基于聚類技術(shù)的“插座式”分布式光伏接入方法及其應(yīng)用

楊 翾，孫 可，葉剛進(jìn)，王駿海，張林強(qiáng)，常 誠(chéng)，徐馳名

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

新能源中的光伏發(fā)電目前是一種較為成熟、可靠的技術(shù)，并已經(jīng)逐漸從過去的地面集中式光伏系統(tǒng)朝大規(guī)模分布式并網(wǎng)方向發(fā)展，也是能源轉(zhuǎn)型和新一代電力系統(tǒng)的重要組成部分[1-4]。自2012年起，我國(guó)新能源發(fā)展進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，截至2016年新能源發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)世界第一,近年來我國(guó)部分地區(qū)分布式光伏呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[5-6]。杭州由于屬于Ⅲ類地區(qū)，光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但鑒于光伏發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推進(jìn)低碳城市建設(shè)等具有重要意義，浙江政府部門推出了一系列太陽(yáng)能光伏扶持政策，目前杭州地區(qū)是全國(guó)光伏發(fā)展較快的區(qū)域之一。截至2017年底，杭州電網(wǎng)內(nèi)可再生能源裝機(jī)容量達(dá)到近1 200 MW，其中光伏發(fā)電超過350 MW。大規(guī)模的屋頂分布式光伏并網(wǎng)對(duì)于大型企業(yè)屋頂十分友好，建設(shè)環(huán)境良好且光伏收益較快。以杭州境內(nèi)的建德市為例，現(xiàn)有的大型工業(yè)園區(qū)就有6個(gè)，在政策鼓勵(lì)下建德地區(qū)開展的大規(guī)模光伏發(fā)電項(xiàng)目在浙江全省范圍內(nèi)優(yōu)勢(shì)明顯。

但是隨著新能源大規(guī)模開發(fā)，漸漸出現(xiàn)政策法規(guī)的更新速度慢于光伏特別是分布式光伏發(fā)展的速度，同時(shí)光伏的管理部門較多也導(dǎo)致相關(guān)配套政策在制定時(shí)缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，我國(guó)局部地區(qū)出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象[7-9]。政府高度重視新能源消納問題，出臺(tái)了一系列相應(yīng)的政策文件，建立投資監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，嚴(yán)控棄發(fā)限電嚴(yán)重地區(qū)新能源發(fā)展，對(duì)新能源發(fā)展總量進(jìn)行控制，優(yōu)先保障新能源消納[10-11]。

根據(jù)杭州光伏發(fā)電并網(wǎng)現(xiàn)狀，積極學(xué)習(xí)世界先進(jìn)行業(yè)知識(shí)和管理方法，本文提出一種新型基于聚類技術(shù)的“插座式”分布式光伏接入方法，通過提前預(yù)測(cè)評(píng)估分布式新能源的發(fā)展，優(yōu)化接入點(diǎn)的規(guī)劃布局，在對(duì)電網(wǎng)各電壓等級(jí)光伏發(fā)電接納能力科學(xué)分析和精確計(jì)算的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)置“插座”數(shù)量和具體位置，合理布局“插座”點(diǎn)，變被動(dòng)為主動(dòng)，前瞻性地做好主動(dòng)配電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)工作，保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，將光伏發(fā)電并網(wǎng)管理工作帶入了“即插即用”的新時(shí)代。

1 分布式光伏接入現(xiàn)狀分析

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于屋頂分布式光伏并網(wǎng)普遍采用“先來先接、逐個(gè)接入”的并網(wǎng)管理模式，隨著光伏并網(wǎng)項(xiàng)目的增多，該管理模式在工作效率、時(shí)間周期及并網(wǎng)安全性等方面存在的問題日益凸顯，主要存在以下弊端：

（1）目前的電網(wǎng)規(guī)劃缺乏對(duì)新能源發(fā)電接入和消納的分析研究[12-13]，已無(wú)法滿足當(dāng)前基于“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的電網(wǎng)發(fā)展要求，所采用的“先來先接、逐個(gè)接入”的分布式光伏并網(wǎng)管理模式缺乏對(duì)光伏并網(wǎng)的有效管控，在引發(fā)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)混亂、運(yùn)行方式不合理等問題的同時(shí)，光伏并網(wǎng)項(xiàng)目的增加也將帶來新一輪的電網(wǎng)改造，大幅增加電網(wǎng)的冗余投資[14-15]。

