雙碳背景下配電網(wǎng)對(duì)多元接入體的承載能力評(píng)估

［關(guān)鍵詞］配電網(wǎng)；多元接入體；新能源

1 概述

隨著中國設(shè)定了“2030年碳排放達(dá)到頂峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的宏偉目標(biāo)，可再生能源如風(fēng)能和太陽能正逐漸成為中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的核心。分布式能源資源指分布在配電網(wǎng)中的各種小型發(fā)電裝置和儲(chǔ)能解決方案，能夠獨(dú)立或者集體地對(duì)電網(wǎng)提供能量支持和需求側(cè)響應(yīng)。伴隨著風(fēng)電機(jī)組、電動(dòng)車充電設(shè)施和微型水電站等多樣化的能源接入點(diǎn)的融入，配電網(wǎng)的運(yùn)營模式將面臨重大挑戰(zhàn)。因此，深入分析這些接入點(diǎn)的特性，并對(duì)配電網(wǎng)的承載能力進(jìn)行細(xì)致研究，對(duì)于確保這些能源接入點(diǎn)順利并入電網(wǎng)具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

在具有確定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和負(fù)載特性的配電網(wǎng)中，多元接入體的接入能夠在長期內(nèi)與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，這取決于配電網(wǎng)的容量限制和功率平衡條件。將接入體的接入量視為配電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的承載能力，對(duì)這種承載能力進(jìn)行深入分析和評(píng)估，有助于提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率。了解配電網(wǎng)的負(fù)載承載能力后，可更高效地進(jìn)行電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，合理分配電力資源。文獻(xiàn)[1]探討了分布式電源接入配電網(wǎng)的影響，并建立了節(jié)點(diǎn)電壓安全約束，提出了計(jì)算分布式電源最大承載容量的模型，為配電網(wǎng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[2]深入分析了小型綠色發(fā)電站的承載特性及其對(duì)電網(wǎng)的影響，通過電壓和支路載流量來確定滲透率的上限。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了一套評(píng)估配電網(wǎng)對(duì)新型負(fù)載承載能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并通過決策算法對(duì)承載能力進(jìn)行量化評(píng)分。然而，現(xiàn)有研究多集中于單一類型的接入體，而實(shí)際應(yīng)用中通常涉及多種類型的接入體組合接入配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)多種接入體的組合接入情況進(jìn)行了分析，引入了分布式發(fā)電集群的概念，并基于集群特性、實(shí)用性和能源使用情況構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)體系。

上述研究以接入體對(duì)電網(wǎng)的影響為分析指標(biāo)，如電壓、電流水平、可靠性和承載能力等，但這些指標(biāo)并不足以全面評(píng)估接入體對(duì)配電網(wǎng)的綜合影響。因此，對(duì)多元接入體的配電網(wǎng)承載能力進(jìn)行全面分析和研究顯得尤為重要。

影響配電網(wǎng)對(duì)分布式發(fā)電（DG）承載能力的因素眾多。文獻(xiàn)[5]從電流和電壓畸變的角度出發(fā)，深入探討了配電網(wǎng)中饋線對(duì)DG負(fù)載能力的制約，并在隨機(jī)運(yùn)行條件下對(duì)DG的滲透率進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[6]則綜合考慮了節(jié)點(diǎn)電壓、電流水平、短路電壓水平以及系統(tǒng)控制能力等因素，分析了它們對(duì)配電網(wǎng)負(fù)載容量的具體影響，并提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的配電網(wǎng)承載容量預(yù)測方法。盡管如此，該研究僅關(guān)注了在安全約束下的配電網(wǎng)承載能力，未能充分考慮接入體之間相互作用對(duì)整體容量的影響。文獻(xiàn)[7]專注于分析分布式光伏發(fā)電站的輸出與負(fù)荷之間的關(guān)系，并采用退火算法來確定配電網(wǎng)對(duì)光伏電源的承載容量。然而，這種方法在面對(duì)包含多種分布式電源類型的復(fù)雜場景時(shí)，其適用性受到了限制。因此，為了更準(zhǔn)確地評(píng)估配電網(wǎng)的承載能力，需要綜合考慮各種因素，包括接入體之間的相互影響，并發(fā)展適用于多樣化分布式電源的評(píng)估方法。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要探討了分布式能源資源（DER）對(duì)配電網(wǎng)的影響，而對(duì)配電網(wǎng)對(duì)多元接入體承載能力影響因素的研究相對(duì)較少。在配電網(wǎng)的固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，接入體的特性直接影響著電網(wǎng)的負(fù)載承載能力。因此，對(duì)接入體特性的深入分析和基于其特性的分類研究，對(duì)于全面把握配電網(wǎng)的承載能力極為關(guān)鍵。這有助于更精確地評(píng)價(jià)和提升配電網(wǎng)對(duì)多元接入體的支持和承載能力。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，文章從多元接入體之間的相互作用視角，對(duì)配電網(wǎng)的承載能力進(jìn)行了細(xì)致評(píng)估。在明確配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，構(gòu)建了模型來描述接入體的特性，并對(duì)接入體進(jìn)行了分類。并提出了一個(gè)綜合考慮了接入體能量交互特性和配電網(wǎng)承載潛力的評(píng)估模型，為配電網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和管理提供了新的視角。

