配電網(wǎng)接入分散式風電的擴容效益研究

方佳良，臧興海，江岳文

(1.國網(wǎng)寧波供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，浙江 寧波 315020； 2.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

面對能源可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)，大力發(fā)展以風力發(fā)電為代表的清潔能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為必然選擇。我國以大型風電基地為主要形式的風電發(fā)展迅猛，但隨著局部地區(qū)風電接入水平的提高，風電消納難題日益嚴峻[1-3]。分散式風電是以分布式電源形式分布在配電網(wǎng)絡(luò)中的單個風電機組或以此組成的小型風電場，其規(guī)模一般在幾十 kW到幾十 MW之間，所產(chǎn)生的電力就近接入當?shù)嘏潆娋W(wǎng)進行消納。分散式風電有助于解決大規(guī)模集中式風電接入對大電網(wǎng)形成的安全問題，且有利于減少或避免“棄風”，同時減少遠距離輸送電能產(chǎn)生的損耗。因此，因地制宜地開發(fā)分散式風電并將其接入配電網(wǎng)，不僅可實現(xiàn)風力資源的充分利用，也可就地充分消納。

隨著用電負荷的不斷增大，當負荷增大到配電網(wǎng)支路運輸極限時，為保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需要對配電網(wǎng)的支路進行擴容，由此產(chǎn)生了擴容成本。分散式風電的接入，由于就近向負荷供電，減少了電能的遠距離傳輸，從而減少配電網(wǎng)支路輸送功率，延緩配電網(wǎng)供電設(shè)備擴容，從而產(chǎn)生相應(yīng)的擴容效益。

文獻[4]提出配電網(wǎng)節(jié)點邊際容量成本(locational marginal capacity cost, LMCC)的概念，反映未來各節(jié)點負荷占用供電容量的成本，并討論了LMCC在配電網(wǎng)規(guī)劃、容量定價、需求側(cè)管理和分布式電源接入中的應(yīng)用前景，但未研究分散式風電對于供電容量成本產(chǎn)生的效益。文獻[5]從工程經(jīng)濟學和輸電定價理論出發(fā)，利用關(guān)聯(lián)矩陣推導了配電網(wǎng)節(jié)點邊際容量成本的計算模型，通過IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)計算不同節(jié)點接入后的節(jié)點邊際容量成本，并計算得到其容量成本，但未研究分散式風電接入后產(chǎn)生的節(jié)點邊際擴容效益。文獻[6]利用配電網(wǎng)節(jié)點支路-靈敏度系數(shù)矩陣結(jié)合支路電流邊際容量成本，形成節(jié)點邊際容量成本，評估專用工程在該節(jié)點接入時應(yīng)該支付的深度成本，并引用某一實際配電網(wǎng)專用接入工程進行分析計算。文獻[7]考慮分布式電源的電量、擴容成本、網(wǎng)損效益和時序特性的分布式電源規(guī)劃，但未對分散式風電接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的擴容效益進行深入研究。

由于風電機組出力具有間歇性，同樣容量的風電機組與常規(guī)火電或水電機組帶負荷的能力并不相同，因此，分散式風電的接入產(chǎn)生的配電網(wǎng)擴容效益無法與常規(guī)機組同等對待[8]。為此，利用風電容量可信度使具有間歇性的風電與常規(guī)機組裝機容量之間可以在同一水平上進行相互比較。

在上述文獻研究的基礎(chǔ)上，本文針對輻射式配電網(wǎng)，獲得支路電流對節(jié)點功率的靈敏度矩陣，結(jié)合支路電流邊際擴容效益，獲得節(jié)點邊際擴容效益，最后得到分散式風電接入產(chǎn)生的深度擴容效益，為分散式風電接入規(guī)劃及對配電網(wǎng)所產(chǎn)生的成本效益評估提供了一種有效的方法。

1 支路電流邊際擴容效益

隨著負荷的自然增長，必定伴隨著可靠性水平一定程度的降低，當?shù)偷较到y(tǒng)用戶不能接受的可靠性水平時，就必須采取擴容等強制措施來提高系統(tǒng)的可靠性水平，由此產(chǎn)生擴容成本。

(1)

(2)