（2）隨著光伏發(fā)電項(xiàng)目相關(guān)政策的落地，分布式光伏項(xiàng)目猛增，工作量超過服務(wù)承載，造成光伏配套電網(wǎng)工程實(shí)施周期無(wú)法滿足用戶需求，導(dǎo)致用戶光伏項(xiàng)目并網(wǎng)難，影響了光伏項(xiàng)目服務(wù)質(zhì)量。

（3）分布式光伏發(fā)電大多采用就近接入方式，接入點(diǎn)多、分布面廣，接線形式復(fù)雜多變，自動(dòng)化、信息化程度較低，特別在調(diào)度管理方面，與傳統(tǒng)的無(wú)源配電網(wǎng)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入不僅使配電網(wǎng)變成有源網(wǎng)而更加復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)控制的對(duì)象也大大增加，調(diào)度管理難度增大[16-18]。在運(yùn)行檢修方面，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，使配電網(wǎng)中電源點(diǎn)數(shù)量增加，電源點(diǎn)分散、單點(diǎn)規(guī)模小、電壓波動(dòng)性大、具有不穩(wěn)定性，將可能在電網(wǎng)調(diào)峰、安全備用、電壓穩(wěn)定和頻率安全穩(wěn)定等方面帶來一定影響，顯著增加了運(yùn)行管理難度[19-20]。

本文提出的新型分布式光伏接入方法通過優(yōu)化配置“插座”，結(jié)合區(qū)域內(nèi)具體線路的可接入容量和分布式能源資源分布特點(diǎn)，應(yīng)用聚類分析的數(shù)學(xué)方法選取最優(yōu)分布式能源接入點(diǎn)位置，并結(jié)合建設(shè)投資、電壓質(zhì)量、短路電流、線路損耗等指標(biāo)參數(shù)的約束條件，對(duì)接入點(diǎn)的數(shù)量、可接入容量以及接入方案進(jìn)行優(yōu)化。該方法不需要再對(duì)光伏接入項(xiàng)目逐個(gè)進(jìn)行接入檢驗(yàn)，而可以直接根據(jù)“插座”預(yù)留的容量，提前打通各部門審核環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化工作流程，大幅提高光伏并網(wǎng)工作效率和客戶服務(wù)效率及客戶滿意度。

2 “插座式”接入方法

本文在吸收法國(guó)、德國(guó)多年新能源和分布式電源接入管理經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際案例的基礎(chǔ)上，提出“插座式”分布式光伏接入方法，從光伏資源評(píng)估分析、“插座”優(yōu)化配置、引導(dǎo)靶向接入3個(gè)層面優(yōu)化分布式光伏的接入，建立光伏并網(wǎng)如同插頭直接插進(jìn)插座般的并網(wǎng)模式，確保光伏并網(wǎng)工作安全、經(jīng)濟(jì)、有序、便捷。該方法的框架見圖1。

圖1 “插座式”光伏接入方法框架

“插座”作為一種功能性裝置，以現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備為基礎(chǔ)，在光伏發(fā)電并網(wǎng)管理工作過程中通過分線箱、環(huán)網(wǎng)柜的功能形式發(fā)揮“即插即用”的作用?！安遄苯尤胧疽馊鐖D2所示。

3 光伏資源評(píng)估

圖2 “插座”接入示意

本文利用配電網(wǎng)規(guī)劃中網(wǎng)格化分析方法，在電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中網(wǎng)格劃分依據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合光伏特性，將若干個(gè)相鄰的區(qū)域分類等級(jí)相同或接近的、屋頂性質(zhì)或?qū)煽啃砸蠡疽恢碌牡貕K組成一個(gè)用電網(wǎng)格，以統(tǒng)一網(wǎng)格建設(shè)改造原則。通過高精度的衛(wèi)星航拍地圖，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的現(xiàn)有屋頂資源逐個(gè)分析和模擬預(yù)測(cè)，精確統(tǒng)計(jì)每個(gè)屋頂?shù)墓夥l(fā)電規(guī)模，計(jì)算區(qū)域光伏裝機(jī)容量，分析屋頂式光伏接入與電網(wǎng)消納能力的匹配度。

