基于潮流計算的分布式光伏接入對配電網電壓影響的研究

孫慧敏

摘要：光伏作為一種可再生的清潔能源，對我國未來電力系統的規(guī)劃和建設具有指導作用。光伏發(fā)電的優(yōu)勢是無污染、可再生、并網靈活，但新能源的開發(fā)和利用會相應帶來一定的不確定性。同時學界也對分布式光伏并網對配電網電壓的影響進行了一定的分析。

關鍵詞：分布式光伏;并網入電;影響因素;電壓分布

隨著新一輪電力體制改革的深入，售電側的放開，多元主體參與市場競爭成為必然趨勢。分布式電源既可以成立售電公司，以獨立售電模式參與市場，也可以通過其他售電公司代理，以協調售電的模式參與市場。目前對分布式電源市場化交易的研究主要集中在兩個層面，一是研究市場環(huán)境下分布式電源的規(guī)劃建設方案;二是研究分布式電源在市場環(huán)境下的運營及交易模式。在運營及交易模式方面，包括從宏觀層面設計市場化運營模式的組織結構和機制、分析用戶側分布式電源的增值服務價值，從優(yōu)化調度的角度分析虛擬電廠并網運行的算法實現、探討分布式電源對售電公司運營的影響;再如對雙邊或多邊交易、分布式電源集合商集中競價交易等模式的設計分析等。其中雙邊或多邊交易模式屬于批發(fā)市場范疇，發(fā)電商與用戶關系一一對應;而協調售電模式適合沒有條件自主尋找用戶，或進行復雜市場決策的發(fā)電商，由售電公司代理并管理分布式光伏的發(fā)電。特別是隨著光伏與儲能的協同發(fā)展，可有效改善光伏發(fā)電的間歇性和不確定性，使得光伏出力具備了可優(yōu)化條件，為售電公司管理分布式光伏發(fā)電奠定了技術基礎。

一、分布式光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電包括輸電側并網和配電側并網兩種類型，前者在大規(guī)模發(fā)電站中的應用價值較高，集中全部的電能融入電網，為電網調配提供基礎。后者的發(fā)電規(guī)模小，形成的電能融入最近距離的配電網，電能被直接利用。分布式光伏發(fā)電系統通常是配電側并網發(fā)電，具有高靈活度、高使用價值以及維護簡單的優(yōu)勢。實際應用過程中，可全面利用休閑區(qū)域和屋頂等區(qū)域，實現電力設備的構建和規(guī)劃，降低土地資源消耗，避免對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的干擾。配電側并網對接入要求較低，相應的電能為本地負荷提供服務，避免了輸電線路電能傳輸損耗，極大增強了電能的利用效率。

二、分布式光伏并網對配電網電壓的影響

（一）基于預測電價的優(yōu)化決策價格

協調售電交易決策模型依賴于簽約價格與現貨價格的價差，且可優(yōu)化范圍與價差幅度緊密相關。對售電公司而言，價格差越大，可優(yōu)化范圍越大，優(yōu)化效果越明顯，因此保持一定的價格差距對售電公司有利。對分布式光伏而言，簽約價格影響實際發(fā)電量，為追求一定的發(fā)電收益，分布式光伏將在保量的前提下爭取高價。分布式電源如何參與市場是能源發(fā)展及市場建設過程中必須要解決的問題，特別對于中小型分布式電源來說，與售電公司合作是必然趨勢。針對協調售電模式進行了深入分析，從售電公司現貨市場環(huán)境下購電成本分析出發(fā)，提出了協調售電模式下的交易決策模型，該模型基于光伏電價與現貨電價的差值，借助儲能設備，以售電公司購電成本最小化為決策目標，對分布式光伏發(fā)電曲線進行管理，實現光伏的優(yōu)化利用;同時為售電公司在新代理關系下的現貨申報提供依據，從而降低售電公司的購電成本。在此基礎上提出了雙方代理合約的定價機制，分別約定用以優(yōu)化決策的價格及用以合約結算的價格，前者基于預測電價，后者基于實際電價，以保障代理雙方的利益平衡。

（二）雙層規(guī)劃模型

分布式光伏并入配電網的規(guī)劃中不僅要考慮光伏運營商的經濟利益問題，還要考慮含有分布式光伏的配電網在運行過程中的技術性問題，其中包括配電網的有功網損和節(jié)點電壓水平。因此，本文上層模型構建光伏運營商的年平均凈收益最大、配電網平均有功網損最小、配電網年均節(jié)點電壓偏差最小的多目標函數;下層模型計及分布式光伏并網運行時的分區(qū)協調控制策略，解決高滲透率分布式光伏并網引起的電壓越限問題.其中，上層模型將光伏安裝容量傳遞給下層，下層在已知光伏安裝容量的基礎上運行電壓分區(qū)協調控制策略，然后將運行后的系統狀態(tài)傳遞給上層。①在光伏并網規(guī)劃中，建立的典型場景考慮光伏出力和負荷需求的季節(jié)性變化、天氣性變化特點等實際情況，不僅能使規(guī)劃模型更加合理，還能減少求解模型的計算量。②光伏規(guī)劃模型中，不僅要顧及光伏運營商的經濟型指標，還要考慮配電網的技術性指標.在求解多目標規(guī)劃問題上，基于目標相對占優(yōu)策略的CSO算法可以得到一個各個目標相對平衡的綜合最優(yōu)解。③與計及電壓集中控制策略的光伏并網規(guī)劃相比，考慮電壓分區(qū)協調控制策略不但可以提高光伏運營商的凈收益，還可以降低配電網的有功網損、改善配電網的節(jié)點電壓質量.