式中：Ck為線路的原始投資；r為折現(xiàn)率。

在現(xiàn)有負荷水平下，如果節(jié)點接入分散式風電，將減小支路的輸送功率，延緩配電網(wǎng)供電設(shè)備的擴容時間，從而產(chǎn)生擴容效益。

根據(jù)式(3)和式(4)可知，因為節(jié)點i增加分散式風電功率ΔSi而引起的現(xiàn)值成本的變化為

(5)

通過式(5)可計算支路k上減小單位電流產(chǎn)生的擴容效益為

(6)

當ΔIk→0時，

(7)

將投資成本等額折算到年值，則支路k上每減少單位電流而產(chǎn)生的年擴容效益為

(8)

式中n為設(shè)備使用的年限。

式(8)反映了配電網(wǎng)支路電流變化而引起的擴容效益，即支路電流邊際擴容效益。

2 支路電流對節(jié)點功率的靈敏度矩陣

根據(jù)圖1的簡單配電網(wǎng)結(jié)線圖，可以建立關(guān)聯(lián)矩陣E，即有

(9)

圖1 簡單配電網(wǎng)接線圖Fig.1 Simple wiring diagram of distribution network

式中：N1，…，N6為節(jié)點編號；B1，…，B6為支路編號；Eik=1表示節(jié)點i的負荷通過支路k進行傳輸；Eik=0表示節(jié)點i的負荷不通過支路k進行傳輸。

通過關(guān)聯(lián)矩陣E建立支路電流與節(jié)點功率的關(guān)系如下：

(10)

式中：N為節(jié)點個數(shù)；UN為節(jié)點額定電壓。

當節(jié)點i減小功率ΔSi后，在支路k上減小了ΔIk的電流，則支路電流與節(jié)點功率的關(guān)系為

(11)

通過式(10)、(11)可計算支路k電流對節(jié)點i功率的靈敏度rik如下：

(12)

根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣E和支路電流靈敏度可知，圖1的支路電流對節(jié)點功率的靈敏度矩陣R如下：

(13)

3 節(jié)點邊際擴容效益

根據(jù)支路電流對節(jié)點功率的靈敏度矩陣R可知，支路電流矩陣IB如下：

IB=RTSnode

(14)

式中Snode為節(jié)點功率矩陣。

通過支路電流矩陣IB可計算節(jié)點邊際擴容效益矩陣CLMEB如下：

(15)

僅考慮分散式風電接入節(jié)點i的邊際擴容效益，則該分散式風電接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的深度擴容效益為

Cw1=SwCLMEB,i,0

(16)

式中：Sw為分散式風電的接入功率；CLMEB,i,0為分散式風電接入節(jié)點i前節(jié)點i的邊際擴容效益。

當分散式風電接入配電網(wǎng)后，根據(jù)上述過程，可獲得接入的節(jié)點邊際擴容效益矩陣CLMEB,1。接入前后各節(jié)點邊際擴容效益變化矩陣ΔCLMEB如下：

ΔCLMEB=CLMEB,1-CLMEB,0

(17)

考慮該節(jié)點功率對整個配電網(wǎng)其他節(jié)點的邊際擴容效益的影響而產(chǎn)生的擴容效益如下：

(18)

式中ΔCLMEB，j為非接入點節(jié)點j由于接入分散式風電而產(chǎn)生的節(jié)點邊際擴容效益變化值。

根據(jù)式(16)、(18)可知，分散式風電接入產(chǎn)生的深度擴容效益Cw如下：

Cw=Cw1+Cw2

(19)

4 風電容量可信度

風電場出力具有隨機性和間歇性等特點，屬于一種不可控的電源形式，其并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的容量貢獻與常規(guī)機組有較大不同，因此客觀評價風電場的容量可信度對接入系統(tǒng)的長期規(guī)劃問題具有十分重要的意義[9-11]。

風電容量可信度Cwind指在等可靠性前提下風電機組可替代的常規(guī)機組的容量占風電場總?cè)萘康谋壤齕9]。通過風電容量可信度使不可控的、帶有波動性與隨機性風電參與傳統(tǒng)的電力規(guī)劃分析與計算成為可能。

5 算例分析

本文采用某地區(qū)配電網(wǎng)作為研究對象，分析分散式風電的接入對配電網(wǎng)擴容效益的影響，具體接線圖及參數(shù)如圖2所示，支路載流量和投資成本如表1所示。