在分析過程中，本方法結(jié)合目前行業(yè)常規(guī)屋頂光伏發(fā)電能力數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格化分析預(yù)測(cè)園區(qū)屋頂式光伏裝機(jī)容量高、中、低三個(gè)發(fā)展水平，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)園區(qū)屋頂式光伏資源總量，并同政府用地規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃保持一致，有益于未來各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)光伏項(xiàng)目的管理和維護(hù)運(yùn)行。

本文選取建德市安仁工業(yè)園區(qū)作為試點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)用“插座式”接入方法將園區(qū)按區(qū)域分為A和B兩個(gè)網(wǎng)格。通過對(duì)網(wǎng)格內(nèi)屋頂資源的分析計(jì)算，得出安仁工業(yè)園區(qū)屋頂式光伏總裝機(jī)容量在15～25 MW，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

4 “插座”優(yōu)化配置

為解決大量光伏無(wú)序接入帶來的管理難題，本文提出提前設(shè)置“插座點(diǎn)”的方式，通過對(duì)多個(gè)小型系統(tǒng)聚集及接入位置的計(jì)算分析，科學(xué)設(shè)置“插座點(diǎn)”的位置和容量，并通過電網(wǎng)潮流分析優(yōu)化“插座”的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)屋頂式光伏發(fā)電項(xiàng)目統(tǒng)一上網(wǎng)和管理。

4.1 聚類分析布局

圖3 安仁工業(yè)園區(qū)光伏資源評(píng)估結(jié)果

為了增強(qiáng)“插座”位置選取的科學(xué)合理性，在網(wǎng)格化區(qū)域的衛(wèi)星航拍圖基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)方法對(duì)圖中網(wǎng)格多個(gè)分散型屋頂進(jìn)行聚類分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)屋頂資源的統(tǒng)計(jì)整合。

考慮到目前尚無(wú)可參考借鑒的歷史數(shù)據(jù)，故選擇K-均值的分散性算法。該算法簡(jiǎn)潔快速，在分類性聚集過程中，采用泰森多邊形算法構(gòu)建德洛內(nèi)三角網(wǎng)進(jìn)行聚類，并通過繪制沃羅諾伊圖更加直觀地展示聚類結(jié)果。通過對(duì)選取區(qū)域屋頂位置的分析，以屋頂為中心確定K個(gè)中心點(diǎn)，根據(jù)泰森多邊形算法的約束條件，對(duì)周圍區(qū)域向最近中心點(diǎn)進(jìn)行聚類靠攏。通過對(duì)安仁工業(yè)園區(qū)可能的光伏屋頂進(jìn)行聚類分析，得出優(yōu)化不同光伏屋頂之間的線路連接，從而初步計(jì)算出每塊區(qū)域內(nèi)屋頂式光伏資源理想接入點(diǎn)，得到初步的“插座”布局模式。

4.2 “插座”位置和容量?jī)?yōu)化

初步的“插座”布局建立在純粹的數(shù)學(xué)方法上，但實(shí)際“插座”的布局不僅要考慮其最優(yōu)位置，還要考慮其容量，考慮是否能夠被電網(wǎng)有效消納。因此，需要結(jié)合“插座”接入點(diǎn)的最大光伏容量、接入線路或變電站的消納能力等因素，進(jìn)一步優(yōu)化4.1中的“插座”布局，協(xié)調(diào)分布式光伏接入和電網(wǎng)運(yùn)行。

為避免線路或分布式光伏故障對(duì)其他系統(tǒng)可靠性造成影響，結(jié)合10 kV線路的消納能力，建議每條線路每個(gè)“插座”接入點(diǎn)的最大容量應(yīng)控制在4～6 MW。此外，考慮“插座”建設(shè)的有效使用面積和線路間隔使用率，建議對(duì)于就近接入工業(yè)園區(qū)“插座”接入點(diǎn)的單個(gè)光伏電站，其裝機(jī)容量應(yīng)不低于100 kW，總數(shù)量不超過12個(gè)，最佳數(shù)量控制在 5～12。

