提升配電網(wǎng)承載力和調(diào)節(jié)能力的整縣分布式光伏儲能配置方法

張光儒 任浩棟 馬振祺 王學(xué)斌 陳 杰

提升配電網(wǎng)承載力和調(diào)節(jié)能力的整縣分布式光伏儲能配置方法

張光儒1任浩棟1馬振祺1王學(xué)斌2陳 杰1

（1. 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730070； 2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司，蘭州 730030）

本文針對整縣分布式光伏建設(shè)導(dǎo)致的配電網(wǎng)投資規(guī)模劇增、電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)壓困難的問題展開研究，基于規(guī)劃分布式光伏裝機(jī)規(guī)模與縣域電網(wǎng)負(fù)荷匹配度，提出綜合考慮消納與電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的儲能配置策略，一方面解決配電網(wǎng)超承載能力的問題，另一方面緩解調(diào)峰壓力并抑制分布式光伏反送導(dǎo)致的過電壓問題。最后，通過案例驗(yàn)證了方法的有效性，為整縣分布式光伏規(guī)劃和有源配電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力建設(shè)提供參考。

整縣分布式光伏；電網(wǎng)承載能力；調(diào)峰；調(diào)壓

0 引言

2021年9月8日，國家能源局正式確定676個縣（市、區(qū)）作為整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)[1]。隨后，各省陸續(xù)發(fā)布了整縣分布式光伏集中推進(jìn)工作方案，但在方案中關(guān)于儲能配置，各省僅做了原則性的配置要求，并未給出具體的配置規(guī)模測算依據(jù)。如寧夏要求各縣（市、區(qū)）分布式光伏開發(fā)儲能配置比例不低于10%；河北要求按裝機(jī)容量的10%～30%（根據(jù)發(fā)展階段適時調(diào)整）、2～4h配置儲能設(shè)施，儲能設(shè)施原則上應(yīng)以村鎮(zhèn)為單位，在主要并網(wǎng)點(diǎn)集中建設(shè)；浙江要求對光伏發(fā)電消納有困難的區(qū)域，尤其是裝機(jī)規(guī)模在1MW以上、集中連片規(guī)模較大的區(qū)域，根據(jù)消納情況，鼓勵配置一定比例的儲能；河南要求開發(fā)企業(yè)要結(jié)合當(dāng)?shù)亻_發(fā)時序、用電負(fù)荷發(fā)展情況，開展配套儲能相關(guān)論證，通過共享儲能和分布式儲能并舉，促進(jìn)分布式光伏所發(fā)電力就地就近消納。

目前，國內(nèi)儲能研究更多關(guān)注在控制策略和優(yōu)化運(yùn)行方面。文獻(xiàn)[4]提出電化學(xué)儲能在保底變電站中的接入方式和配置方案，并提出相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了保底變電站并離網(wǎng)的無縫平滑切換。文獻(xiàn)[5]提出利用儲能降低電網(wǎng)網(wǎng)損的方法，并未給出儲能的配置規(guī)模原則。文獻(xiàn)[6]綜合考慮平滑風(fēng)電出力、提高預(yù)測精度和參與輔助服務(wù)市場等方面因素，提出一種風(fēng)電配置儲能的評價模型，給出最優(yōu)的儲能配置比例，可為分布式光伏提供參考，但暫未分析其在調(diào)峰、調(diào)壓方面的作用。文獻(xiàn)[7]提出一種基于粒子群算法的多電源配電網(wǎng)儲能功率配置方法，有效降低了網(wǎng)損，但并未研究儲能配置規(guī)模對調(diào)峰、調(diào)壓等的影響。文獻(xiàn)[8]提出一種基于多主體投資多微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，主要考慮微電網(wǎng)投資成本、延緩配電網(wǎng)升級及購售電收益等問題，并未深入探討調(diào)峰調(diào)壓等問題。文獻(xiàn)[9]提出一種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)加入儲能裝置進(jìn)行調(diào)峰控制的策略，但僅限于設(shè)備層面的控制，并未探究配置的有關(guān)問題。文獻(xiàn)[10-12]重點(diǎn)研究用戶側(cè)儲能配置及優(yōu)化運(yùn)行決策方法，并未考慮電網(wǎng)的承載能力和調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[13]在對基于激勵的需求響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對用戶側(cè)儲能參與需求響應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化分析，但僅分析了參與需求響應(yīng)的盈利模式，并未綜合考慮儲能成本的影響。文獻(xiàn)[14]提出一種提升區(qū)域電壓穩(wěn)定性的分布式儲能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，有效提升了區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行水平，但其未涉及配電網(wǎng)彈性調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[15]重點(diǎn)研究低壓分布式電源（含儲能）未來的發(fā)展模式，探討了低壓柔性互聯(lián)技術(shù)及其典型應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]以微電網(wǎng)總運(yùn)行成本最小為目的，建立考慮儲能電池老化及荷電狀態(tài)初始值等兩種運(yùn)行特性的優(yōu)化運(yùn)行模型，但未考慮儲能對系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)壓的影響?？梢?，目前關(guān)于儲能配置方法及其對配電網(wǎng)投資、調(diào)峰調(diào)壓影響的綜合研究較少。為適應(yīng)整縣分布式光伏接入給配電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)，需探索“分布式光伏+儲能”配置模式，為提升分布式光伏消納、電網(wǎng)改造及調(diào)節(jié)能力建設(shè)等提供參考。