未接入分散式風電的節(jié)點邊際容量成本如圖3所示，由圖3可知，在未接入分散式風電前，節(jié)點12的節(jié)點邊際容量成本最高，達到26.5元/(kV·A·a)，隨著節(jié)點離電源點越遠，其節(jié)點邊際容量成本越大。這是因為需要經(jīng)過的中間節(jié)點較多，所利用的供電設(shè)備也越多，即末端節(jié)點有更大的線路擴容容量投資，其新增負荷供電成本也會較高。因此，在末端節(jié)點接入分散式風電將產(chǎn)生更高的效益，這與分散式風電就地消納的政策相符。

圖2 某配電網(wǎng)接線圖及參數(shù)Fig.2 Wiring diagram and parameters of distribution network

線路型號載流量/A投資/(元·km-1)變壓器型號投資/元LGJ-70195144109SFSZ7-16000/1101247400LGJ-120260163020SSZ10-31500/1102123600LGJ-150325167699S9-10000/35480050S9-5000/38.5294100

圖3 未接入分散式風電的節(jié)點邊際容量成本Fig.3 Locational marginal capacity cost without dispersed wind power

根據(jù)風資源就地消納原則，本文選取從節(jié)點11—13接入分散式風電。設(shè)分散式風電接入功率為5 MW，其容量可信度為36.35%[9]。將分散式風電接入節(jié)點11后的節(jié)點邊際擴容效益如圖4所示。

圖4 節(jié)點11接入分散式風電后的節(jié)點邊際擴容效益Fig.4 Locational marginal expansion benefit (LMEB) after node 11 access to dispersed wind power

由圖4可知，與節(jié)點11同樹枝的節(jié)點3和節(jié)點5都由于擴容時間延緩，導致其邊際擴容成本減小，從而產(chǎn)生節(jié)點擴容效益；同時距離電源點越遠的節(jié)點其邊際擴容效益增加越明顯。而另一條樹枝上的節(jié)點，如4、8、7、6、12的邊際擴容效益基本沒有變化，這是因為在忽略損耗的情況下，節(jié)點11并入分散式風電，對與它無關(guān)支路的負荷影響幾乎為0，所以也不會對節(jié)點邊際擴容效益產(chǎn)生明顯影響。

圖5 節(jié)點12接入分散式風電前后的節(jié)點邊際擴容效益Fig.5 LMEB after node 12 access to dispersed wind power

圖6 節(jié)點13接入分散式風電前后的節(jié)點邊際擴容效益Fig.6 LMEB after node 13 access to dispersed wind power

通過式(19)計算得到在節(jié)點11接入分散式風電所產(chǎn)生的深度擴容效益為73 407元/a。將分散式風電接入節(jié)點12后的節(jié)點邊際擴容效益如圖5所示。通過式(19)計算得到在節(jié)點12接入分散式風電所產(chǎn)生的深度擴容效益為123 490元/a。將分散式風電接入節(jié)點13后的節(jié)點邊際擴容效益如圖6所示。通過式(19)計算得到在節(jié)點13接入分散式風電所產(chǎn)生的深度擴容效益為86 270元/a。

對比節(jié)點11—13接入分散式風電所產(chǎn)生的深度擴容效益可知，選取節(jié)點12作為分散式風電的接入點，能產(chǎn)生更大的擴容效益。因為在分散式風電接入前，節(jié)點12的節(jié)點邊際擴容效益邊際擴容成本最大。說明向節(jié)點12的傳輸電能的供電設(shè)備最迫切需要擴容，接入分散式風電后，可以就地消納節(jié)點12的負荷，從而延緩擴容時間，產(chǎn)生更大的擴容效益。

6 結(jié)論

(1) 分散式風電接入后，與接入點在同一條樹枝上的其他節(jié)點的邊際擴容成本會相應(yīng)減小，不在同一樹枝上的節(jié)點邊際擴容成本基本不變。

(2) 越靠近樹枝末端的節(jié)點，具有的邊際擴容效益越大，在該節(jié)點接入分散式風電，則會產(chǎn)生更大的擴容效益。

(3) 在選取分散式風電接入點時，根據(jù)風資源大小，可以考慮選擇節(jié)點邊際擴容效益最大的節(jié)點接入，從而能最大限度地減少支路傳輸成本，延緩擴容時間，產(chǎn)生更大的擴容效益。