基于分布式光伏接入的配電網(wǎng)消納能力評(píng)估方法研究

［摘 要］近年來(lái)，分布式光伏并網(wǎng)的容量迅猛增長(zhǎng)，多地出現(xiàn)消納預(yù)警，即配電網(wǎng)無(wú)法消納過(guò)多的光伏發(fā)電。為了配合南方電網(wǎng)公司，以分布式電源“應(yīng)并盡并、全額消納”為目標(biāo)，分析了常見(jiàn)的3 種新能源消納能力評(píng)估方法，為供電部門(mén)規(guī)劃人員針對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)指標(biāo)參數(shù)，快速判斷該地區(qū)消納情況提供理論支持。

［關(guān)鍵詞］分布式光伏；評(píng)估方法；指標(biāo)參數(shù)；電網(wǎng)規(guī)劃

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM615 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0047–03

隨著大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)上以單點(diǎn)供能為主的輻射型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正向多點(diǎn)互補(bǔ)的供電模式轉(zhuǎn)變。分布式光伏的發(fā)電量受天氣影響大，出力波動(dòng)性與用電需求的不確定性并存，會(huì)導(dǎo)致分布式光伏余電上網(wǎng)，導(dǎo)致線(xiàn)路末端電壓偏高、電能質(zhì)量不合格等一系列問(wèn)題。

深入研究分布式光伏接入配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，提出一種便于評(píng)估分布式光伏高滲透率下的配電網(wǎng)的消納情況，不僅是理論研究的重要方向，也具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于配電線(xiàn)路拓?fù)涞碾姶艜簯B(tài)仿真建模方法

1.1 基本原理

目前常見(jiàn)電磁暫態(tài)仿真軟件主要包括PSCAD/EMTDC、PSS/E、ETAP、MATPOWER、PSSE、ATP–EMTP 等。這些軟件各有特點(diǎn)，適用于不同的電力系統(tǒng)仿真需求。

電磁暫態(tài)仿真主要流程為：對(duì)配電線(xiàn)路進(jìn)行詳細(xì)建?！O(shè)置仿真參數(shù)，包括設(shè)置仿真的起始和結(jié)束時(shí)間、步長(zhǎng)等基本參數(shù)→定義故障和操作，根據(jù)仿真目的，定義系統(tǒng)中的故障和操作，如線(xiàn)路短路、開(kāi)關(guān)操作等→進(jìn)行仿真。

1.2 基本參數(shù)需求

電磁暫態(tài)仿真建模需收集電網(wǎng)一次接線(xiàn)圖、變電站等值阻抗圖、主干及分支線(xiàn)容量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，需獲取發(fā)電機(jī)、變壓器、線(xiàn)路及負(fù)荷的技術(shù)參數(shù)，以及配電網(wǎng)的調(diào)度策略和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.3 計(jì)算精度及適用范圍

電磁暫態(tài)仿真通過(guò)精確的模型和算法來(lái)模擬電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為，其計(jì)算精度主要受到模型準(zhǔn)確性、數(shù)值方法、時(shí)間步長(zhǎng)及數(shù)據(jù)精度等因素的影響。電磁暫態(tài)仿真可準(zhǔn)確模擬分布式電源、儲(chǔ)能及電力電子裝置的復(fù)雜動(dòng)靜態(tài)特性，獲取經(jīng)電力電子變流器并網(wǎng)的分布式電源不同故障特性的準(zhǔn)確的故障電流與電壓特征，但輸入的數(shù)據(jù)量龐大，電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集和處理難度較大。

2 基于配電線(xiàn)路特征參數(shù)的簡(jiǎn)化潮流計(jì)算方法

2.1 基本原理

在常見(jiàn)的潮流計(jì)算方法中，考慮到前推回代法的迭代次數(shù)通常較少，收斂速度快，且易于實(shí)現(xiàn)和理解，因此選取前推回代法。前推回代法通過(guò)兩次順序過(guò)程“前推”與“回代”來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中的電壓和功率分布，是實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速評(píng)估配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的理想工具。