4.3 接入并網(wǎng)優(yōu)化

在確定設(shè)置“插座”數(shù)量后，結(jié)合現(xiàn)有線路和目標(biāo)網(wǎng)架的規(guī)劃以及線路的負(fù)載水平，分析接入滿載分布式光伏的“插座”后，各線路的可靠性水平、負(fù)載平衡、電壓質(zhì)量和短路電流的影響等多方面因素，對(duì)“插座”接入電網(wǎng)的方式進(jìn)行優(yōu)化，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)減少后續(xù)光伏項(xiàng)目并網(wǎng)的方案設(shè)計(jì)工作量。

聚類分析方法下的接入點(diǎn)分布只是基于地理特點(diǎn)的最優(yōu)解，實(shí)際接入點(diǎn)選取需要考慮更多的約束條件，如建設(shè)投資、電壓質(zhì)量、短路電流、線路損耗等，其函數(shù)表示如下：

式中：f1，f2，f3，f4分別代表光伏接入引起的電網(wǎng)建設(shè)投資、電壓質(zhì)量、短路電流和線路損耗；L代表線路長(zhǎng)度；p代表單位線路長(zhǎng)度投資；ΔV為電壓偏差；U為光伏接入點(diǎn)電壓；UN為10 kV線路標(biāo)準(zhǔn)電壓；Ik指光伏接入后的10 kV線路短路電流；US，ZS分別表示短路電壓和短路阻抗；ΔP為光伏接入引起的損耗增加值；R為光伏接入后增加的電阻；UN，P分別表示光伏接入的系統(tǒng)電壓和功率。

對(duì)以上目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，消除量綱，結(jié)果如式（2）所示：

式中：Ar，Pr分別表示光伏“插座式”接入前的電網(wǎng)投資和電網(wǎng)損耗。

上述各項(xiàng)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)值越小，“插座式”接入點(diǎn)的設(shè)置越趨于合理。因此，最終優(yōu)化的接入點(diǎn)在聚類分析方法的基礎(chǔ)上，還要滿足以上約束的目標(biāo)函數(shù)之和最小，最終的目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中：λ1，λ2， λ3，λ4分別為各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，均大于等于0，可以通過賦予其不同的值來表示接入點(diǎn)的選取對(duì)某一目標(biāo)函數(shù)的重視程度， 滿足 λ1+λ2+λ3+λ4=1。

5 引導(dǎo)靶向接入

本文基于“插座”的優(yōu)化配置結(jié)果提出分布式光伏并網(wǎng)“插座”地圖的概念，主要目的是將“插座式”光伏接入方法的成果進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)分布式光伏靶向接入。一方面主動(dòng)介入光伏項(xiàng)目接入管理工作，將傳統(tǒng)的光伏接入模式由“無(wú)序被動(dòng)”變成“有序主動(dòng)”；另一方面主動(dòng)對(duì)接政府，為政府新能源發(fā)展規(guī)劃工作提供輔助支撐。

建德市安仁工業(yè)園區(qū)的分布式光伏并網(wǎng)“插座”地圖如圖4所示。

圖4 安仁工業(yè)園區(qū)分布式光伏并網(wǎng)插座地圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種新型基于聚類技術(shù)的“插座式”分布式光伏接入方法，為分布式光伏安全、經(jīng)濟(jì)、有序、便捷接入構(gòu)建科學(xué)有效的技術(shù)基礎(chǔ)，可有效促進(jìn)電網(wǎng)公司對(duì)分布式光伏接入進(jìn)行主動(dòng)的全局安排和規(guī)劃，大大提高了分布式光伏接入管理的工作效率。

隨著分布式能源的發(fā)展，“插座式”接入方案理念還可結(jié)合有源電網(wǎng)規(guī)劃，從分布式能源和電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的更高層面出發(fā)，識(shí)別選取全局角度下的最優(yōu)接入點(diǎn)，更好地促進(jìn)分布式能源的發(fā)展。