基于滲透率的區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏并網(wǎng)消納能力分析

趙 波, 肖傳亮, 徐 琛, 張雪松, 周金輝

(國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

基于滲透率的區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏并網(wǎng)消納能力分析

趙 波, 肖傳亮, 徐 琛, 張雪松, 周金輝

(國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

隨著分布式光伏在區(qū)域配電網(wǎng)中接入容量的不斷增加,以滲透率指標(biāo)群為參考,將引導(dǎo)分布式光伏的合理規(guī)劃。在不考慮配電網(wǎng)升級改造的前提下,以光伏并網(wǎng)的功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率為載體,建立光伏滲透率指標(biāo)群。以某一實際區(qū)域配電網(wǎng)為基礎(chǔ),闡述各光伏滲透率指標(biāo)的實際物理意義,分析并網(wǎng)后光伏出力與光伏成本、光伏利用率之間的關(guān)系,最后探討不同負(fù)荷類型對光伏滲透率指標(biāo)群的影響,為區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏規(guī)劃投資提供指導(dǎo)和參考,有效引導(dǎo)未來分布式光伏與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

分布式光伏; 區(qū)域配電網(wǎng); 滲透率; 光伏容量規(guī)劃

0 引言

在大氣污染治理及氣候變化談判的雙重壓力下,清潔能源替代傳統(tǒng)煤電將不斷提速。國家能源局近期發(fā)布的太陽能利用“十三五”意見稿中明確提出,全面推動分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè),重點發(fā)展以大型工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、公共設(shè)施、居民住宅等為主要依托的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),使得一些區(qū)域配電網(wǎng)的分布式光伏并網(wǎng)容量不斷增加[1-2],打破了傳統(tǒng)的供電格局。

根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)容量的不斷增加,隨著光伏滲透率的逐漸升高,在一些區(qū)域配電網(wǎng)通常會經(jīng)歷以下三個發(fā)展階段[3]。

階段1:初期階段,區(qū)域配電網(wǎng)中的分布式光伏并網(wǎng)容量相對較少,滲透率在中低水平,區(qū)域內(nèi)能夠被負(fù)荷完全消納,不會引起反向潮流,對現(xiàn)有配電網(wǎng)的形態(tài)及穩(wěn)定運行影響不大。

階段2:在階段1的基礎(chǔ)上,隨著分布式光伏并網(wǎng)容量的不斷增加,使得區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)部形成高滲透率的光伏發(fā)電格局。在某些時段,區(qū)域內(nèi)負(fù)荷不能完全消納光伏發(fā)電,未被消納的光伏功率會被倒送至母線或上一級電網(wǎng),對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行、保護(hù)、電能質(zhì)量將會產(chǎn)生一定的影響,但此時的分布式光伏還不是主要供電方,仍以公共電網(wǎng)供電為主。

階段3:在階段2的基礎(chǔ)上,隨著政策的鼓勵及商業(yè)模式的不斷成熟,仍然繼續(xù)增加分布式光伏并網(wǎng)容量,光伏滲透率進(jìn)一步提高,此時光伏發(fā)電電量在區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷用電總量中占有較大比例,在多個時段將發(fā)生功率倒送現(xiàn)象,未被消納的光伏發(fā)電功率會以能源互聯(lián)的形式進(jìn)入市場競價,配電網(wǎng)中形成以光伏供電為主、與公共電網(wǎng)公司互為備用的格局,對現(xiàn)有電力系統(tǒng)將會產(chǎn)生較大的影響,主動配電網(wǎng)將會不斷深化形成。

分布式光伏并網(wǎng)若要完成上述三個階段的轉(zhuǎn)變,不僅要注重與其他能源發(fā)電的協(xié)同配合,解決自身的經(jīng)濟(jì)效益問題,更需要考慮電網(wǎng)實際負(fù)荷需求及現(xiàn)有技術(shù)條件的限制[4]。