本文通過深入分析整縣分布式光伏儲能配置的電網(wǎng)改造敏感性、調(diào)峰敏感性和調(diào)壓敏感性，給出整縣分布式光伏背景下的儲能配置模式，并基于儲能配置模式提出一種儲能規(guī)模測算分析方法，以期為整縣分布式光伏規(guī)劃、運(yùn)行控制等提供參考。

1 整縣分布式光伏儲能配置模式分析

本文中整縣分布式光伏都按接入中低壓配電網(wǎng)考慮，即整縣分布式光伏都接入10kV及以下配電網(wǎng)。結(jié)合目前國內(nèi)儲能站址及投資建設(shè)實(shí)際情況，整縣分布式光伏儲能配置有兩種模式，即在變電站集中式建設(shè)和在分布式光伏側(cè)分散式建設(shè)。由此，下面主要以集中式模式和分散式模式進(jìn)行對比研究。另外，由于整縣分布式光伏規(guī)劃以縣域電網(wǎng)為整體進(jìn)行，因此本文中的承載能力分析以縣域電網(wǎng)為主，針對臺區(qū)、線路或變電站的分析方法與之類似。

1.1 電網(wǎng)改造敏感性分析

分散式儲能配置是指將儲能配置在臺區(qū)或中壓線路。不配置儲能時臺區(qū)承載能力為

式中：DCC為臺區(qū)超承載能力；DG-PDCC為臺區(qū)下分布式光伏最大出力；DN為臺區(qū)額定容量；LoadDCC為典型日光伏出力最大時臺區(qū)負(fù)荷功率，可用式（2）近似計(jì)算；LoadDCC,max為典型日臺區(qū)最大負(fù)荷功率。

不配置儲能時中壓配電線路承載能力為

式中：LCC為中壓線路超承載能力；DG-PLCC為中壓配電線路下分布式光伏最大出力；LN為線路最大承載量；LCN為線路的傳輸容量，與線徑、導(dǎo)線材料及線路的電壓等級有關(guān)；LoadLN,max為典型日中壓配電線路最大負(fù)荷功率。

若分別在臺區(qū)、中壓線路配置儲能，則臺區(qū)、中壓線路超承載能力為

（6）

對比式（1）、式（3）和式（5）、式（6）可知，在規(guī)劃分布式光伏容量不變的情況下，通過配置儲能，可以減少臺區(qū)、中壓線路的超承載能力規(guī)模，減小電網(wǎng)擴(kuò)容改造的規(guī)模。

集中式儲能配置是指在35kV或110kV變電站進(jìn)行儲能配置。若不配置儲能，變電站超承載能力為

式中：TCC為變電站超承載能力；DG-PTCC為變電站下分布式光伏最大出力；TN為主變額定容量；LoadTCC為典型日光伏出力最大時變電站負(fù)荷功率。

若配置儲能，變電站超承載能力為

對比式（7）和式（8）可知，通過配置儲能，可以減少變電站超承載能力規(guī)模，從而減小電網(wǎng)改造的規(guī)模。但若在變電站集中配置儲能，無法緩解或消除中壓配電線路和臺區(qū)超承載能力的問題。