2.2 基本參數(shù)需求

前推回代法的基本參數(shù)需求包括以下方面：①明確配電網(wǎng)的一次接線(xiàn)，包括線(xiàn)路、變壓器特性及連接方式。②收集線(xiàn)路規(guī)格型號(hào)，計(jì)算電阻、電抗、電納參數(shù)，界定各節(jié)點(diǎn)角色。③明確分布式光伏的接入的初始電壓假設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件，前推階段依電源至負(fù)荷方向估算電壓降落，回代階段則反之，計(jì)算電流及必要功率調(diào)整，直至全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率平衡與電壓穩(wěn)定。通過(guò)迭代以上步驟，前推回代法能有效進(jìn)行輻射型配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)分析，確保計(jì)算高效且資源需求低2.3 計(jì)算精度及適用范圍。前推回代法適用于具有明確功率注入點(diǎn)和負(fù)荷消耗點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為清晰的配電網(wǎng)系統(tǒng)。其在實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障快速定位及簡(jiǎn)單配電網(wǎng)絡(luò)的日常管理中展現(xiàn)出良好的實(shí)用價(jià)值。但對(duì)于包含大量閉環(huán)或復(fù)雜互聯(lián)系統(tǒng)的高壓輸電網(wǎng)，由于這些網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間耦合緊密，相互影響大，前推回代法可能需要配合其他高級(jí)算法或進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以提高計(jì)算精度和處理能力。

3 基于整體配電網(wǎng)指標(biāo)參數(shù)的估算方法

3.1 基本原理

在供電部門(mén)，日常運(yùn)行數(shù)據(jù)一般為主干線(xiàn)長(zhǎng)度、規(guī)格型號(hào)、供電半徑、接線(xiàn)模式、線(xiàn)路裝接配變總?cè)萘?、臺(tái)數(shù)、負(fù)載情況等指標(biāo)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)每年滾動(dòng)更新，成本供電部門(mén)日常接觸到的最基本、最廣泛的數(shù)據(jù)。

基于整體配電網(wǎng)的指標(biāo)參數(shù)的估算方法主要校核其線(xiàn)路變壓器總?cè)萘?、輸電線(xiàn)路線(xiàn)徑、分布式光伏接入位置，并根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置約束條件，通過(guò)約束條件計(jì)算消納容量。其中，變壓器和線(xiàn)路的約束可以通過(guò)供電部門(mén)直接導(dǎo)出的運(yùn)行臺(tái)賬查出，電壓、電流的約束可以通過(guò)負(fù)荷變化、線(xiàn)路規(guī)格計(jì)算。

3.2 基本參數(shù)需求

（1）熱穩(wěn)定校核。根據(jù)DL/T 2041—2019《分布式電源接入電網(wǎng)承載力評(píng)估導(dǎo)則》的規(guī)范要求，本項(xiàng)目熱穩(wěn)定評(píng)估以電網(wǎng)輸變電設(shè)備熱穩(wěn)定不越限為原則。反向負(fù)載率指的是從低電壓等級(jí)向高電壓等級(jí)電網(wǎng)輸送的功率與該輸變電設(shè)備運(yùn)行限值的比值。

反向負(fù)載率的計(jì)算公式如下。

式中，Pd為分布式光伏最大功率；Pl為同時(shí)刻負(fù)荷（一般情況選取7—8月用電高峰期），即剩余無(wú)法消納的出力；Pe為變壓器或線(xiàn)路的運(yùn)行限制（一般按80%計(jì)算）。熱穩(wěn)定計(jì)算取評(píng)估周期最大值為評(píng)估指標(biāo)λmax。

（2）短路電流。短路電流的目的是評(píng)估設(shè)備選型的重要依據(jù)。短路電流應(yīng)按式（2）校核。

Ixzlt;Im （ 2）

式中，Ixz為配電網(wǎng)饋線(xiàn)短路電流，Im為允許的設(shè)備短路電流限值。為了使設(shè)備能正常遮斷短路電流，應(yīng)取饋線(xiàn)和饋線(xiàn)設(shè)備終開(kāi)斷電流的最小值。目前中壓配電網(wǎng)中，短路電流限制一般在25 kA。

（3）電壓偏差。電壓偏差計(jì)算公式為：

式中，um為實(shí)際電壓，un為該配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)饋線(xiàn)的額定電壓。根據(jù)電能質(zhì)量要求，中壓及低壓電壓偏差為±7%。