2 多元接入體模型

多元接入體如傳統(tǒng)電阻性負(fù)載、分散式發(fā)電資源、能量儲(chǔ)存單元和調(diào)節(jié)性負(fù)載等，可根據(jù)其控制靈活性、本質(zhì)屬性和能量交換模式進(jìn)行區(qū)分。在控制層面，可以被歸類為完全可調(diào)、部分可調(diào)和不可調(diào)3種類型。從能量流動(dòng)的角度，接入體分為僅消耗能量、僅提供能量以及能夠進(jìn)行雙向能量交換的類別。傳統(tǒng)負(fù)載屬于單向能量消費(fèi)者，依賴于不間斷的電力供給；分布式發(fā)電資源則是單向能量提供者，旨在確保其產(chǎn)生的電能被電網(wǎng)有效使用；而儲(chǔ)能系統(tǒng)和可調(diào)節(jié)負(fù)載屬于雙向能量交互者，通過精確控制能量的流入和流出，以提高能源效率。

盡管接入體和配電網(wǎng)之間的互動(dòng)看似獨(dú)立，但接入體彼此之間實(shí)際上存在著緊密的聯(lián)系。當(dāng)接入體以不同的方式進(jìn)行能量交換時(shí)，其之間的能量可以有效地相互補(bǔ)充。例如，供電型接入體會(huì)向系統(tǒng)提供能量，而取能型接入體則從系統(tǒng)中提取能量。這種能量交換可以通過接入體的特性曲線來描述。為了評(píng)價(jià)接入體之間能量交互的密切程度，可以通過比較它們特性曲線的相似度來進(jìn)行。高相似度的特性曲線意味著更深層次的交互。然而，傳統(tǒng)的相似度測量方法通常只關(guān)注曲線的形狀或距離，忽略了曲線趨勢(shì)的變化。鑒于此，文獻(xiàn)[8]，結(jié)合距離和趨勢(shì)兩個(gè)維度，提出了一種新的曲線相似度測量指標(biāo)。這種方法能夠更全面地反映接入體特性曲線之間的相似性。

3 負(fù)載能力評(píng)估

系統(tǒng)的負(fù)載承載能力隨接入體之間特性曲線的相似性提高而增強(qiáng)。在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，增加接入體數(shù)量會(huì)因特性曲線的不穩(wěn)定性導(dǎo)致相似度變化。如果接入體數(shù)量增加過多，可能會(huì)破壞原有的穩(wěn)定狀態(tài)，使得接入體間的特性曲線相似性降低。在這種情況下，繼續(xù)增加接入體將導(dǎo)致相似度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

為了深入評(píng)估配電網(wǎng)的負(fù)載承載能力，考慮了接入體間的相互作用，并提出了一個(gè)分兩階段的承載容量分析模型。在第一階段，模型的目標(biāo)是最大化接入體的總體相似度。在此階段，模型的設(shè)計(jì)和應(yīng)用專注于對(duì)負(fù)荷因素的深入分析和優(yōu)化，這是為了確保配電網(wǎng)中的各個(gè)接入體能夠更加協(xié)調(diào)一致地運(yùn)作。模型的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)接入體之間特性曲線的最高相似度，這涉及對(duì)接入體的能源需求、供應(yīng)模式以及響應(yīng)特性進(jìn)行細(xì)致的匹配和調(diào)整。

