含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)消納能力研究

楊俊，紀云龍，蒙昌營，王基圳，段銀環(huán)，楊娟

（國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

1 研究背景

世界環(huán)境日趨惡劣以及全球資源逐漸緊缺是眼下社會所主要面臨的重大問題。所以，利用清潔能源作為發(fā)電材料的方法，近年來在世界范圍受到了重點關(guān)注。清潔能源發(fā)電技術(shù)從未像今天這樣倍受世界關(guān)注，并且逐漸走向主流。而分布式光伏發(fā)電就是其中一種可再生清潔能源，并且經(jīng)過近年來的發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)慢慢地成長為一種解決環(huán)境惡劣以及資源緊缺這兩大問題的主要手段之一。目前該項發(fā)電技術(shù)的普遍容量為13400MW，根據(jù)技術(shù)人員的研究表明，預(yù)計2050年，由于太陽能直接運用于光伏發(fā)電中的比率會提高至13%～15%，同時由于我國基于對環(huán)境保護的策略，因此會大力推動光發(fā)電技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

由此來看，光伏相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新以及進步是十分明顯的，其經(jīng)濟效益也十分顯著，雖然光伏企業(yè)為國家?guī)砹朔N種好處，其發(fā)展也正被大力推動，但是，在光伏發(fā)電的并網(wǎng)發(fā)電中，配電網(wǎng)的穩(wěn)定不能得到保障，其對光伏發(fā)電的消納能力使光伏領(lǐng)域都是一個很大的障礙。在面對大量的分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的情況下，對于這一問題處理并優(yōu)化其性能的研究，是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對分布式光伏發(fā)電的最優(yōu)容量進行了深入的研究。不僅從電壓約束的角度研究了分布式發(fā)電的容量，并且從短路電流的層面結(jié)合圖標研究了該發(fā)電方式的容量。我國目前對分布式發(fā)電的探究部分都是對其能耗的研究，但針對有關(guān)分布式光伏發(fā)電的消耗問題并未進行深入探究。本文依照該發(fā)電方式的特征，通過分析和對比光伏發(fā)電的基本原理、該發(fā)電方式的消納原理的基本介紹，通過不同角度對含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)消納能力進行研究分析。

2 關(guān)于分布式光伏發(fā)電的信息概述

分布式發(fā)電是一種獨立運行或并網(wǎng)運行的能源供應(yīng)方式。發(fā)電技術(shù)包括小規(guī)模發(fā)電、小規(guī)模發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、生物智能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，太陽能發(fā)電以其清潔、可再生、易獲得等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、儲能、電力電子變換器等環(huán)節(jié)組成。通過光伏板，將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為低壓直流電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電。根據(jù)光伏系統(tǒng)容量，380V電源通過升壓并網(wǎng)。目前，光伏電站并網(wǎng)主要有兩種模式，即“全并網(wǎng)”模式和“自發(fā)、剩余功率并網(wǎng)”模式。在“全通電”模式下，光伏電站產(chǎn)生的電能將全部送至電網(wǎng)，光伏電站只租用場地，售電與銷售沒有直接關(guān)系；而在“自發(fā)、剩余通電”模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)價格較高的是供電，而價格較低的無止境的企業(yè)用電則被送入電網(wǎng)。

3 關(guān)于消納能力的分析

3.1 關(guān)于消納能力的基本概述

電力消納的意思即電力消化和吸納的能力。由于在發(fā)電廠內(nèi)——無論是以任何形式進行發(fā)電（如風(fēng)能、煤炭等原理）后再將電路輸送到網(wǎng)上，而電能是無法進行隨時的儲存，因此電力在產(chǎn)生后必須馬上進行消費，這也就要求將多余的電能通過調(diào)度的方式輸送到有需求用電的地點——這便是電力消納的具體內(nèi)容。其重要功能之一是促進清潔能源消費，主要是將分布式新能源聚合為實體，形成虛擬發(fā)電廠，以多能互補的形式提高分布式新能源的友好并網(wǎng)水平和電網(wǎng)可調(diào)容量比例，優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)同控制，推進新能源集中跨省交易和分布式跨省交易。可以預(yù)計，未來物聯(lián)網(wǎng)建成后，由于發(fā)電和用電終端的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過通信網(wǎng)絡(luò)實時反饋，所以通過控制中心可以實現(xiàn)供電能力和負荷需求的匹配。并在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行準確預(yù)測，從而避免棄電事故的發(fā)生。由于對終端供需數(shù)據(jù)的準確把握，有利于匹配電力交易，使新能源發(fā)電企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化。