由于光伏發(fā)電的間歇性與電網(wǎng)中負(fù)荷特性的差異,使得電網(wǎng)不可能無限制地接納光伏電源?，F(xiàn)有對配電網(wǎng)光伏消納能力的研究,主要是通過并網(wǎng)后電網(wǎng)的各種安全穩(wěn)定運行約束指標(biāo)獲得配電網(wǎng)光伏的最大準(zhǔn)入容量[5-7],或者通過一定的措施提升光伏的準(zhǔn)入容量[8-9],但以光伏滲透率為指標(biāo)開展配電網(wǎng)光伏消納能力的研究較為匱乏,且現(xiàn)有的研究角度相對單一,光伏功率對配電網(wǎng)的沖擊、光伏能量對配電網(wǎng)的支撐等無法完全體現(xiàn)[10-11],尤其以滲透率為基礎(chǔ)對配電網(wǎng)進(jìn)行光伏容量規(guī)劃很少涉及。對于一個已知的區(qū)域配電網(wǎng),對其進(jìn)行光伏容量前期規(guī)劃時,需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀或未來整體的負(fù)荷曲線,從功率、能量平衡角度對光伏的消納進(jìn)行宏觀評估,而對于考慮具體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和安全穩(wěn)定運行限制,如何確定光伏安裝位置、安裝方式及安裝容量,采用何種控制方案以提高配電網(wǎng)的光伏最大準(zhǔn)入容量則是在并網(wǎng)設(shè)計階段需要重點考慮的。在合理滲透率基礎(chǔ)之上,通過及時公布配電網(wǎng)剩余分布式光伏接納空間,電力公司能夠有效引導(dǎo)項目業(yè)主優(yōu)先在剩余接納空間較大、適宜接入的地區(qū)投資建設(shè)分布式光伏電源項目,從而促進(jìn)光伏消納,擴(kuò)大光伏安裝比例,推動分布式光伏電源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

基于上述背景,為了實現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏接入容量的前期規(guī)劃,本文提出光伏功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率等光伏滲透率分析指標(biāo)群,并以某實際配電網(wǎng)展開分析,解釋各滲透率指標(biāo)的物理意義,探討不同滲透率情況下并網(wǎng)光伏利用率和光伏成本之間的關(guān)系;最后針對不同的負(fù)荷特性,利用光伏滲透率指標(biāo)群,分析不同負(fù)荷類型下配電網(wǎng)的光伏消納特性,總結(jié)區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏接入容量的前期規(guī)劃方法,為配電網(wǎng)分布式光伏規(guī)劃投資提供指導(dǎo)和參考。

1 滲透率相關(guān)概念分析

1.1 基本概念

首先,相關(guān)基本概念定義如下[12]。

功率滲透率(power penetration,PP):在給定的區(qū)域內(nèi),所有分布式光伏發(fā)電功率與同一時刻該區(qū)域負(fù)荷之比的全年最大值,如式(1)所示,反映了一年當(dāng)中光伏功率對負(fù)荷的最大支撐能力,其他時刻光伏發(fā)電功率與負(fù)荷的比值均低于功率滲透率。在不考慮光伏輸出功率限制時,當(dāng)功率滲透率超過100%時,則表示光伏發(fā)電功率超過了此時刻區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷需求,多余的光伏發(fā)電功率將倒送回電網(wǎng)。

(1)

式中:Ppv為該區(qū)域某一時刻所有分布式光伏的發(fā)電功率;Pload為同一時刻該區(qū)域的負(fù)荷值。

容量滲透率(capacity penetration,CP):在區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi),分布式光伏全年最大發(fā)電功率與區(qū)域負(fù)荷全年最大值的百分比,如式(2)所示。光伏容量滲透率與光伏功率滲透率相似,都是光伏發(fā)電功率與系統(tǒng)負(fù)荷的比值,但不同的是,功率滲透率中光伏電源發(fā)電功率與負(fù)荷是同一時刻的比值,而容量滲透率中的光伏發(fā)電功率與負(fù)荷通常并不在同一時刻發(fā)生。光伏容量滲透率體現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)光伏安裝容量的飽和程度,反映區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)的光伏安裝容量極限。

(2)

式中:Ppvmax為分布式光伏的年最大發(fā)電功率;Ploadmax為區(qū)域內(nèi)年最大負(fù)荷值。

能量滲透率(energy penetration,EP):在給定區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi),光伏電源全年提供的電量占區(qū)域內(nèi)所有負(fù)荷全年耗電總量的百分比,如式(3)所示。

(3)

式中:Epv為分布式光伏的年可用發(fā)電量;Eload為區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)年負(fù)荷總用電量。

