配電網接納清潔能源薄弱環(huán)節(jié)分析

張章， 劉英英， 徐晶， 遲福建， 楊帆

(1. 國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津 300371；2. 國網天津市電力公司，天津 300010)

0 引 言

近年來，大規(guī)模和分散式的清潔能源電站項目如雨后春筍般涌現[1-3]。面對活躍的清潔能源項目，電網企業(yè)一直以來處于被動接受的狀態(tài)，缺乏對清潔能源電站接入的整體應對策略。

在考慮間歇性電源并網的研究方面，部分研究側重于并網容量優(yōu)化等電源規(guī)劃。文獻[4]建立了計算風電并網容量的優(yōu)化分析模型，計算了系統(tǒng)中的最大風電并網容量。文獻[5]提出一種配電網擴展規(guī)劃中進行分布式電源選址和定容的方法,部分側重于考慮間歇性能源發(fā)電的系統(tǒng)調度策略。文獻[6]構建了計及接納風電能力的電網調度決策模型，使調度中的煤耗量和電網接納風電的能力得到有效協(xié)調,部分側重于提升間歇性電源接納能力的輸電網規(guī)劃。文獻[7]基于雙層規(guī)劃理論構建了一個兼顧間歇性電源接納能力和系統(tǒng)運行經濟性的輸電系統(tǒng)規(guī)劃模型。文獻[8]建立了一套新能源最優(yōu)接入評價方法，能夠甄選出最優(yōu)接入方案，但無法對電網接納能力的薄弱環(huán)節(jié)進行評價。

目前對清潔能源電站的接入指導與評價方法研究較少。本文提出了一種規(guī)范指導清潔能源電站接入方式的方法，并以某區(qū)域配電網為例，進一步地對電網接納能力的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)現與改造進行了分析。

1 配電網清潔能源接納能力分析

1.1 電網結構樹

以220 kV變電站站為根節(jié)點，以110 kV變電站和35 kV變電站為支路節(jié)點，以110 kV線路和35 kV線路為支路，將一個電氣區(qū)域內的電網結構用輻射型的樹狀結構圖表示[9]，電網結構樹示例如圖1所示。

圖1 電網結構示意圖

1.2 清潔能源接納能力分析

清潔能源電廠的裝機容量一般為幾十到上百兆瓦，一般接入35 kV或110 kV電壓等級配電網，出于安全性考慮，接入方式一般為專線接入。

限制配電網接納清潔能源的主要因素有35 kV和110 kV線路傳輸容量，110 kV和220 kV變壓器容量，35 kV和110 kV剩余間隔數量。對于35 kV變電站，主要限制因素為上級線路的輸電能力和本級35 kV剩余間隔數量。對于110 kV變電站，分為通過35 kV電壓等級接入和110 kV電壓等級接入兩種方式，35 kV電壓等級接入主要包括本站的35 kV電壓接入和由本站供電的35 kV變電站接入的新能源電力，主要受110 kV變電站的變電容量和35 kV剩余間隔數量限制，110 kV電壓等級接入主要包括本站的110 kV電壓接入和由本站供電的110 kV變電站接入的新能源電力，主要受110 kV變電站的上級線路的輸電容量和110 kV剩余間隔數量限制。

在電網結構樹的基礎上，由低電壓等級向高電壓等級層層分析，可以得到每個變電站的各電壓等級的可消納新能源電力情況。

2 清潔能源電站出力特性分析

由于其他能源如地熱能、潮汐能和生物質能在目前條件下應用較少，規(guī)模不大，因此本文主要分析風力發(fā)電和光伏發(fā)電各自的出力特性以及其出力與被棄電量的關系。

2.1 風電出力特性

根據某一風場統(tǒng)計的風電出力數據得出不同出力水平的概率[10]，其概率分布如圖2所示。由圖2可知，風電出力越小概率越大，而出力越大概率越小。其中，風場出力小于裝機容量10%的概率達32.8%,但風場出力高于裝機容量80%的概率僅為0.2%，風電出力超過裝機容量70%的概率也僅為1.8%。

