關(guān)于分布式光伏對(duì)低頻減載控制能力的影響分析

趙 煒， 楊曉東， 胡文麗

（1.國(guó)網(wǎng)保定供電公司， 河北 保定 071000； 2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司， 河北 石家莊050000）

1 研究背景

當(dāng)前，在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為能源電力行業(yè)的重要責(zé)任與使命。我國(guó)新能源正處于由補(bǔ)充型電源逐步向主力型電源轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期，分布式光伏以其投資成本低、技術(shù)門(mén)檻低和國(guó)家補(bǔ)貼高的特點(diǎn)深受廣大用戶歡迎，迅速發(fā)展。分布式光伏集中、大量的接入對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行和安全產(chǎn)生了巨大的影響。因此分布式光伏對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的第三道防線，特別是對(duì)低頻策略的影響，成為亟需研究的課題之一[1]。

2 低頻減載及其整定特點(diǎn)

電網(wǎng)的第三道防線指的是失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置。其中的頻率緊急控制就是本文提到的低頻減載，指的是當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)有功功率缺額引起的頻率下降時(shí)，根據(jù)頻率下降的程度，自動(dòng)斷開(kāi)一部分不重要的用戶，阻止頻率下降，以便使頻率迅速恢復(fù)到正常值，保障電網(wǎng)安全、保障民生和重要用戶供電[2]。

低頻減載策略按照“分批有序”的原則切除負(fù)荷分路，一般按照電壓等級(jí)“從低到高”和用戶重要性“從低到高”的原則進(jìn)行。從負(fù)荷性質(zhì)的角度考慮，一般情況下，低頻減載優(yōu)先考慮切除農(nóng)業(yè)、一般工商業(yè)等負(fù)荷占比高的控制分路，然后是居民負(fù)荷分路[3]。如果所切負(fù)荷量仍不能滿足控制比例要求，最后再考慮涉及大中工業(yè)等重要用戶的分路。其中，大工業(yè)用戶具有連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)用電的特點(diǎn)，而農(nóng)業(yè)、工商業(yè)和居民用電大都屬于波動(dòng)性負(fù)荷，白天用電相對(duì)多、夜間用電相對(duì)較少，是電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的主要來(lái)源。低頻減載控制比例也呈現(xiàn)白天高、夜間低的特征，因此負(fù)荷水平的高低直接決定了低頻減載控制能力的強(qiáng)弱。

3 分布式光伏對(duì)低頻減載控制能力的影響

分布式光伏作為影響全網(wǎng)負(fù)荷水平的一個(gè)因素，間接作用于低頻減載控制能力。目前，分布式光伏大多通過(guò)380 V/220 V 線路并網(wǎng)，在白天發(fā)電期間相當(dāng)于在35 kV/10 kV 分路上疊加了一個(gè)“逆向”負(fù)荷，在一定程度上降低了負(fù)荷水平，導(dǎo)致低頻減載控制分路的實(shí)際負(fù)荷減少。若分布式光伏并網(wǎng)過(guò)于集中，則可能出現(xiàn)上一級(jí)的10 kV 控制分路向電網(wǎng)側(cè)倒送有功功率的情況。此時(shí)，若電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障、低頻減載裝置動(dòng)作切除該分路，就相當(dāng)于切除了部分電源，不僅不會(huì)阻止系統(tǒng)頻率下降，反而會(huì)起到推波助瀾的作用。

由于分布式光伏出力間接降低了并網(wǎng)線路的負(fù)荷水平，因而對(duì)低頻減載控制能力帶來(lái)一定影響。本文將以河北省保定地區(qū)為研究對(duì)象，探索分布式光伏對(duì)低頻減載控制能力的影響。

保定，中國(guó)“電谷”和太陽(yáng)能之城，其分布式新能源呈現(xiàn)發(fā)展快、滲透率高、典型性強(qiáng)的特點(diǎn)。2020 年底分布式新能源滲透率23.21%，位居國(guó)網(wǎng)地市級(jí)公司第三，預(yù)計(jì)十四五末將達(dá)到60%左右。其中分布式新能源滲透率，按如下公式計(jì)算：