光伏利用率(PV utility ratio,PUR):分布式光伏全年實際可用發(fā)電量與實際光照條件下允許的最大發(fā)電量的比值。

光伏成本(PV cost,PC):對于已投資的固定分布式光伏而言,光伏利用率越高,光伏發(fā)電回收效益也就越高,相對而言,光伏電源成本也就更低。故考慮光伏利用率后的光伏成本用光伏利用率的倒數(shù)表示,即實際光伏成本相對于光伏利用率為1時的數(shù)值。

1.2 基本假設(shè)

為進(jìn)一步討論光伏滲透率、光伏利用率和光伏成本與配電網(wǎng)消納分布式光伏能力之間的關(guān)系,在本文的研究中對計算條件作如下假設(shè)。

1)忽略光伏發(fā)電的傳輸損耗,即認(rèn)為分布式光伏電源接入系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè),光伏出力可以直接滿足等量的負(fù)荷需求。

2)逆變器和光伏元件采用統(tǒng)一的效率曲線,不考慮生產(chǎn)廠家和環(huán)境因素差異的影響。

3)分布式光伏的分散布置可以減弱云層移動造成陰影等光照快速變化現(xiàn)象對配電網(wǎng)的影響,這里不考慮光伏出力的暫態(tài)影響,分析的最小時間尺度為1 h。

4)研究對象通常為一個區(qū)域配電網(wǎng),將區(qū)域配電網(wǎng)等效為一個整體負(fù)荷,從宏觀的角度對配電網(wǎng)的光伏消納能力進(jìn)行分析,實現(xiàn)對區(qū)域配電網(wǎng)的光伏安裝容量的前期規(guī)劃,因此暫不考慮配電網(wǎng)內(nèi)饋線之間的相互影響,以及光伏安裝位置、安裝方式的影響。

2 光伏滲透率分析

分布式光伏并網(wǎng)后,在配電網(wǎng)正常運行約束條件下,光伏發(fā)電被負(fù)荷就近消納,以降低公共電網(wǎng)的供電壓力。由于本文的研究目的在于從宏觀的角度對配電網(wǎng)的光伏消納能力進(jìn)行分析,實現(xiàn)對已知配電網(wǎng)的光伏安裝容量進(jìn)行提前規(guī)劃,因此本文將已知的區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)分布的負(fù)荷等效為一個整體負(fù)荷進(jìn)行分析。配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)及分布式光伏之間的功率交換方式簡化圖見附錄A圖A1。

為便于各光伏滲透率指標(biāo)群的分析,以浙江省嘉興市某110 kV變電站(簡稱SA變電站)供區(qū)為研究對象,對各光伏滲透率指標(biāo)進(jìn)行分析說明。SA變電站2014年全年8 760 h負(fù)荷分布情況見附錄A圖A2。

SA變電站所轄區(qū)域全年最大負(fù)荷為56.2 MW,全年負(fù)荷季節(jié)特性不明顯,較為平穩(wěn)。SA變電站所轄區(qū)域2014年輻照度曲線見附錄A圖A3。

根據(jù)定義,光伏功率滲透率與光伏并網(wǎng)容量成正相關(guān)。對于SA變電站所轄區(qū)域,在已知負(fù)荷不變的情況下,假設(shè)逐漸增加光伏安裝容量,通過分析獲得功率滲透率λPP隨光伏并網(wǎng)容量增加的變化情況,如圖1所示。

圖1 光伏功率滲透率與并網(wǎng)容量的關(guān)系Fig.1 Relationship between PP and PV installed capacity

根據(jù)式(1),由于SA變電站負(fù)荷大小及分布已知,當(dāng)光伏安裝容量增加時光伏功率滲透率線性增加,且區(qū)域配電網(wǎng)中的凈負(fù)荷不斷減小。根據(jù)該區(qū)域的光伏發(fā)電系統(tǒng)運行經(jīng)驗,分布式光伏實際發(fā)電效率為78%,如圖1所示,當(dāng)光伏安裝容量達(dá)到23 MW時,光伏功率滲透率達(dá)到100%。根據(jù)功率滲透率的定義,此時光伏發(fā)電功率等于該區(qū)域配電網(wǎng)中的負(fù)荷,配電網(wǎng)中的凈負(fù)荷值為0,上級電網(wǎng)不需要向SA變電站區(qū)域負(fù)荷供電,光伏出力可獨自支撐整個配電網(wǎng),且不會出現(xiàn)功率倒送的情況。若繼續(xù)增加光伏安裝容量,光伏功率滲透率會超過100%,全年當(dāng)中某些時段光伏發(fā)電功率會超過區(qū)域配電網(wǎng)的負(fù)荷需求,配電網(wǎng)中凈負(fù)荷為負(fù)值,多余的光伏發(fā)電功率將會倒送至上一級電網(wǎng)。