3.2 消納能力的分析與測算

電網(wǎng)傳輸?shù)哪芰χ苯記Q定了風(fēng)電消納的能力。在測算最大風(fēng)力消耗能力以及選擇合適的并網(wǎng)點時，一定要提前對電網(wǎng)負荷以及輸電限制進行考量，同時也要注意電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性與潮流分布特性。風(fēng)力發(fā)電機組的最大出力由以下公式表示：

式中，PLmax為網(wǎng)內(nèi)最大負荷；Pout為省間外送極限；PHY為水電機組出力；PTHmin為火電機組最小出力。

3.3 風(fēng)電出力最大消納能力

計算風(fēng)電發(fā)電的電力消納能力的基本原理，是在不限制風(fēng)電輸送的基本背景下，針對某一具體容量的風(fēng)電機組、且在反調(diào)峰的特性下——通過該方對針對系統(tǒng)調(diào)峰能力進行詳細測算，參考負荷水平和電網(wǎng)的實際運作需要，針對非風(fēng)電機組的開機容量PT、對應(yīng)調(diào)峰能力P1進行確定，并進行詳細的計算得到具體數(shù)據(jù)。

最大發(fā)電負荷為PGmax：

此外，參考負荷的基本特征，通過以下公式可以得到關(guān)于統(tǒng)調(diào)峰容量需求P2以及系統(tǒng)調(diào)峰能力裕量ΔP:

通過風(fēng)電的最大峰谷差值系數(shù)RW與ΔP的比值，從而得到最大風(fēng)電裝機P Mmax：

式中，PGmax表示最大發(fā)電負荷；PGmin表示最小發(fā)電負荷；PLmax表示最大統(tǒng)調(diào)負荷；Kemergency表示事故備用率；KLoad表示線損率；KG表示場用電率；KLoad表示負荷備用率；KR表示旋轉(zhuǎn)備用率。

4 高比例戶用光伏發(fā)電并網(wǎng)帶來的影響

4.1 電壓越限和波動

光伏并網(wǎng)后，如果光伏發(fā)電在當(dāng)?shù)夭荒艹浞掷?，剩余電力將注入電網(wǎng)形成反向潮流，導(dǎo)致配電變壓器母線的饋線電壓逐漸升高；光伏發(fā)電的普及率越高，反向功率越大，饋線電壓越高，網(wǎng)損越大。值得注意的是，負荷與光伏輸出高峰小時往往不能重疊，這使得節(jié)點電壓分布在一天內(nèi)發(fā)生顯著變化。白天的剩余光伏功率會導(dǎo)致過電壓風(fēng)險，而夜間的重負荷會導(dǎo)致欠電壓風(fēng)險。此外，光伏并網(wǎng)有功功率會隨著太陽輻射強度、云層和溫度的變化而變化，導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓發(fā)生的波動明顯。

4.2 電壓三相負荷不平衡

形成低壓三項不平衡的關(guān)鍵因素為三相線路的參數(shù)不對稱以及三項負荷不平衡。這種不平衡的現(xiàn)象在戶用光伏單相并網(wǎng)后會更加嚴重。其中接入容量的差異以及光伏的接入位置都分別對低壓三項不平衡有一定的干擾作用。以接入容量的角度考慮，戶用光伏并網(wǎng)的容量與其對電網(wǎng)的影響程度成正比。以接入位置來考慮，若在饋線頭端接入光伏電源，則不平衡的現(xiàn)象并不是很明顯；而在饋線末端將其接入，不平衡度將大幅提高。在這種電網(wǎng)低壓三項不平衡的情況下，不僅正序電流會造成損耗，而且負序以及零序電流都會產(chǎn)生損耗。因為這類損耗的存在，使得電網(wǎng)的總損耗增大，其經(jīng)濟效益也有所下降。