1.2 調(diào)壓敏感性分析

分布式光伏大量接入配電網(wǎng)會導(dǎo)致電壓越限的問題，參照文獻(xiàn)[17-18]通過配置儲能來改善臺區(qū)、中壓配電線路電壓越限問題的思路，本文主要考慮因分布式光伏大規(guī)模反送引起的過電壓問題。以最惡劣情況考慮，即分布式光伏全部上網(wǎng)，若分布式光伏輸出有功功率、無功功率分別為DG、DG，分布式光伏出口電壓為DG，按照經(jīng)典的電壓變化公式，則并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化D為

式中，、分別為分布式光伏發(fā)電端至并網(wǎng)點(diǎn)的線路電阻、電抗。

當(dāng)分布式光伏接入后，配電網(wǎng)由單端網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)，潮流可能會因此出現(xiàn)頻繁換向，白天光伏出力較大時個別線路會出現(xiàn)電壓升高甚至越限，晚上負(fù)荷較大時又會導(dǎo)致電壓降落明顯。當(dāng)配置儲能后，在白天光伏出力較大而負(fù)荷較小時，儲能裝置進(jìn)行充電，則分布式光伏反送引起的電壓變化可表示為

式中，CN、CN分別為儲能裝置輸出的有功功率、無功功率。

從式（10）可以看出，儲能有助于抑制電壓越限問題。同時，在晚上負(fù)荷較大時，通過儲能裝置就地釋放功率，可消除或減輕配電網(wǎng)線路、臺區(qū)存在的低電壓問題。

1.3 調(diào)峰敏感性分析

本文中，分散式儲能配置主要以解決超10kV線路承載能力或分布式光伏就地消納問題為主，35kV或110kV集中式儲能配置以解決超主變額定容量問題為主。以此為邊界條件的儲能配置規(guī)模，在同等分布式光伏裝機(jī)規(guī)模和配置比例下，分散式配置規(guī)模裝機(jī)較集中式配置規(guī)模大，更有助于緩解電網(wǎng)調(diào)峰矛盾。若分散式儲能配置規(guī)模和集中式儲能配置規(guī)模比例都以分布式光伏裝機(jī)為準(zhǔn)，則35kV和110kV變電站集中配置儲能與10kV及以下光伏分散式配置儲能的調(diào)峰效果相當(dāng)。

綜上所述，在同等規(guī)模的分布式光伏裝機(jī)容量下，分散式儲能配置有助于降低臺區(qū)、中壓配電線路和變電站改造規(guī)模，而集中式儲能配置僅可減低變電站改造規(guī)模；分散式儲能配置有利于改善臺區(qū)、中壓配電線路電壓質(zhì)量；分散式儲能配置更有助于緩解調(diào)峰矛盾。因此，建議將儲能配置于分布式光伏側(cè)，與分布式光伏打包一體化并網(wǎng)。

2 儲能規(guī)模測算方法

根據(jù)縣域電網(wǎng)負(fù)荷水平和規(guī)劃整縣分布式光伏容量不同，配置儲能的主要目的也不盡相同。若規(guī)劃分布式光伏規(guī)模巨大，則配置儲能的主要作用在于緩解因分布式光伏反送引起的電網(wǎng)超承載能力問題，同步減輕電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)壓壓力。若規(guī)劃分布式光伏容量略高于當(dāng)?shù)刈畲筘?fù)荷，則配置儲能的主要作用在于促進(jìn)分布式光伏就地消納，同時減輕電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)壓壓力。從技術(shù)和政策落地角度來講，建議分布式配套儲能規(guī)模測算應(yīng)以縣域電網(wǎng)為主體進(jìn)行，綜合考慮就地消納、調(diào)峰、調(diào)壓及電網(wǎng)改造的經(jīng)濟(jì)性，儲能配置最小規(guī)模為

其中

3 算例分析

本文以甘肅省某縣整縣分布式光伏建設(shè)為例進(jìn)行對比分析。該縣農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷與分布式光伏規(guī)劃容量基本概況見表1（由于城區(qū)分布式光伏暫無詳盡規(guī)劃，暫不納入計(jì)算）。