由以上分析可知,光伏功率滲透率反映了全年當(dāng)中某個時刻光伏發(fā)電功率與此時刻所對應(yīng)的區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷之間的匹配程度,體現(xiàn)一年當(dāng)中光伏功率對負(fù)荷的最大支撐能力,其關(guān)鍵臨界點λPP=100%時的光伏安裝容量可作為評估區(qū)域配電網(wǎng)發(fā)生功率倒送的標(biāo)準(zhǔn)。

與光伏功率滲透率相同,由于SA變電站所在區(qū)域負(fù)荷已知,根據(jù)式(2),光伏容量滲透率也隨光伏安裝容量的增加而線性增長,其變化曲線如圖2所示。

圖2 光伏容量滲透率與并網(wǎng)容量的關(guān)系Fig.2 Relationship between CP and PV installed capacity

隨著光伏安裝容量的增加,光伏容量滲透率不斷增加,當(dāng)光伏安裝容量達(dá)到約72 MW時,光伏容量滲透率達(dá)到100%。根據(jù)λCP的定義,此時光伏全年出力最大值與負(fù)荷全年出力最大值相等。如果繼續(xù)增加光伏安裝容量,由于光伏全年出力最大值大于負(fù)荷全年最大值,配電網(wǎng)中必然出現(xiàn)光伏無法消納的時段。附錄A圖A4給出了λCP=100%時,SA變電站全年光伏出力與負(fù)荷比值分布情況?？梢姰?dāng)λCP=100%時,光伏出力與負(fù)荷比值主要分布在0～100%之間,在這些時段光伏發(fā)電功率能被區(qū)域內(nèi)負(fù)荷所消納;但在某些時段內(nèi),光伏出力與負(fù)荷比值均大于100%,最大比值甚至高達(dá)300%,光伏發(fā)電向上級電網(wǎng)倒送功率現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然嚴(yán)重倒送的時段數(shù)量極少,對全年光伏總體消納影響較小,但仍會對配電網(wǎng)安全運行帶來影響。如果繼續(xù)增加光伏安裝容量,光伏出力與負(fù)荷比值超過100%時段增加且幅值會持續(xù)增大,這會導(dǎo)致持續(xù)、大量的光伏功率被倒送至上級電網(wǎng),從而嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。由以上分析及容量滲透率的定義可知,光伏容量滲透率表示區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)光伏安裝容量的飽和程度,體現(xiàn)了光伏發(fā)電功率對配電網(wǎng)負(fù)荷可能帶來的影響極限,其關(guān)鍵臨界點λCP=100%時的光伏安裝容量可作為區(qū)域配電網(wǎng)光伏安裝容量極限的參考值。

功率滲透率和容量滲透率均是反映全年光伏發(fā)電功率的影響,無法體現(xiàn)分布式光伏對電量供應(yīng)上的影響。根據(jù)定義,光伏能量滲透率為可用光伏發(fā)電電量與區(qū)域配電網(wǎng)全年所需電量的百分比,它能有效反映光伏出力的累積效果。光伏能量滲透率具體定義的說明及其與配電網(wǎng)凈負(fù)荷的關(guān)系在文獻(xiàn)[11]中已做了詳細(xì)的分析?？紤]光伏安裝容量較大時,部分光伏可能無法被消納,所以能量滲透率和光伏安裝容量呈非線性關(guān)系。根據(jù)SA變電站2014年的負(fù)荷數(shù)據(jù),計算得出不同光伏安裝容量(最大負(fù)荷Pmax的倍數(shù)表示)的光伏能量滲透率曲線如圖3所示。從圖中可知,光伏安裝容量較小時,光伏能量滲透率與光伏安裝容量幾乎呈線性增長,此時配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電能夠完全被消納。但當(dāng)光伏能量滲透率達(dá)到一定值后,隨著光伏安裝容量的增加,部分時段光伏出力大于負(fù)荷需求,此時多余的光伏發(fā)電無法被消納,導(dǎo)致光伏能量滲透率增長斜率逐漸變小,并最終使得光伏能量滲透率增長斜率趨于0。分析原因,由于區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷已知,負(fù)荷全年所需電量為定值,隨著分布式光伏并網(wǎng)容量的增加,光伏被消納的總電量存在極值,即光伏能量滲透率存在一個極值。