（三）SD模型構建

SD是研究處理復雜系統問題的方法。該方法是定性與定量、系統整體思考與分析、綜合與推理相結合的方法，在解決定性問題的效益評估、復雜系統形象化分析和系統動態(tài)效果評估等方面有著一定的成熟運用經驗。推廣到電力系統領域，SD方法也在需求響應資源效益評估、保底服務運營、可再生能源激勵機制分析、配電網可持續(xù)發(fā)展能力評估等方面得到應用。進一步分析分布式PV電能共享系統的特點，由于共享價值受到補貼政策變化、分布式PV安裝率變化等影響，且與各個因素之間存在較為復雜的關系，因此所構成的系統是一個包含多主體的復雜系統。同時，分布式PV的接入對配電網層面影響的傳導機制是一個動態(tài)、長期積累和調整的過程，其效應跟隨時間而變化。由于SD適合分析政策等影響下的復雜系統隨時間的變化趨勢，既能形象化地展現各復雜要素的交互關系，又能采用定性與定量相結合的方法，對有多重信息和因果反饋的系統進行建模和仿真，并且在處理周期性和長期性問題上具有優(yōu)勢，因此本文采用SD方法對分布式PV接入對配電公司利益、協調管理員共享價值、輸配電價等方面帶來的影響進行了模擬分析。

（四）中低壓配電網的電壓調節(jié)

低壓配電網受投資經濟性的限制，通信網薄弱、量測不全，缺少可控資源，缺乏調壓手段，而現階段不可控的分布式電源和可控資源如微型燃氣輪機、儲能設備、聯絡開關及可控負荷等的大量接入，使中壓配電網形成具有一定協調控制能力的主動配電網（activedistributionnetwork，ADN）。現有關于配電網接納分布式電源的研究都是針對單一電壓等級的配電網，未考慮多電壓等級配電網之間的相互影響。本文進行低壓配電網分布式光伏接納能力分析時，考慮多電壓等級配電網的配合，提出利用中壓主動配電網的調控能力，通過中低壓配電網的相互影響緩解低壓配電網調壓手段缺乏，提升低壓配電網接納分布式光伏能力的方法。建立包含10kV主動配電網優(yōu)化運行模型和380V輻射型低壓配電網分布式光伏的選址定容模型的多電壓等級配電網模型。分別用遺傳算法和多目標進化算法求解，計算結果說明這種方法的有效性。針對低壓配電網中負荷不同的情況，分析分布式光伏接入和調壓對中壓主動配電網電壓水平的影響，以及低壓配電網中負荷對接納分布式光伏和調壓方式的影響。

三、分布式光伏集群控制未來展望

對于分布式光伏的穩(wěn)定并網和靈活控制問題，目前已有大量的研究成果。但是其研究的重點在于：（1）光伏陣列組合的精確建模，以實現光能利用效率的最大化;（2）逆變器的高性能變換技術，通過設計合理的元件參數和拓撲結構，配合有效的控制策略，以保證輸出電流符合電能質量要求;（3）光伏發(fā)電系統與儲能元件的配合，以期功率的穩(wěn)定輸出。

然而，分布式光伏發(fā)電單元單體可控性差且數量繁多，使得其集中調控困難。僅從光伏陣列群和逆變器組的控制入手，無法解決配電網中電壓控制存在的有功-無功耦合及輸配網間的耦合性，因此未來“分群自治-多級調控”的控制體系架構是重點研究方向：（1）集群控制，由于大量的光伏發(fā)電單元分散接入，調控對象協調困難，于是提出分布式光伏發(fā)電集群概念，將其作為一個整體接入系統，可實現靈活并網控制;（2）配電網內部光伏集群間的協調控制，通過有功無功協調的多時間尺度優(yōu)化設定集群設備狀態(tài)和最優(yōu)運行點，最終實現配電網內部光伏發(fā)電集群功率的就近消納;（3）輸配網之間協同控制，以解決配電網區(qū)域內光伏高滲透接入后的功率外送問題。

四、結束語

①當分布式光伏接入配電網后，可以供給配電網局部的負荷需求甚至滿足整個配電網的負荷，做到配電網電能的全部支持。光伏系統向配電網吸收的功率較少，并且會將光伏中的剩余功率反饋給配電網，其電壓的有效支撐采用無功功率便可足夠。②假設分布式光伏的接入位置不發(fā)生改變，其對配電網的電壓支撐能力大小與光伏接入密度成正相關。③分布式光伏接入對配電網的電壓影響與分布式光伏的母線接入距離相關，距離縮短，那么分布式光伏對配電網電壓分布的影響也同步減弱。④在三相電網出現短路故障時，分布式光伏能夠憑借其輸出功率穩(wěn)定配電網的電壓;在配電網線路出現單相短路條件下，分布式光伏的輸出功率雖然能夠協助故障相恢復電壓，但根據其并網特性用時也會升高非故障相的電壓。⑤假設分布式光伏在已并網條件下從配電網推出，將會影響光伏并網接口處的電能質量。

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