表1 基本概況

在分散式配置儲能時，對該縣農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行儲能規(guī)模測算，對30條10kV線路進(jìn)行電力平衡分析，分析結(jié)果見表2。表2中，負(fù)荷功率為光伏出力最大時的負(fù)荷功率，負(fù)值表示在現(xiàn)有分布式光伏裝機(jī)條件下已出現(xiàn)反送電，正值表示未出現(xiàn)反送電。

表2 10kV各線路電力平衡分析結(jié)果

（續(xù)表2）

從該縣30條10kV線路電力平衡分析結(jié)果可知，有12條線路需配置儲能。這12條線路中規(guī)劃分布式光伏總量為53.261MW。分別按規(guī)劃光伏容量的10%、20%、30%及不超過線路承載能力進(jìn)行儲能配置計(jì)算，12條10kV線路儲能配置分析見表3。

結(jié)合表2和表3可知，如果進(jìn)行分散式儲能配置，當(dāng)儲能按照光伏規(guī)劃總量的10%配置時，儲能配置量為5.325MW，需對11條超承載能力線路進(jìn)行擴(kuò)容改造；當(dāng)儲能按照光伏規(guī)劃總量的20%配置時，儲能配置量為10.650MW，需對11條超承載能力線路進(jìn)行擴(kuò)容改造；當(dāng)儲能按照光伏規(guī)劃總量的30%配置時，儲能配置量為16.275MW，需對7條超承載能力線路進(jìn)行擴(kuò)容改造；若按照反送容量不超過線路承載能力進(jìn)行儲能配置，則需配置儲能量為19.405MW，此時不需對線路進(jìn)行改造。

表3 12條10kV線路儲能配置分析

對于集中式儲能配置，當(dāng)10kV線路未改造時，分布式光伏可能會因線路容量限制不能全部反送到35kV電網(wǎng)側(cè)；如果10kV線路已完成擴(kuò)容改造，則接在10kV側(cè)的分布式光伏按可反送至網(wǎng)側(cè)最大功率考慮，因此對于集中式儲能配置的計(jì)算分為10kV線路未改造和10kV線路完成改造進(jìn)行。

若10kV線路未改造，在35kV側(cè)各主變電力平衡分析見表4。

表4 35kV各主變電力平衡分析（10kV線路未改造）

若10kV線路已完成改造，在35kV側(cè)各主變電力平衡分析見表5。

表5 35kV各主變電力平衡分析（10kV線路已改造）

因此，如果進(jìn)行集中式儲能配置，當(dāng)不對10kV線路進(jìn)行改造時，10kV線路能接入的光伏總量為44.125MW，由表4可知，只有35kV變電站1超過主變?nèi)萘浚魞δ馨凑湛山尤牍夥康?0%、20%、30%配置，可得配置規(guī)模分別為0.985MW、1.970MW、2.955MW，在上述儲能配置下仍需對35kV變電站1進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)容量分別為4.635MW、3.650MW、2.665MW。若不對主變進(jìn)行擴(kuò)容，需配置儲能5.620MW。

當(dāng)已完成10kV線路的改造時，10kV線路能接入的光伏總量為64.175MW，由表5可知，35kV變電站1和變電站4超過主變?nèi)萘浚魞δ馨凑展夥?guī)劃量的10%、20%、30%配置，可得配置規(guī)模分別為2.622MW、5.244MW、7.866MW，在上述儲能配置下變電站4不再超出主變?nèi)萘浚冸娬?仍超過主變?nèi)萘?，若不對變電?和變電站4擴(kuò)容，共需配置儲能8.178MW。綜上所述，集中式儲能配置與改造規(guī)模見表6，表6中35kV改造規(guī)模測算中以功率因數(shù)為1計(jì)算。

表6 集中式儲能配置與改造規(guī)模

從表3可知，若中壓配電線路或臺區(qū)側(cè)分散式配置儲能，則10kV超承載能力電網(wǎng)改造規(guī)模大幅減少。若按照不超過線路承載能力進(jìn)行分散式儲能配置，配置量達(dá)到19.405MW，且配置儲能后，10kV線路反送電量均不會超過7座35kV變電站，即不需再對35kV變電站進(jìn)行儲能配置。從表6可以看出，若不在10kV側(cè)進(jìn)行儲能配置，則需對35kV主變進(jìn)行儲能配置，并且為保證規(guī)劃分布式光伏全部接入，仍需對10kV線路進(jìn)行擴(kuò)容改造，改造規(guī)模為19.405MW，此時35kV變電站需配置儲能量達(dá)到8.178MW，改造與儲能配置總量達(dá)到27.583MW。由此可得，若中壓配電線路及臺區(qū)側(cè)配置儲能，則反送至35kV分布式光伏規(guī)模有所下降，降低了變電站改造或配置儲能規(guī)模。

