配電網(wǎng)[4]。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

2.1 間歇式能源經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

圖3 主動(dòng)配電網(wǎng)面消納模式Fig.3 Surface consumption mode of ADN

主動(dòng)配電網(wǎng)重點(diǎn)考慮的是對間歇式能源的消納，因此計(jì)算主動(dòng)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性首先應(yīng)從主動(dòng)配電網(wǎng)中不同的間歇式能源的經(jīng)濟(jì)性算起。本文通過對風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)等間歇式新能源的電源模型經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算，確立不同間歇式能源發(fā)電成本的目標(biāo)函數(shù)。

1）風(fēng)力發(fā)電成本計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年成本計(jì)算公式為

式中：CWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)年成本；aWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的造價(jià)，元/kW；r0為貼現(xiàn)率，%；mWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行年限；uWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，一般取5%aWT；NWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量。

2）光伏發(fā)電成本計(jì)算

年光伏電池組的總成本與光伏電池起始造價(jià)和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用有關(guān)，其計(jì)算公式為

式中：CPV為光伏電池年成本；aPV為光伏電池的造價(jià)，元/kW；mPV為光伏電池運(yùn)行年限；uPV為光伏電池年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，一般取1%aPV；NPV為光伏電池?cái)?shù)量。

3）燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣成本

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年運(yùn)行消耗的天然氣成本為

式中：Cf為燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣成本，元；χf為天然氣價(jià)格，元/m3；Vf、Vfc、Vfh分別為天然氣發(fā)電用量、發(fā)熱補(bǔ)燃量、燃?xì)鈸p耗量，m3/h；t 為燃?xì)廨啓C(jī)年利用小時(shí)數(shù)，h。

4）燃?xì)廨啓C(jī)年成本

燃?xì)廨啓C(jī)年成本為

式中：CCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)年成本，元；mCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行年限，a；aCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)的單臺造價(jià)，元/臺；aabs為溴冷機(jī)的單臺造價(jià)，元/臺；uCCHP和uabs分別為燃?xì)廨啓C(jī)和溴冷機(jī)的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元；NCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)臺數(shù)，臺。

5）間歇式能源經(jīng)濟(jì)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)

通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本進(jìn)行計(jì)算，得出間歇式能源經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)為

式中：Ct為系統(tǒng)總成本，元；Cr為計(jì)及供電可靠性方面的系統(tǒng)電量損失總成本，元。其中：

式中：WTn、PVn、CCHPn分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)量；ai、aj、ak分別為第i、j、k 類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的單位造價(jià)，元/kW；Pi、Pj、Pk分別為i、j、k 類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的容量；u（Pi）、u（Pj）、u（Pk）分別為對應(yīng)容量為Pi風(fēng)力發(fā)電機(jī)i 類型、容量為Pj光伏電池j 類型、容量為Pkk 類型燃?xì)廨啓C(jī)的年維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用；m 為設(shè)備的運(yùn)行年限；coe 為賠償系數(shù)；EENS 為系統(tǒng)電量不足期望值。在計(jì)算時(shí)，采用時(shí)間序列和蒙特卡洛方法[5]。

目前適合計(jì)算我國停電損失的評估方法主要有平均電價(jià)折算倍數(shù)法、產(chǎn)電比法和總擁有費(fèi)用法。為了盡量減小對停電損失的估算誤差，通常采用前2 種方法的加權(quán)平均，即

式中：R 為產(chǎn)電比；α1和α2分別為電價(jià)折算倍數(shù)法和產(chǎn)電比法的加權(quán)系數(shù)；K 為單位停電電價(jià)與平均電價(jià)的比值，一般取25；e 為平均電價(jià)。

其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，使系統(tǒng)投資、運(yùn)行、可靠性等綜合成本最小。通過目標(biāo)函數(shù)值能指導(dǎo)主動(dòng)配電網(wǎng)的建設(shè)，為主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)計(jì)算與優(yōu)化評估提供方法和依據(jù)。

2.2 主動(dòng)配電網(wǎng)儲能配置

主動(dòng)配電網(wǎng)中除了有間歇式可再生能源及其他分布式能源接入外，儲能的配置也必不可少，合理的儲能配置對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義。儲能容量的優(yōu)化配置可根據(jù)區(qū)域歷史負(fù)荷特點(diǎn)來決定。主動(dòng)配電網(wǎng)中的儲能配置主要用于削峰填谷，因此采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則計(jì)算儲能配置的容量。定義Yi為削峰后的最大負(fù)荷，也是變電站低壓側(cè)所帶負(fù)荷Pmax峰值與儲能變流器功率PPCS，i的額定功率之差，即

配置的電池容量為削峰負(fù)荷對時(shí)間的積分，有

式中，P（t）為當(dāng)前時(shí)刻的負(fù)荷水平，P（t）＞Yi。

實(shí)時(shí)負(fù)荷要求可由電網(wǎng)變電站擴(kuò)容或提升儲能系統(tǒng)容量滿足，此時(shí)各負(fù)荷需滿足的條件為

式中：Pmax，i（t）為t 時(shí)刻負(fù)荷值；PPCS，i（t）為t 時(shí)刻PCS 放電功率；Pgrid，i（t）為t 時(shí)刻電網(wǎng)供電功率。

同一狀態(tài)下選用變電站擴(kuò)容或增加儲能和PCS 容量均可以滿足負(fù)荷需求，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，所構(gòu)建儲能配置的目標(biāo)函數(shù)為

式中：Pbattery，i為儲能電池的放電功率；VPCS、Vbattery分別為儲能變流器與儲能電池的單位建設(shè)費(fèi)用；V35、V110、V220、V500分別為35～500 kV 變電站的單位建設(shè)費(fèi)用，若區(qū)域電網(wǎng)缺少某一電壓等級，則與此相對應(yīng)的變電站的單位建設(shè)費(fèi)用按0 考慮。

2.3 主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

分析了可再生間歇式能源經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)和儲能配置的優(yōu)化函數(shù)，主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的目的是綜合考慮各部分的費(fèi)用，形成綜合的優(yōu)化函數(shù)。因此，本文采用最小化配電網(wǎng)年費(fèi)用F 作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，則計(jì)及間歇式可再生能源的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型[6]為

其中，約束條件為：Ii≤Ii，max，i=1，2，…，nl；Uj，min≤Uj≤Uj，max，j=1，2，…，nn。

需說明的是，由于間歇式可再生能源的出力受到諸如風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度等不確定性因素的影響，如果間歇式可再生能源總?cè)萘克急壤^高，將導(dǎo)致系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，因此，以上模型的約束條件中考慮了間歇式可再生能源的總?cè)萘繚B透率的約束。

3 結(jié)語

為了應(yīng)對大量的間歇式可再生能源接入配電網(wǎng)這一新形勢，研究間歇式可再生能源的接入對配電網(wǎng)的影響，本文首先結(jié)合配電網(wǎng)特點(diǎn)研究了主動(dòng)配電網(wǎng)對分布式能源的消納模式，針對不同滲透率情況下不同消納模式的優(yōu)缺點(diǎn)提出了相應(yīng)的應(yīng)用場景；其次分析了配電網(wǎng)儲能配置及主動(dòng)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)，指導(dǎo)配電網(wǎng)建設(shè)；最后給出了能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，為主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算與優(yōu)化評估提供了方法和依據(jù)。

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