4.3 諧波

導(dǎo)致電網(wǎng)諧波含量上升的主要因素是由于非線性負荷的分布過量且分散導(dǎo)致的。因為光伏板必須通過逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)，因此,它的非線性運行的特點導(dǎo)致出現(xiàn)諧波問題的頻次更突出。與三相電壓不平衡的現(xiàn)象基本一致，光伏接入容量和位置同樣也會導(dǎo)致諧波失真的程度受到影響。例如，當(dāng)接入位置一定時,就會導(dǎo)致接入容量變大，從而導(dǎo)致配電網(wǎng)的諧波畸變的情況就會上升；而在接入容量一定的情況下，當(dāng)接入位置愈接近線路末端的情況下，配電網(wǎng)的諧波畸變水平也會隨之提高。諧波的現(xiàn)象會引起變壓器、發(fā)電機以及一些電氣設(shè)備的出現(xiàn)發(fā)熱異常的情況出現(xiàn)，此外，諧波電流對電能計量也會產(chǎn)生不同程度的影響，從而導(dǎo)致計量誤差問題的出現(xiàn)。

4.4 對配電網(wǎng)管理的挑戰(zhàn)

戶用光伏屬于用戶所有，規(guī)模大、分散，不能完全由電網(wǎng)公司控制。用戶的隨機訪問或退出會加劇網(wǎng)絡(luò)運行的不確定性。用戶是光伏并網(wǎng)發(fā)電的直接受益者，但目前用戶所配備的控制設(shè)備較少，這就導(dǎo)致電網(wǎng)公司需要投入大量資金對配電網(wǎng)進行升級改造，可能會限制并網(wǎng)用戶的光伏發(fā)電能力，所以是非常必要的，難以兼顧公平，加大了電網(wǎng)公司的管理難度。目前，光伏發(fā)電并網(wǎng)電價的政策成分很多，隨著戶用光伏并網(wǎng)比例的提高，有必要逐步建立市場化的電價形成機制。

5 智能調(diào)度方法評價

以智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)為背景，通過AGC目標值與實際值的比較，驗證了智能調(diào)度方法的準確性。自動計算風(fēng)電場在每個周期內(nèi)每個采樣點的實際配電盤輸出。通過對AGC目標曲線的偏離來判斷時間是否在功率限制期內(nèi)。當(dāng)兩值重合度很高時，偏差接近0的點為功率限制時間，當(dāng)兩值重合度很低時，為非功率限制時間。在限電期間，風(fēng)電場配電盤出力AGC目標曲線與實際曲線比較接近，且偏差較小。該智能調(diào)度方法能自動準確地計算出各風(fēng)電場的發(fā)電容量阻塞期，最大限度地減小風(fēng)電理論功率的計算誤差。

6 結(jié)語

本文以大規(guī)模分布式光伏風(fēng)力發(fā)電為對象，研究了基于電網(wǎng)功率平衡的發(fā)電數(shù)據(jù)智能調(diào)度方法。在計算不限制風(fēng)電出力的最大風(fēng)力發(fā)電能力和限制風(fēng)電出力的最大風(fēng)力發(fā)電能力的基礎(chǔ)上，依據(jù)光伏電站并網(wǎng)的運行特征，對其驗收能力做出了評估，總結(jié)并歸納，以便于整理實時消耗資料。AGC模塊整體對用電數(shù)據(jù)進行及時的調(diào)控，可以運用SDH的電耗數(shù)據(jù)進行自我調(diào)控，通過對其目標和實際數(shù)值的比較可以得出，風(fēng)電出力的總體AGC曲線，二者之間的差距很小。這一手段可以自行精確得出各個風(fēng)電場的發(fā)電能力，最大程度地降低風(fēng)電理論功率的演算偏差。