分布式電源接入配電網(wǎng)的控制策略及消納能力評(píng)估研究

王云會(huì), 鄭強(qiáng)仁, 郭 淼, 肖煥春, 何厚道, 陳萬喜

(1.國(guó)網(wǎng)延邊供電公司, 吉林 延吉 133000;2.上海博英信息科技有限公司, 上海 200241)

0 引 言

我國(guó)作為能源消耗大國(guó),面臨日益嚴(yán)重的能源緊缺和環(huán)境污染等問題,在政策的大力推動(dòng)下,倡導(dǎo)節(jié)約能源低碳經(jīng)濟(jì),清潔能源行業(yè)發(fā)展迅猛,分布式電源(Distributed Generation,DG)應(yīng)運(yùn)而生,成為未來發(fā)展的重要主題。一方面DG系統(tǒng)靈活性強(qiáng)且性價(jià)比高。面對(duì)新增用戶或大用戶需要增加用電可靠性時(shí),DG只需在用戶附近選址安裝,減少線路損耗的同時(shí)又延緩輸配電網(wǎng)的升級(jí)換代,降低了建設(shè)成本;另一方面DG系統(tǒng)工程周期短。在規(guī)劃項(xiàng)目中變電站的建設(shè)均需要大量的資金和冗長(zhǎng)的建設(shè)周期,導(dǎo)致需求與供應(yīng)不同步。而變電站選址也要考慮所在城市的交通、水源、環(huán)境等各方面因素的制約,經(jīng)常會(huì)選擇避開城市負(fù)荷中心,以單一供電方式滿足大用戶需求。DG系統(tǒng)安裝時(shí)間短,既避免了需求與供應(yīng)不同步的問題,又能就地轉(zhuǎn)換與供應(yīng)電能,降低投資風(fēng)險(xiǎn)及建設(shè)成本[1]。

然而,隨著DG系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模不斷提升,大規(guī)模DG面臨中低壓配網(wǎng)接入,給配電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來一定的挑戰(zhàn),并且在新能源滲透率提升的同時(shí),新能源消納能力有待提升,亟需一些相應(yīng)的方法及措施去應(yīng)對(duì)。本文通過分析DG接入配電網(wǎng)的影響,將從DG接入配電網(wǎng)后的控制問題和消納能力問題展開深入的分析和計(jì)算。

(1)對(duì)供電可靠性的影響:①供電能力富足未能造成配電網(wǎng)規(guī)劃孤島時(shí),DG的接入則不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)可靠性產(chǎn)生影響。②供電能力不充足已造成配電網(wǎng)計(jì)劃孤島時(shí),若在計(jì)劃孤島范圍內(nèi),DG的接入可以有效提高供電可靠性;若不在計(jì)劃孤島范圍內(nèi),則不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)可靠性造成影響[2]。

(2)對(duì)電能質(zhì)量的影響:①電壓閃變。DG接入導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓閃變的原因?yàn)槠渚哂须S機(jī)性的特點(diǎn),受天氣、用戶需求等影響較多。②諧波污染和直流注入。當(dāng)配電網(wǎng)與DG相連沒有隔離變壓器時(shí),可能會(huì)造成直流注入,使變壓器等元件發(fā)生磁飽和[3]。③電壓波動(dòng)。DG接入的位置不同,會(huì)發(fā)生不同程度的電壓偏移。隨著周邊負(fù)荷的變化對(duì)配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)發(fā)生不同程度的影響。因此如何合理利用DG,使其與當(dāng)?shù)刎?fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行,隨著當(dāng)?shù)刎?fù)荷增加或減少來控制DG的輸出量,能夠抑制電壓波動(dòng)[4]。

(3)對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響:DG用戶專線一般情況下均為就近變電站、開閉站、配電室母線或環(huán)網(wǎng)柜接入,因此不會(huì)對(duì)饋線處的電壓產(chǎn)生影響。當(dāng)公線接入DG時(shí),其負(fù)載大小與本體容量達(dá)到一定比重,對(duì)線路調(diào)壓器等設(shè)備造成影響,導(dǎo)致線路末端的節(jié)點(diǎn)電壓高于首端節(jié)點(diǎn)電壓的情況[5]。

(4)對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響:傳統(tǒng)配電網(wǎng)因其輸入和輸出均為單向,發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí),快速解決方式為優(yōu)化電網(wǎng)保護(hù)。如在主饋線設(shè)置重合閘、支路設(shè)置熔斷器等措施后,可以解決運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問題[2]。DG接入后對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備裝置的要求更為嚴(yán)格,從而解決不穩(wěn)定流動(dòng)。