圖3 光伏能量滲透率與并網(wǎng)容量的關(guān)系Fig.3 Relationship between EP and PV installed capacity

如圖3所示,對于SA變電站,隨著光伏安裝容量的增加,光伏能量滲透率的極限值為45%。由以上分析可知,光伏能量滲透率表示區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)對光伏發(fā)電總電量的接納能力,光伏能量滲透率隨光伏安裝容量的變化曲線能有效地體現(xiàn)出配電網(wǎng)對光伏消納能力的變化趨勢,初始曲線斜率不變時,表示所安裝的光伏能夠完全被消納;但隨著光伏安裝容量的不斷增加,光伏能量滲透率曲線斜率逐漸減小,表示區(qū)域配電網(wǎng)中某些時段光伏無法被消納,且斜率越小,不能被消納的光伏電量將越多。

附錄A圖A5給出了光伏利用率和光伏成本隨光伏能量滲透率變化的曲線,反映了SA區(qū)域內(nèi)光伏利用情況與光伏能量滲透率之間的關(guān)系。可以看出,在光伏能量滲透率小于11%時,光伏利用率保持在1左右,即此區(qū)域內(nèi)安裝的分布式光伏能被較好地利用;當(dāng)光伏能量滲透率超過11%時,光伏利用率下降迅速,與圖3相對應(yīng),光伏能量滲透率達(dá)到11%之前,曲線呈線性增長的趨勢,當(dāng)其超過11%之后,曲線斜率減少,系統(tǒng)開始出現(xiàn)某些時段光伏無法被消納的情況,導(dǎo)致光伏利用率隨之下降。當(dāng)光伏利用率下降時,光伏的單位電量成本會隨之上升,隨著能量滲透率的增加,光伏發(fā)電成本不斷上升。由光伏利用率和光伏成本的關(guān)系可知,光伏能量滲透率水平越高,增加分布式光伏安裝容量所帶來的光伏邊際利用率會越低,光伏成本也就越高。

3 不同負(fù)荷類型的滲透率指標(biāo)群分析

由上節(jié)可知,在區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷分布已知的情況下,功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率隨光伏安裝容量的變化趨勢可以確定。但在相同的光伏安裝容量的情況下,不同負(fù)荷類型因其不同的用電特性對分布式光伏的消納能力也會不同,會對滲透率指標(biāo)群的影響產(chǎn)生差別。本節(jié)針對不同的負(fù)荷類型,在相同光伏安裝容量下,對區(qū)域配電網(wǎng)的光伏消納能力開展進(jìn)一步分析,為未來不同區(qū)域的分布式光伏規(guī)劃提供參考。

負(fù)荷類型通常被劃分為四大類:工業(yè)類、農(nóng)業(yè)類、公共設(shè)施類及居民類。不同負(fù)荷類型的典型日時序特性曲線參考文獻(xiàn)[13],以第2節(jié)SA變電站負(fù)荷為基礎(chǔ),可通過擬合算法獲得不同負(fù)荷類型的典型年負(fù)荷曲線?？紤]到實際區(qū)域配電網(wǎng)中,一般都包含多種不同類型的負(fù)荷,所以本文擬合典型綜合負(fù)荷曲線。在實際中,該區(qū)域主要負(fù)荷為輕工業(yè)負(fù)荷,另有少量的公共設(shè)施類負(fù)荷和居民負(fù)荷,因此按照四種負(fù)荷類型8∶0∶1∶1的比例擬合成典型綜合負(fù)荷。輻照度數(shù)據(jù)仍采用嘉興市2014年輻照度曲線,進(jìn)行全年8 760 h時序仿真分析,形成不同負(fù)荷類型下全年光伏輸出與負(fù)荷需求比分布見附錄A圖A6。