進(jìn)入第二階段，模型旨在最大化能源容量，從而確定配電網(wǎng)的潛在最大承載能力。在本階段，模型的優(yōu)化目標(biāo)聚焦于最大化能源容量，這是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高效運(yùn)行和滿足未來能源需求的關(guān)鍵。能源容量的最大化意味著在配電網(wǎng)中充分利用所有可用的能源資源，包括發(fā)電、儲(chǔ)能以及需求側(cè)管理等各個(gè)方面，以確保電網(wǎng)在任何時(shí)候都能夠提供足夠的電力來滿足用戶的需要。

4 仿真

為模擬多元接入體對(duì)配電網(wǎng)影響的研究，設(shè)計(jì)了多種接入組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以評(píng)估配電網(wǎng)的承載能力。這些接入模式包括5種不同的配置：模式1中，僅有風(fēng)電接入；模式2中，僅接入光伏；模式3中，將風(fēng)電與儲(chǔ)能聯(lián)合接入；模式4中，將光伏與儲(chǔ)能聯(lián)合接入；模式5中，將光伏、儲(chǔ)能以及可調(diào)節(jié)負(fù)荷的組合接入。承載能力評(píng)估結(jié)果見表1。

在第一階段，模式3通過整合儲(chǔ)能系統(tǒng)，使風(fēng)電接入量比模式1提高7%，增強(qiáng)了配電網(wǎng)承載能力。模式4通過儲(chǔ)能介入，將光伏接入量比模式2提升了23%。模式5引入可調(diào)節(jié)負(fù)荷，使光伏接入量比模式2提升了10%，并優(yōu)化了能源供需特性，提高了能源利用效率。接入體多樣化特性相互作用，提升了配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性和對(duì)新能源的適應(yīng)能力。

對(duì)比分析模式2、模式4、模式5接入體特性。模式2中，光伏和負(fù)荷不可控，系統(tǒng)相似度平均0.38。模式4引入可控儲(chǔ)能，相似度提升至0.58，顯示儲(chǔ)能通過充放電策略促進(jìn)光伏與負(fù)荷匹配。模式5考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷，相似度增至0.6，反映更高供需匹配和能量平衡。對(duì)比3種模式，隨可控接入體增加，系統(tǒng)供需調(diào)配更有效，配電網(wǎng)承載能力增強(qiáng)，結(jié)果如圖1所示。

綜合分析兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)，評(píng)估了光伏作為能源供應(yīng)接入配電網(wǎng)的3種不同模式。如圖1展示的功率變化趨勢(shì)所示，隨著接入體數(shù)量的增長，系統(tǒng)的相似度和光伏承載能力經(jīng)歷了變化。在模式2中，相似度略微下降了5%，光伏的最大承載能力達(dá)到了8MW，相應(yīng)的消納量為29MWh。對(duì)于模式4，第二階段的相似度相比第一階段降低了10%，而光伏的承載能力提升至13MW，消納量也增至46MWh。在模式5中，隨著更多接入體的參與，第二階段的相似度同樣下降了10%，光伏的承載能力小幅降至12MW，消納量為44MWh。與模式4相比，模式5中光伏的利用效率得到提升。試驗(yàn)揭示了隨著接入體數(shù)量的增長，配電網(wǎng)的相似度和光伏承載能力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，并在某個(gè)點(diǎn)達(dá)到峰值。這一趨勢(shì)與特性相似度和承載能力之間關(guān)系的分析一致，驗(yàn)證了研究方法的有效性，并為配電網(wǎng)的優(yōu)化提供了重要見解。

5 結(jié)束語

文章應(yīng)用相似性理論，優(yōu)化接入體與負(fù)荷匹配，提高供需平衡效率。結(jié)果表明，可控型接入體增強(qiáng)了系統(tǒng)承載能力，支持配電網(wǎng)穩(wěn)定和能源優(yōu)化。提出的雙階段模型考慮相似度和新能源消納，揭示能量交互深度，避免資源浪費(fèi)，提升運(yùn)行效率，促進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型。未來研究可進(jìn)一步評(píng)估配電網(wǎng)場景，識(shí)別關(guān)鍵因素，探索提升承載能力策略。