1 DG接入配電網(wǎng)的控制策略

1.1 加強(qiáng)DG的配電網(wǎng)規(guī)劃管控

當(dāng)DG接入規(guī)劃項(xiàng)目后,則要考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保等因素對(duì)負(fù)荷的影響,并將其融合到傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃中。考慮不同情況下(如停發(fā)和滿發(fā))對(duì)負(fù)荷的影響程度,根據(jù)國(guó)家能源政策和自然資源分布情況,分析變電站布點(diǎn)周圍是否適合DG建址,從規(guī)劃角度進(jìn)行選址和定容。

1.2 提升并網(wǎng)周圍電壓水平的管理

要根據(jù)發(fā)電情況監(jiān)測(cè)DG并網(wǎng)后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓變化,制定出符合實(shí)際情況的改進(jìn)措施,達(dá)到電壓合格率水平。通過電網(wǎng)側(cè)設(shè)備優(yōu)化電壓來調(diào)節(jié)DG側(cè)電壓能力弱的問題。

(1)根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況,調(diào)節(jié)相關(guān)配電變壓器分接擋位開關(guān);

(2)通過輪換有變壓比的配電變壓器來滿足其分接開關(guān)擋位的電壓要求。

1.3 加強(qiáng)DG并網(wǎng)驗(yàn)收審核

針對(duì)DG并網(wǎng)驗(yàn)收,需根據(jù)項(xiàng)目的相關(guān)性文件,如設(shè)計(jì)報(bào)告、施工圖紙、驗(yàn)收?qǐng)?bào)告等。對(duì)DG并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)檢查,如:DG并網(wǎng)點(diǎn)安裝位置是否合理、是否設(shè)置并網(wǎng)斷開裝置、是否滿足設(shè)備安全距離、是否設(shè)置“防止觸電事故發(fā)生”的安全標(biāo)志等。若未能達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),需要提出整改方案,并再次進(jìn)行復(fù)驗(yàn)[6]。

1.4 加強(qiáng)DG并網(wǎng)檢測(cè)管理

DG并網(wǎng)前需檢測(cè)確認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo),避免影響電能質(zhì)量及運(yùn)行安全。

檢測(cè)內(nèi)容包括電壓、電流、電能質(zhì)量與頻率響應(yīng)、有功輸出,有功和無功控制功能、安全運(yùn)行與繼電保護(hù)功能,電源啟停及其他并網(wǎng)檢測(cè)項(xiàng)目。這些檢測(cè)內(nèi)容直接影響DG并網(wǎng)后的供電質(zhì)量和安全運(yùn)行,對(duì)DG和電網(wǎng)兩者來說都很重要[7]。

1.5 加強(qiáng)DG并網(wǎng)后的運(yùn)行管理

DG并網(wǎng)后要實(shí)時(shí)監(jiān)管與檢修、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案、發(fā)電功率預(yù)測(cè)等問題要制定合理的各種風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)先安排發(fā)電,從而提升運(yùn)行水平。設(shè)置開斷設(shè)備和防孤島運(yùn)行裝置,確保DG并網(wǎng)檢修安全。

2 DG接入配電網(wǎng)的消納水平評(píng)估方法

2.1 評(píng)估DG接入配電網(wǎng)的邊界條件

分布式電源接入配電網(wǎng)后需要對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析,如電壓偏差、諧波電流、電壓波動(dòng)與閃變、諧波電壓、電壓不平衡等,評(píng)估其是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 評(píng)估DG接入容量與電網(wǎng)容量的匹配

關(guān)于DG的接入容量不能高于線路的允許容量,也不能高過變壓器的額定容量。單條線路接入時(shí),其總?cè)萘坎荒芨哂谠摼€路允許容量[7]。

2.3 評(píng)估發(fā)電與負(fù)荷匹配情況

需要評(píng)估變電站負(fù)荷高峰時(shí)DG出力是否可以就地消納;變電站負(fù)荷低谷期時(shí)DG出力能否可以就地消納。

3 DG的接納能力分析及提升措施

3.1 DG接入分析

(1)DG接入容量限制因素。當(dāng)DG接入后負(fù)荷充足,輸變電設(shè)備運(yùn)行不過載,節(jié)點(diǎn)電壓不越限,電能質(zhì)量不超標(biāo);當(dāng)DG接入配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),短路電流不超標(biāo),繼電保護(hù)能正確動(dòng)作切除故障,系統(tǒng)電壓和頻率快速恢復(fù)正常運(yùn)行。