（4）線(xiàn)損率。新能源大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)節(jié)約電能具有直接意義，但其并網(wǎng)會(huì)改變電網(wǎng)中原有的電流分布。

中壓線(xiàn)損率的計(jì)算公式如下：

式中，Δploss%為10 kV分線(xiàn)線(xiàn)損率，K為線(xiàn)路供電量，P為線(xiàn)路售電量。

根據(jù)南方電網(wǎng)公司2020 年發(fā)布的Q/CSG1201023—2020《110 千伏及以下配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)指導(dǎo)原則》，線(xiàn)損率與供電區(qū)規(guī)劃及電壓等級(jí)相關(guān)，可根據(jù)區(qū)域具體情況設(shè)定不同的線(xiàn)損率限值。

3.3 計(jì)算精度及適用范圍

考慮了電壓不越限、熱穩(wěn)定、短路電流等約束指標(biāo)，綜合考慮滿(mǎn)足所有指標(biāo)限值要求，而且該方法無(wú)需復(fù)雜的建模及優(yōu)化求解過(guò)程，只需收集配電指標(biāo)參數(shù)即可，而這些指標(biāo)參數(shù)一般直接從運(yùn)行平臺(tái)直接導(dǎo)出，獲取簡(jiǎn)單，評(píng)估方法簡(jiǎn)單實(shí)用。

4 評(píng)估方法比較與分析

以佛山順德區(qū)某中壓配電網(wǎng)線(xiàn)路為例，采用PowerFactory 軟件對(duì)上述3 種評(píng)估方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 算例說(shuō)明

佛山順德區(qū)某中壓配電網(wǎng)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，本算例選取11、20、34 節(jié)點(diǎn)作為新能源并網(wǎng)點(diǎn)。

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，選取有40 個(gè)節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)路并編號(hào)。其中電源點(diǎn)為110 kV 變電站，上級(jí)電源為220 kV 變電站，將上級(jí)電源視作無(wú)窮大系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)1與2 為110 kV 變電站，其電壓不變，其他為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，PV 節(jié)點(diǎn)為分布式光伏節(jié)點(diǎn)。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示（表1），該系統(tǒng)首段電壓為10.46 kV，總負(fù)荷為11 000 kW+3 200 kvar，分布式光伏的年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1 100 h，線(xiàn)路最大輸送容量為8 MVA。

4.3 消納能力計(jì)算

對(duì)各個(gè)新能源接入點(diǎn)的最大接入容量進(jìn)行計(jì)算，將上面所提的消納能力計(jì)算方法分別從輸入量、計(jì)算過(guò)程、計(jì)算結(jié)果這3 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

綜合對(duì)比3 種情況來(lái)看，可得出以下結(jié)論：①基于配電線(xiàn)路拓?fù)涞碾姶艜簯B(tài)仿真建模方法適用于輸電網(wǎng)、微電網(wǎng)等復(fù)雜電網(wǎng)計(jì)算，計(jì)算精度高，但需要電網(wǎng)詳細(xì)的設(shè)備、運(yùn)行、結(jié)構(gòu)等拓?fù)鋮?shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果影響較大。②前推回代法的迭代次數(shù)通常較少，收斂速度快，且易于實(shí)現(xiàn)和理解，是實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速評(píng)估配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的理想工具；缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜的配電線(xiàn)路，計(jì)算量較大。③基于整體配電網(wǎng)的指標(biāo)參數(shù)的估算方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單，只有電壓、熱穩(wěn)定、短路電流、線(xiàn)路損4 個(gè)約束參數(shù)，缺點(diǎn)是精度較低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究結(jié)合3種常見(jiàn)的新能源消納能力評(píng)估方法，對(duì)其方法的基本原理、基本參數(shù)需求、計(jì)算精度及適用范圍分別展開(kāi)分析，選取佛山順德區(qū)某中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行新能源消納評(píng)估，并將3 種方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證指標(biāo)參數(shù)分析模型的可行性與有效性。通過(guò)比較分析出3 種評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出基于整體配電網(wǎng)指標(biāo)參數(shù)的估算方法適用于供電部門(mén)規(guī)劃人員評(píng)估該地區(qū)新能源消納效果。

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