附錄A圖A6分別反映了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共設(shè)施、居民類負(fù)荷，以及綜合負(fù)荷情況下光伏出力與負(fù)荷分布的對應(yīng)情況。圖中8 760個點反映全年每小時的負(fù)荷與該時刻光伏出力的對應(yīng)情況。斜率為1的直線表示比值為100%的情況,即光伏出力與負(fù)荷完全匹配。由第2節(jié)分析可知,位于斜線上方的點,表示該時刻光伏功率與負(fù)荷之比高于100%,會有多余的光伏功率無法被區(qū)域內(nèi)負(fù)荷消納；而位于斜線下方的點,則表明該時刻光伏功率與負(fù)荷比值低于100%,光伏發(fā)電功率小于負(fù)荷需求,能夠完全就地消納。

從附錄A圖A6中可知,任何負(fù)荷類型均發(fā)生了不同時段的功率倒送現(xiàn)象,其中居民負(fù)荷、公共設(shè)施類及農(nóng)業(yè)類負(fù)荷發(fā)生功率倒送的時段較多,這是因為三者負(fù)荷的用電時段與光伏發(fā)電時段不一致所造成,導(dǎo)致大量光伏發(fā)電不能被消納,而工業(yè)類負(fù)荷由于其用電時段與光伏發(fā)電相近,能有效地消納光伏發(fā)電,發(fā)生功率倒送的頻率最低,這也進(jìn)一步說明目前國內(nèi)在工業(yè)園區(qū)鼓勵屋頂分布式光伏的建設(shè)是合適的,能夠有效發(fā)揮分布式光伏的綜合效益。在SA變電站區(qū)域內(nèi),由于其主要以輕工業(yè)負(fù)荷為主,用電時段與光伏發(fā)電時段匹配程度較高,發(fā)生功率倒送的頻率也較低。上述結(jié)果表明,相同的光伏安裝容量下,區(qū)域配電網(wǎng)對光伏發(fā)電的消納能力與配電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷類型直接相關(guān),負(fù)荷用電時段與光伏發(fā)電時段差異越大,其功率滲透率越容易超過100%,發(fā)生功率倒送的概率就越大。相同的光伏安裝容量條件下,根據(jù)擬合后的典型年負(fù)荷分布,在SA變電站區(qū)域內(nèi)2014年各類型負(fù)荷的光伏功率滲透率、容量滲透率及功率倒送的頻次統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各類負(fù)荷典型年的光伏滲透情況統(tǒng)計Table 1 PV penetration data of different load characteristics

由表1可知,相同光伏安裝容量下,不同類型負(fù)荷所對應(yīng)的λPP差異很大。λPP最小的是綜合負(fù)荷,幅值為202.90%,λPP最大的是公共設(shè)施類負(fù)荷,幅值高達(dá)3 907.11%。進(jìn)一步分析公共設(shè)施類負(fù)荷,光伏出力和負(fù)荷比最大的時刻出現(xiàn)在上午時段,雖然光伏發(fā)電功率不大,但此時公共類負(fù)荷較小,使得λPP值較大,而實際上光伏安裝容量相對于公共設(shè)施類負(fù)荷并不算大,其λCP僅為44.79%,而綜合負(fù)荷的λCP為49.54%,二者相差不大。從表1還可以看出,盡管不同負(fù)荷類型所對應(yīng)的λPP值相差較大,但λCP值相差不大,這是由于λCP值只與年負(fù)荷最大值與年光伏發(fā)電最大值相關(guān),不考慮時間上的匹配,使得不同類型負(fù)荷的λCP值基本相同,所以負(fù)荷類型變化只會對λPP影響較大,對λCP的影響較小。這也進(jìn)一步說明現(xiàn)有較多電力公司僅使用λCP來評估分布式光伏對區(qū)域負(fù)荷平衡能力的影響并不全面。

表1中最右列表示了光伏出力與負(fù)荷需求的相關(guān)性。為衡量負(fù)荷與光伏出力這兩個隨機(jī)變量之間的相關(guān)程度,本文引入了皮爾遜相關(guān)系數(shù),該系數(shù)被廣泛用于量度兩個變量之間的相關(guān)程度,能有效發(fā)掘變量之間的相關(guān)特征。計算公式如下:

(4)

r范圍在-1～1之間,r=-1表示兩者負(fù)線性相關(guān),r=1表示兩者正線性相關(guān),r=0表示兩者不相關(guān)[14]。從式(4)可以看到,光伏出力與負(fù)荷特性相關(guān)系數(shù)不受光伏安裝容量的影響,即使將安裝容量增大M倍,光伏出力增大M倍,負(fù)荷與光伏出力之間的相關(guān)系數(shù)值仍然不變,因此相關(guān)系數(shù)可以體現(xiàn)光伏出力特性與負(fù)荷特性之間的匹配程度,負(fù)荷和光伏出力特性間相關(guān)系數(shù)越高,越適宜接入分布式光伏。

根據(jù)表1中的相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果可以看到,工業(yè)類負(fù)荷能夠較好地匹配光伏發(fā)電功率特性,居民負(fù)荷與光伏出力相關(guān)系數(shù)絕對值較小,并且其相關(guān)系數(shù)為負(fù),呈負(fù)相關(guān),在附錄A圖A6(d)中也可以看到,功率倒送情況比較嚴(yán)重。而實際的綜合負(fù)荷由于以工業(yè)負(fù)荷為主,也包含其他類負(fù)荷對光伏消納能力的影響,因此其相關(guān)性相對于單一工業(yè)類負(fù)荷略有下降。

對于能量滲透率,不同類型負(fù)荷并入光伏后的λEP變化程度存在差異,其極限值也不同。圖4所示為不同負(fù)荷類型情況下光伏安裝容量—能量滲透率曲線。由圖4可知,在SA變電站區(qū)域內(nèi),當(dāng)光伏安裝容量較小時,各類負(fù)荷對應(yīng)的λEP值增長都較快,但是隨著光伏安裝容量的進(jìn)一步增加,居民類負(fù)荷對應(yīng)的λEP值增長迅速減慢,而工業(yè)負(fù)荷和公共設(shè)施類負(fù)荷對應(yīng)的λEP值能夠持續(xù)保持較好的增速,其極限值也遠(yuǎn)高于其他兩類負(fù)荷?？傮w來說,含較多工業(yè)類負(fù)荷的區(qū)域配電網(wǎng)能夠更好地適應(yīng)大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)。

圖4 不同負(fù)荷特性情況下光伏安裝容量與能量滲透率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between CP and EP considering different load characteristics

圖5所示為不同負(fù)荷特性下光伏安裝容量—光伏成本變化曲線?？梢?在SA變電站區(qū)域內(nèi),當(dāng)光伏并網(wǎng)容量較小時,公共設(shè)施類負(fù)荷消納光伏成本相對較高,而其他類負(fù)荷光伏成本基本一致,但隨著光伏并網(wǎng)容量的增大,公共設(shè)施類負(fù)荷的光伏成本增長減慢,居民類負(fù)荷利用光伏的成本快速增加。

圖5 不同負(fù)荷特性下光伏安裝容量與光伏成本關(guān)系Fig.5 Relationship between CP and PC considering different load characteristics

綜上所述,在區(qū)域配電網(wǎng)的光伏能源初期規(guī)劃當(dāng)中,以光伏滲透率指標(biāo)群為指導(dǎo),對區(qū)域配電網(wǎng)光伏容量規(guī)劃具有實際意義?；跐B透率指標(biāo)群區(qū)域配電網(wǎng)光伏容量規(guī)劃步驟如下,流程圖見附錄A圖A7。

步驟1:根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)現(xiàn)有的典型歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)或者預(yù)測的未來負(fù)荷數(shù)據(jù),確定區(qū)域負(fù)荷的分布特性,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓廨椪斩确植极@得當(dāng)?shù)毓夥隽μ匦郧€。

步驟2:計算區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)光伏與負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行初步判斷,對照區(qū)域負(fù)荷與光伏出力的匹配程度,對于匹配度較高的區(qū)域可以有較大的空間接納更多的光伏容量,反之則要謹(jǐn)慎考慮整體光伏并網(wǎng)容量。

步驟3:根據(jù)負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)與光輻照度曲線,計算并繪制光伏功率滲透率、容量滲透率、能量滲透率曲線、光伏利用率曲線及成本曲線。

步驟4:根據(jù)上述曲線獲得λPP=100%,λCP=100%所對應(yīng)的光伏安裝容量值,將λPP=100%所對應(yīng)的光伏安裝容量值作為配電網(wǎng)發(fā)生功率倒送的參考值,將λCP=100%所對應(yīng)的光伏安裝容量值作為配電網(wǎng)光伏安裝容量極限值。