(2)DG的接納能力影響因素:一是配電網(wǎng)安全運(yùn)行約束(包括節(jié)點(diǎn)電壓、短路電流、支路載流量、電能質(zhì)量);二是DG特性與負(fù)荷特性;三是配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);四是配電網(wǎng)運(yùn)行管理手段[8]。

3.2 DG的消納計(jì)算思路

(1)66 kV消納能力計(jì)算思路。首先,本文通過分析DG消納能力計(jì)算思路,以規(guī)劃水平年或電網(wǎng)典型日最大負(fù)荷為邊界條件計(jì)算電網(wǎng)的調(diào)峰裕度,并認(rèn)為調(diào)峰裕度就是可接納風(fēng)電及光伏電源的裝機(jī)容量,從而計(jì)算出新能源消納空間;其次搭建潮流計(jì)算模型,分析現(xiàn)狀電網(wǎng)(如變電站,線路)條件是否滿足分布式電源接入,最后給出提升新能源消納的現(xiàn)狀電網(wǎng)改造建議。分布式消納計(jì)算思路如圖1所示。

圖1 分布式消納計(jì)算思路

(2)10 kV消納能力計(jì)算方法。本文在建立評(píng)估模型時(shí)應(yīng)綜合考慮各種約束條件,使其網(wǎng)架及新能源消納容量達(dá)到最優(yōu),并采用最優(yōu)潮流的計(jì)算方法進(jìn)行新能源消納能力分析。

其思路:通過設(shè)置風(fēng)電和光伏的裝機(jī)接入容量,目標(biāo)函數(shù)為新能源機(jī)組實(shí)際出力最大值,建立某地區(qū)電網(wǎng)新能源最大消納模型,考慮其常規(guī)機(jī)組爬坡率限制、電網(wǎng)規(guī)模、多場(chǎng)景計(jì)算,可以考慮采用直流模型計(jì)算。模型大體形式為

(1)

(2)

(3)

(4)

Pi-j≤Pi-j,max

(5)

t=1,2,…,24

(6)

式(1)為以風(fēng)機(jī)、光伏出力最大并考慮其發(fā)電成本的目標(biāo)函數(shù);式(2)為節(jié)點(diǎn)功率平衡方程;式(3)為常規(guī)機(jī)組出力上下限約束;式(4)為機(jī)組爬坡約束;式(5)為線路潮流約束;式(6)為時(shí)間序列。上述模型求解,采用某一時(shí)序(24時(shí)間段/日),新能源發(fā)電的出力等于其實(shí)際出力,為新能源全部消納;若出力小于實(shí)際出力,則存在棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象[9]。

選取電壓越限偏差范圍為Umin=-3%UN,Umax=7%UN。

常規(guī)機(jī)組出力上下限約束:Pmin=XPUn,Pmax=PUn;X取值:火力60萬機(jī)組運(yùn)行方式下限為40%(全國(guó)平均水平),30萬機(jī)組運(yùn)行方式下限為48%(全國(guó)平均水平);供熱機(jī)組運(yùn)行機(jī)組容量下限分別為正常運(yùn)行期間的60%(全國(guó)平均水平)和冬季采暖期間的80%(為滿足用電設(shè)備和采暖的基本需求)[10]。

變壓器傳輸容量約束:Pst≤PTN。線路傳輸容量約束:PL≤PLN。全網(wǎng)功率流動(dòng)約束條件:N-1?？紤]220 kV變電站輸送功率不反送。

電力平衡:取夏季典型日最大時(shí)刻。

3.3 DG消納能力的提升措施

(1)網(wǎng)絡(luò)解,是通過改變地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)或網(wǎng)架結(jié)構(gòu),來提升消納能力的一種措施。制約新能源消納的關(guān)鍵性因素就是地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻塞問題。而解決網(wǎng)絡(luò)阻塞的主要措施為:新增聯(lián)絡(luò)線,提高聯(lián)絡(luò)率來解決阻塞問題;增大變壓器容量,提高輸電容量;增大線路傳輸容量上限,放寬線路容量約束;增加儲(chǔ)能設(shè)備。

(2)非網(wǎng)絡(luò)解,是不改變地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),從負(fù)荷側(cè)入手利用相應(yīng)管理措施,降低電網(wǎng)投資建設(shè)成本,同時(shí)提高電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力。如:通過峰谷電價(jià)政策,積極實(shí)施錯(cuò)峰手段,引導(dǎo)部分高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段,減小峰谷差率,提高電網(wǎng)消納新能源發(fā)電能力;采用蓄冷蓄熱技術(shù),達(dá)到移峰填谷的目的[11]。