筆者通過(guò)對(duì)保定及所轄曲陽(yáng)、徐水兩個(gè)縣自2021 年1 月1 日以來(lái)低頻減載所控線路的純負(fù)載負(fù)荷、分布式光伏出力、平衡光伏出力后的線路負(fù)荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)分布式光伏對(duì)低頻減載控制能力的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）時(shí)段性：分布式光伏出力與光照強(qiáng)度之間具有強(qiáng)相關(guān)性。白天，特別是午后時(shí)段光伏出力大，低頻減載控制比例波動(dòng)較大。夜間或光伏出力較低的時(shí)段，對(duì)低頻減載控制比例無(wú)影響或影響不明顯。如2021年4 月7 日12 時(shí)至14 時(shí)，曲陽(yáng)區(qū)域就撲捉到了低頻減載所控負(fù)荷性質(zhì)“由荷向源”的轉(zhuǎn)變，即某一時(shí)段內(nèi)低頻減載所控負(fù)荷實(shí)際為上送的分布式光伏出力，而非線路負(fù)載負(fù)荷。如圖1 所示，右側(cè)三條曲線自上而下分別為曲陽(yáng)境內(nèi)低頻減載所控線路無(wú)光伏接入條件下的純負(fù)載負(fù)荷曲線（藍(lán)色），低頻減載所控分路中分布式光伏出力曲線（紫色），低頻減載所控分路疊加分布式光伏出力后的負(fù)荷曲線（粉色）。紅色圓圈標(biāo)注的即為低頻減載控制負(fù)荷性質(zhì)“由荷向源”的轉(zhuǎn)變的時(shí)段。截至2021 年8 月31 日，“由荷向源”的特殊時(shí)段累計(jì)出現(xiàn)了19 d，主要集中在光照強(qiáng)烈，電網(wǎng)負(fù)荷較小的春季，其中4 月出現(xiàn)了13 d，占比68.4%。相同的研究周期內(nèi)，另一試點(diǎn)徐水尚未發(fā)現(xiàn)低頻減載所控負(fù)荷“由荷向源”的變化。

2）地域性：通過(guò)對(duì)曲陽(yáng)和徐水兩個(gè)區(qū)域的研究我們發(fā)現(xiàn)，曲陽(yáng)在光伏大發(fā)，負(fù)荷相對(duì)較小的特殊時(shí)段出現(xiàn)了“由荷向源”的轉(zhuǎn)變，而徐水尚未撲捉到這種現(xiàn)象。對(duì)比兩區(qū)域的分布式光伏接入，截至2021 年8 月底，曲陽(yáng)境內(nèi)接入分布式光伏容量101.1 MW，分布式光伏滲透率達(dá)53.98%；徐水境內(nèi)接入分布式光伏容量173 MW，分布式光伏滲透率達(dá)51.60%，兩個(gè)試點(diǎn)的分布式光伏滲透率相當(dāng)，但對(duì)低頻減載控制能力的影響卻是不同的，通過(guò)進(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)和當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

曲陽(yáng)地處山區(qū)，負(fù)荷以小工商業(yè)、居民、農(nóng)業(yè)用電為主較小，大工業(yè)較少，整體負(fù)荷水平偏低。筆者通過(guò)對(duì)曲陽(yáng)2015 年至2021 年期間的日負(fù)荷曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，分布式光伏對(duì)日曲線有著顯著的調(diào)整作用，特別是在光伏大發(fā)的4 月份。以2018 年的4 月為節(jié)點(diǎn)，在此之前曲陽(yáng)日負(fù)荷曲線最低負(fù)荷均出現(xiàn)在凌晨4 時(shí)左右，中午12 時(shí)至14 時(shí)為日曲線的第二個(gè)低谷時(shí)段，如圖2 所示。2018 年4 月，曲陽(yáng)分布式光伏接入容量增加到23.4 MW，分布式光伏滲透率為19.12%，日負(fù)荷曲線中午低谷時(shí)段，被日益增長(zhǎng)的光伏容量進(jìn)一步拉低，幾乎與日最低負(fù)荷持平。日負(fù)荷曲線出現(xiàn)了兩個(gè)接近的低點(diǎn)，即凌晨4 時(shí)和中午時(shí)段，如圖3 所示。隨著分布式光伏容量的增長(zhǎng)，中午低谷時(shí)段的負(fù)荷值因平衡光伏出力被進(jìn)一步拉低，中午時(shí)段變成日負(fù)荷曲線的最低點(diǎn)，如圖4 所示。