圖2 典型風電場出力概率分布

2.2 光伏出力特性

光伏電站各月月平均出力曲線趨勢相同，各月最大值均出現在12:00-13:00，日出前與日落后出力均為0。由于受氣象條件和現場環(huán)境等因素影響，在理論日照條件較好的時刻，也會出現日照強度在零日照和額定日照強度之間變化的情況，與之對應的光伏電站出力也會有在接近零出力與額定出力之間變化的現象。根據北方某一光伏電站統(tǒng)計的日最大出力數據得出不同出力水平的概率，其概率分布如圖3所示。由圖3可知，光伏出力在60%～70%裝機容量范圍時的概率最大，達到29.35%。出力越大或者越小時概率都越小。其中，光伏出力小于裝機容量10%的概率為3.23%，光伏出力超過裝機容量80%的概率僅為2.24%。

圖3 典型光伏電站出力概率分布

2.3 清潔能源出力與被棄電量的關系

根據上述風電場和光伏電站出力概率分布可知，風電和光伏大出力(超過裝機容量80%)的概率很低。因此，如果對風電機組或光伏電站出力進行適當限制，風電場或光伏電站損失的電量將非常有限，但卻能節(jié)省大量的輸電容量和輸電設備投資。

風電場或光伏電站限制出力水平越低，損失的電量越低，但隨之輸電投資也逐漸增大。若將風電場出力限制在裝機容量的80%水平，棄風電量近乎為0%；若將光伏電站出力限制在80%，棄光電量亦不足1%。此時卻可節(jié)約20%的輸電容量，節(jié)約輸電投資效益十分明顯。

3 清潔能源電站最優(yōu)接入方式分析

由于清潔能源電站的位置和容量一般受土地規(guī)劃及具體地形限制，故一般認為其為已知條件。本文采用遺傳算法進行清潔能源電站接入方式的優(yōu)化，優(yōu)化變量是清潔能源電站的接入方式。

3.1 編碼方式

對220 kV變電站，統(tǒng)計得到110 kV剩余間隔數為a，35 kV剩余間隔數為b；110 kV變電站110 kV剩余間隔數為c，35 kV剩余間隔數為d；35 kV變電站35 kV剩余間隔數為f。由于采用專線接入方式，故配電網所能接納的110 kV電站最大個數為a+c，35 kV電站個數為b+d+f。對所有110 kV剩余間隔從1到a+c排序，35 kV間隔從1到b+d+f排序，使得每一個間隔都有數值對應。

根據清潔能源電站容量確定接入電壓等級，一般20 MW～40 MW接入35 kV電壓等級，40 MW～100 MW接入110 kV電壓等級。經統(tǒng)計得到適宜接入110 kV電壓等級的電站共m個，適宜接入35 kV電壓等級的電站共n個。按容量由大到小分別對所有110 kV電站從1到m排序，對所有35 kV電站從1到n排序，使得每一個電站都有數值對應。

遺傳算法中，一個染色體代表了所有清潔能源電站的一組接入方式，染色體上的一個基因則代表了一個清潔能源電站的接入方式。

(1)確定基因位數：染色體前x基因位對應110 kV電站，剩余y位對應35 kV電站。x、y根據下式確定:

(1)

(2)

(2)確定編碼規(guī)則：采用十進制編碼。前x位基因位與后y位基因位分別與110 kV、35 kV清潔能源電站排列順序對應，對于電站數超過間隔數的，排序靠后即容量較小的電站將無法接入?；蛭磺皒位基因位與后y位基因位上的數值分別是110 kV、35 kV剩余間隔的排序號。如此編碼方式即可以得到每一個清潔能源電站和接入間隔的對應關系。

3.2 約束條件

由于在基因編碼時已滿足間隔數約束，此處主要考慮線路傳輸容量約束和變電站容量約束，同時考慮電站并網線總投資約束。

1)線路傳輸容量約束

∑Sj≤Sli

(3)

式中：∑Sj為接入線路i的清潔能源電站容量之和;Sli為線路i傳輸容量極限。

2)變電站容量約束

∑Sj≤Sbi

(4)