4 典型縣案例潮流計(jì)算

4.1 66 kV分布式電源接入潮流計(jì)算分析

某地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,日照充足,年平均日照時(shí)間超過2 300 h,太陽(yáng)能和風(fēng)力資源豐富,未來太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電均較多,因此選擇某地區(qū)作為典型縣進(jìn)行消納分析計(jì)算。

該地區(qū)有3個(gè)新能源電站并網(wǎng)電壓等級(jí)在66 kV及以上的電源,均為光伏電站,電站規(guī)模60 MW,年發(fā)電量為0.81億kWh。并網(wǎng)電壓等級(jí)66 kV及以上新能源容量、發(fā)電量如表1所示。

表1 并網(wǎng)電壓等級(jí)66 kV及以上新能源容量、發(fā)電量

目前,該地區(qū)光伏電站總裝機(jī)60 MW,沒有風(fēng)電裝機(jī)。光伏最大出力一般發(fā)生在10∶00～15∶00,根據(jù)該地區(qū)地理位置及氣候特性分析,風(fēng)電最大出力一般會(huì)發(fā)生在23∶00～4∶00。地區(qū)潮流圖如圖2所示。

圖2 地區(qū)潮流圖

風(fēng)電出力最大時(shí)一般多發(fā)生在夜間,此時(shí)的光伏不出力。考慮到該地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)較小,因此只計(jì)算光伏最大出力80%,風(fēng)電出力50%,年最大負(fù)荷的65%方式下潮流情況:

(1)各新能源電站所發(fā)電力在該地區(qū)可消納81.4 MW,剩余電力需要通過220 kV一號(hào)變輸送至主網(wǎng)。

(2)220 kV一號(hào)變上網(wǎng)負(fù)荷39.5 MW,負(fù)載率為14.36%,負(fù)載較低,可以滿足送出需求;其余變電站也均無重載、過載現(xiàn)象。

(3)線路潮流分布合理,無重載、過載現(xiàn)象。

4.2 10 kV分布式電源可消納容量分析

構(gòu)建某最優(yōu)潮流計(jì)算仿真程序,經(jīng)計(jì)算得出該地區(qū)10 kV電壓等級(jí)可消納新能源5.29 MVA。10 kV消納新能源情況如表2所示。

表2 10 kV消納新能源情況

由表2可知,該地區(qū)10 kV線路可消納新能源的能力與其上級(jí)電源的電壓等級(jí)關(guān)聯(lián)不大,平均可消納新能源容量為1.05 MVA。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從DG接入對(duì)配電網(wǎng)影響的角度展開深入分析,基于配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的基礎(chǔ)和原理上,對(duì)DG接入配電網(wǎng)后的控制問題和消納問題進(jìn)行了詳細(xì)分析,結(jié)論如下:

(1)根據(jù)DG運(yùn)行特點(diǎn),分析DG接入配電網(wǎng)后的控制問題,并提出了五種控制策略。

(2)從接入配電網(wǎng)的影響展開分析,對(duì)DG接入配電網(wǎng)后的消納問題以及消納水平進(jìn)行分析評(píng)估,分析DG接入位置選取,以及接入容量與電網(wǎng)容量的匹配程度。

(3)從配電網(wǎng)規(guī)劃的角度入手,根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況接入DG后,進(jìn)一步考慮電網(wǎng)運(yùn)行安全,是否存在電壓越限等情況。

(4)以某地區(qū)配電網(wǎng)為例,建立計(jì)算模型進(jìn)行消納計(jì)算,結(jié)果表明DG的接入減少了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗,降低了配電網(wǎng)的建設(shè)成本,避免了大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送,在區(qū)域負(fù)荷高峰或低谷時(shí)能夠就地消納[12]。

本文從DG接入配電網(wǎng)后的控制問題和消納問題進(jìn)行了深入分析,但仍存在一定的不足,未來的研究工作將更深層次的考慮和研究:在含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目中,面對(duì)逐漸擴(kuò)大的裝機(jī)容量,從DG選址和定容規(guī)劃等問題展開深入研究;考慮配電網(wǎng)運(yùn)行的綜合因素,優(yōu)先從電網(wǎng)投資成本和運(yùn)行成本等進(jìn)行考量,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行;建立計(jì)算模型解析,多角度闡述在含DG系統(tǒng)的項(xiàng)目規(guī)劃中,各類新能源在配電網(wǎng)潮流計(jì)算中的處理方法,以及如何更好地實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及靈活性。