徐水主要為平原地區(qū)，區(qū)域內(nèi)大工業(yè)較多且增長(zhǎng)較快，負(fù)荷整體較大。徐水的日負(fù)荷曲線依舊延續(xù)著日最低負(fù)荷在凌晨4 時(shí)左右、中午短時(shí)的低谷時(shí)段的特點(diǎn)，如圖5 所示。

低頻減載所控負(fù)荷“由荷向源”的轉(zhuǎn)變目前僅局限于個(gè)別區(qū)域的特殊時(shí)段。就整個(gè)保定地區(qū)而言，全年低頻控制控制負(fù)荷比例最低為55%，完全符合上級(jí)低頻減載整定方案要求，并留有一定裕度。目前，保定地區(qū)的日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)同徐水相似的特點(diǎn)，如下頁(yè)圖6 所示。

4 結(jié)論和措施

4.1 結(jié)論

綜合上述分析，得出以下結(jié)論：

1）分布式光伏通過(guò)降低低頻減載控制線路的負(fù)荷水平，間接降低了低頻減載控制能力。

2）低頻減載實(shí)際控制能力最差的時(shí)段處于負(fù)荷水平最低的春季，并且是光伏大發(fā)、負(fù)荷相對(duì)較小的午后12 時(shí)至14 時(shí)時(shí)段。

3）當(dāng)電網(wǎng)日曲線午后時(shí)段的負(fù)荷被光伏出力拉低為曲線的最低點(diǎn)時(shí)，低頻減載所控負(fù)荷性質(zhì)可能會(huì)出現(xiàn)“由荷向源”的轉(zhuǎn)變。

4.2 措施

目前保定地區(qū)低頻減載控制能力總體合格，且留有一定的裕度，能夠滿足電力系統(tǒng)第三道防線的標(biāo)準(zhǔn)要求，在突發(fā)嚴(yán)重故障下能夠起到應(yīng)有的作用。隨著分布式光伏裝機(jī)的快速增長(zhǎng)對(duì)低頻減載控制能力的影響日益明顯，提升低頻減載控制能力，保障電網(wǎng)安全，需要做到以下幾點(diǎn)：

1）制定低頻減載方案時(shí)優(yōu)先納入不含分布式光伏或含分布式光伏較少的35 kV、10 kV 線路，確保在高峰、低谷時(shí)段低頻減載對(duì)負(fù)荷的控制能力均滿足方案的要求。

2）持續(xù)關(guān)注低頻減載方案的執(zhí)行效果，尤其是在負(fù)荷低谷時(shí)段。定期梳理分布式光伏并網(wǎng)導(dǎo)致的10 kV反送線路，及時(shí)對(duì)低頻減載方案進(jìn)行調(diào)整、修改。

3）采取措施提升光伏出力大發(fā)時(shí)段即中午12 時(shí)到14 時(shí)的負(fù)荷水平，如利用價(jià)格杠桿，政策優(yōu)勢(shì)鼓勵(lì)用戶在光伏大發(fā)的時(shí)段多生產(chǎn)、多用電，拉動(dòng)電力需求，平衡分布式光伏出力。

4）雙碳目標(biāo)下，分布式光伏必然會(huì)普遍接入于各35 kV、10 kV 線路，建議低頻減載設(shè)備廠家對(duì)裝置進(jìn)行升級(jí)改造。在動(dòng)作邏輯中加入線路電流或功率方向的判據(jù)，滿足頻率動(dòng)作條件時(shí)，對(duì)于功率上送線路，裝置不出口動(dòng)作切除，最大程度上實(shí)現(xiàn)低頻減載切除量實(shí)際為電網(wǎng)負(fù)載負(fù)荷。