分布式光伏接入中壓配電線路結(jié)構(gòu)及并網(wǎng)方式具有相似性，本文選擇該縣域變電站接入分布式光伏電站容量最大的35kV變電站1的114線進(jìn)行電壓校核計(jì)算分析。小負(fù)荷方式下反送的電站出力更多，電壓升高更明顯，因此選擇典型日早06:00至晚08:00之間小負(fù)荷方式進(jìn)行計(jì)算，其接入容量較大的A并網(wǎng)點(diǎn)電壓計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 分布式光伏電站接入點(diǎn)10kV側(cè)電壓計(jì)算結(jié)果

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，小負(fù)荷方式下，按擬并網(wǎng)容量計(jì)算時，A分布式光伏電站接入以后，引起10kV線路電壓升高較多，采用分散式和集中式兩種儲能配置方式進(jìn)行調(diào)壓，從結(jié)果可以看出，分散式儲能對于小負(fù)荷時電壓越限問題調(diào)節(jié)作用明顯，集中式儲能調(diào)節(jié)作用不明顯。但由于裝機(jī)規(guī)模過大，電壓未控制在越限范圍之內(nèi)，需要控制裝機(jī)規(guī)模和配置儲能兩種措施并舉，保證電壓在合格范圍以內(nèi)。

此外，若以規(guī)劃分布式光伏裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行儲能配置，則集中式和分散式配置儲能后對電網(wǎng)調(diào)峰效果的影響相當(dāng)。由表3與表5、表6的分析可知，集中式配置儲能在10kV線路未改造和完成改造條件下，同等配置比例時的儲能規(guī)模均小于分散式配置，因此分散式配置更有助于緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

4 結(jié)論

本文針對整縣分布式光伏的儲能配置問題，通過電網(wǎng)改造、調(diào)峰、調(diào)壓敏感性分析，給出了儲能配置模式建議。同時，在考慮分布式光伏不反送、全額消納的基礎(chǔ)上，給出了相應(yīng)的儲能規(guī)模配置測算方法。最后，通過算例驗(yàn)證分析了配置模式及規(guī)模測算的有效性，本文研究結(jié)果可為整縣分布式光伏規(guī)劃、儲能配比要求等提供有益參考。但本文研究主要基于網(wǎng)源協(xié)調(diào)思路展開，即實(shí)現(xiàn)整縣分布式光伏發(fā)展與電網(wǎng)發(fā)展相協(xié)調(diào)，在儲能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性方面暫未深入，后續(xù)將結(jié)合分布式光伏應(yīng)用場景進(jìn)一步深入研究。

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County-wide distributed photovoltaic energy storage configuration method to improve the carrying capacity and regulation capacity of distribution network

ZHANG Guangru1REN Haodong1MA Zhenqi1WANG Xuebin2CHEN Jie1

(1. State Grid Gansu Electric Power Research Institution, Lanzhou 730070; 2. State Grid Lanzhou Electric Power Company, Lanzhou 730030)

To solve the increasing gird investment, difficulties in peak load regulation and gird voltage regulation caused by distributed photovoltaic (DPV) construction in county, an energy storage allocation strategy that comprehensively considers the consumption and grid regulation capacity is proposed based on the planned distributed photovoltaic installed capacity and the load matching degree. The proposed method solves the problem of overload capacity of distribution gird. On the other hand, it relieves the pressure of peak load regulation and suppresses the overvoltage caused by power flow reversal. Finally, the validity of the method is verified through a case, which provides reference for the DPV planning of the county and the adjustment capacity building of the active distribution gird.

county-wide distributed photovoltaic; grid carrying capacity; peak load regulation; grid voltage regulation

2022-02-17

2022-07-04

張光儒（1989—），男，漢族，甘肅武威人，碩士，主要從事主動配電網(wǎng)和新能源調(diào)度、運(yùn)行控制技術(shù)研究工作。