步驟5:根據(jù)光伏能量滲透率的極值及曲線的斜率變化,結(jié)合光伏利用率曲線及光伏成本曲線,參考步驟4中的兩個參考值,確定配電網(wǎng)區(qū)域的最佳光伏安裝容量,并作為初期規(guī)劃的參考值。

根據(jù)以上流程,對于SA變電站,λPP=100%時,發(fā)生功率倒送的臨界光伏安裝容量為23 MW;λCP=100%時,無其他補償裝置條件下光伏安裝容量極限值為72 MW。在考慮配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性時,在光伏利用率開始下降(光伏成本開始上升)時對應(yīng)的光伏安裝容量即為最佳安裝容量,光伏利用率下降時對應(yīng)的λEP約為11%,此時的光伏安裝容量約為0.3Pmax,即23 MW。不難發(fā)現(xiàn),在考慮經(jīng)濟(jì)性與安全性時得到的光伏安裝容量相同,這是由于光伏功率滲透率與光伏利用率曲線之間存在相互關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)語

滲透率指標(biāo)群能較好地表現(xiàn)分布式光伏接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)時的各個特征,它不僅從功率的角度分析了光伏對配電網(wǎng)的支撐能力及安裝容量極限,還從能量的角度解釋了配電網(wǎng)對光伏的消納極限,反映出光伏接入配電網(wǎng)時經(jīng)濟(jì)性與安全性的內(nèi)在聯(lián)系。通過計算現(xiàn)階段的光伏滲透率指標(biāo)群和光伏利用效率、利用成本,能有效引導(dǎo)未來分布式光伏的有序并網(wǎng),對區(qū)域配電網(wǎng)分布式光伏前期規(guī)劃提供了重要參考。

對于一個具體的配電網(wǎng)而言,所處的地理環(huán)境基本上決定了其光伏出力特性,在不考慮其他措施的情況下,其負(fù)荷特性對該區(qū)域光伏消納能力的影響較大,通過相關(guān)系數(shù)可以反映負(fù)荷特性與光伏出力特性之間的相關(guān)程度,初步掌握所在電網(wǎng)的光伏消納能力,進(jìn)行合理的光伏并網(wǎng)布局,為區(qū)域光伏容量的規(guī)劃提供指導(dǎo)。下一步的工作重點是在此基礎(chǔ)上開展需求側(cè)響應(yīng)與儲能控制等技術(shù)措施及主動配電網(wǎng)提高光伏消納能力的研究,促進(jìn)未來分布式光伏快速可持續(xù)的發(fā)展。

本文得到國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目(5211DS15002A)資助,特此致謝!

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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PenetrationBasedAccommodationCapacityAnalysisonDistributedPhotovoltaicConnectioninRegionalDistributionNetwork

ZHAOBo,XIAOChuanliang,XUChen,ZHANGXuesong,ZHOUJinhui

(State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute, Hangzhou 310014, China)

With the ever-increasing distributed photovoltaic (PV) connection in the regional distribution network, the reference group of PV penetration indices has become a crucial guidance for rational planning of distributed PV. Ignoring the distribution network upgrading, the PV power penetration (PP), capacity penetration (CP) and energy penetration (EP) are analyzed to establish the reference group of PV penetration indices. On the basis of a physical regional distribution network, the physical meanings of PV penetration indices are explained, and the relationship between the PV output, PV cost, PV utility ratio when connected to the distribution network are discussed. The influences of different load types on PV penetration indices are also analyzed. The PV penetration indices will provide a guidance and reference to the planning and investment in distributed PV connection to effectively guide the future coordinated development of distributed PV and grid.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No. 5211DS150015).

distributed photovoltaic system; regional distribution network; penetration, photovoltaic capacity plan

2017-03-06;

2017-04-13。

上網(wǎng)日期: 2017-06-27。

國家電網(wǎng)公司科技項目(5211DS150015)。

趙 波(1977—),男,通信作者,博士,教授級高級工程師,主要研究方向:分布式電源及微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。E-mail： zhaobozju@163.com

肖傳亮(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:新能源技術(shù)。E-mail: xclcalvin@163.com

徐 琛(1989—),女,碩士,工程師,主要研究方向:分布式電源并網(wǎng)技術(shù)及微電網(wǎng)優(yōu)化配置。E-mail: 851558154@qq.com

(編輯章黎)