式中：∑Sj為接入變壓器i低壓側的清潔能源電站容量之和;Sbi為變壓器i的容量。

3)并網線總投資約束

根據本文的邊界條件，任一清潔能源電站至任一變電站的距離是確定的。并網線平均造價為H萬元/千米，并網線總投資約束為W萬元，則有：

∑Li×H≤W

(5)

式中：∑Li為根據接入方式求得的所有并網線長度之和。

需要指出的是，當接入的清潔能源電站容量不滿足(1)或(2)時，需作如下處理：等比例降低接入該線路或變壓器的所有電站的出力，直至達到容量約束邊界，并記錄清潔能源電站的限制出力比例。

3.3 目標函數

目標函數為確定接入方式下被棄的清潔能源容量，由兩部分組成：由于電站數量超過相應間隔數而導致未能接入的電站容量，以及由于超過線路或變電站容量約束而被限制出力的電站容量。

(6)

3.4 模型求解

本文采用遺傳算法進行清潔能源電站最優(yōu)接入方式的優(yōu)化，流程如圖4所示。

圖4 遺傳算法求解優(yōu)化模型流程圖

4 配電網接納能力薄弱環(huán)節(jié)分析

4.1 薄弱環(huán)節(jié)分析

統(tǒng)計最優(yōu)接入方式下每一個變電站和線路的限制清潔能源電站出力的比例，定義限制出力比例超過20%的節(jié)點為薄弱環(huán)節(jié)。對薄弱環(huán)節(jié)的分析可用于評價配電網的接納能力水平，對最優(yōu)接入方式下的薄弱環(huán)節(jié)進行增容改造是提升配電網接納能力的經濟性最優(yōu)的措施。

以某地區(qū)配電網為例開展實際應用分析，該配電網現狀接入的新能源電站僅早期的XWZ風電場和LGZ光伏電站，由于良好的風光條件，仍有較多有并網需求的清潔能源電站，根據裝機容量得到其適宜并網的電壓等級均為110 kV。根據本文提出的方法，得到該地區(qū)清潔能源電站最優(yōu)接入方式如圖5所示。

圖5 清潔能源電站最優(yōu)接入方式

由于XWZ風電場和LGZ光伏電站均T接在聯(lián)絡線上，當QLL站或JJX站110 kV母線出現故障時，通過GX站并網的清潔能源電站容量最大可達到455 MW。GX站主變容量為2×180 MVA，則GX站限制清潔能源出力比例最高達到26.4%，為限制清潔能源接納的薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 接納能力提升方案

為解決薄弱環(huán)節(jié)，提升接納能力，考慮到GX站不具備擴建或增容改造的條件，規(guī)劃了MYY110 kV變電站、LGZ220 kV變電站，如圖6所示。

圖6 薄弱環(huán)節(jié)規(guī)劃解決方案

MYY站新出四條線雙破DZZ光伏電站兩條110 kV并網線，同時MYY站新出兩條線至規(guī)劃LGZ站，形成GX站-MYY站-LGZ站的雙鏈結構。DZZ光伏電站所發(fā)電力可通過MYY站上送至LGZ站，緩解了GX站的壓力，同時形成的雙鏈結構也強化了該地區(qū)的配電網網架。規(guī)劃的LGZ站新出兩條110 kV線路破口GX站至JJX站110 kV聯(lián)絡線，同時切帶XWZ風電場和LGZ光伏電站，優(yōu)化地區(qū)電網結構的同時也為未來清潔能源電站預留了接納能力。規(guī)劃解決方案實施前后GX站清潔能源電站接入情況如表1所示。

表1 GX站清潔能源電站接入情況對比

5 結束語

本文提出了一種規(guī)范指導清潔能源電站接入方式的方法，該方法充分發(fā)揮了電網現狀的接納能力，使得清潔能源的并網發(fā)電容量最大。對薄弱環(huán)節(jié)的分析可用于評價配電網的接納能力水平，對最優(yōu)接入方式下的薄弱環(huán)節(jié)進行增容改造是提升配電網接納能力的經濟性最優(yōu)的措施。

本文所提方法不僅能夠規(guī)范指導清潔能源電站的接入，更能夠發(fā)現電網接納能力的薄弱環(huán)節(jié)，為精準投資改造電網提升接納能力起到指導作用。