鐘 清，余南華，孫 聞，宋旭東，柳春芳，張 晗

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司，佛山 528000；3.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源逐步枯竭，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，能源的清潔高效利用越來(lái)越受到重視。傳統(tǒng)的被動(dòng)配電網(wǎng)已不能滿足環(huán)保要求及電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量的要求。未來(lái)電網(wǎng)需要規(guī)劃設(shè)計(jì)成一種綠色、高效、可靠、智能的方式以適應(yīng)未來(lái)的技術(shù)需求，并且能滿足分布式電源尤其是可再生能源的規(guī)?；尤?。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中對(duì)可再生能源消納能力不足、一次網(wǎng)架薄弱、自動(dòng)化水平不高以及調(diào)度方式落后等問(wèn)題在主動(dòng)配電網(wǎng)中將不復(fù)存在。

主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)綠色能源有良好的兼容性，且能高效利用己有資產(chǎn)，反映出了未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。主動(dòng)配電網(wǎng)能夠組合控制各種分布式能源（DG、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能、需求側(cè)管理等），據(jù)此加大配電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力、提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)的升級(jí)改造投資，以及提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性[1]。傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源的消納模式單一，當(dāng)小容量分布式電源接入中低壓配電網(wǎng)后，因節(jié)點(diǎn)及饋線上負(fù)荷水平較低，無(wú)法通過(guò)人為或自動(dòng)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致分布式電源利用率低、并網(wǎng)點(diǎn)功率波動(dòng)頻繁、電能質(zhì)量差等各種現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源有多種消納模式，能有效避免上述問(wèn)題。

本文通過(guò)詳細(xì)分析主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源的消納模式及間歇式能源的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，為主動(dòng)配電網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源的消納

主動(dòng)配電網(wǎng)在建設(shè)時(shí)已考慮了間歇式可再生能源參與電網(wǎng)潮流分配與故障支持情況[2]。為了保證間歇式可再生能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)后電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性，需要合理配置可再生能源機(jī)組的出力。由于間歇式可再生能源要受到系統(tǒng)和分布式機(jī)組自身物理?xiàng)l件的約束，如何設(shè)計(jì)間歇式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)形式并確定間歇式能源的消納模式具有重要意義。

主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源的接入位置和接入容量多種多樣，比如將間歇式能源接入220/380 V 配電網(wǎng)、T 接接入380 V 母線、接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)后T 接接入10 kV 線路、專線接入變電站低壓側(cè)10 kV 母線等，接入容量可達(dá)60 MW。間歇式可再生能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)后電網(wǎng)的消納模式主要可歸納為3 種：點(diǎn)消納模式、線消納模式和面消納模式。

1.1 點(diǎn)消納模式

點(diǎn)消納模式的特點(diǎn)是通過(guò)復(fù)合能源協(xié)調(diào)控制，充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)緩解間歇性能源功率的波動(dòng)，一方面平滑功率輸出，另一方面提升間歇性能源的利用率，將多余的間歇性能源進(jìn)行存儲(chǔ)，由于此種消納模式不能向電網(wǎng)倒送功率，因此適用于分布率較小、滲透率較低的配電網(wǎng)，其模式如圖1所示。

1.2 線消納模式

線消納模式如圖2 所示，其特點(diǎn)是在小范圍內(nèi)對(duì)分布式發(fā)電進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，適當(dāng)情況下允許向電網(wǎng)供電，但其對(duì)分布式能源的消納有嚴(yán)格要求，要求分布式能源集中接入，適用于滲透率較大，但分布率較小且分散度較大的主動(dòng)配電網(wǎng)。目前將多種分布式能源以微網(wǎng)的方式進(jìn)行集成，通過(guò)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)分布式能源進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效消納，線消納模式是目前運(yùn)用最廣的消納模式[3]。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)點(diǎn)消納模式Fig.1 Point consumption mode of ADN

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)線消納模式Fig.2 Line consumption mode of AND

1.3 面消納模式

面消納模式是一種能兼容微網(wǎng)技術(shù)并通過(guò)靈活協(xié)調(diào)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式能源完整消納的模式。其模式如圖3 所示。

主動(dòng)配電網(wǎng)能在同一電壓等級(jí)甚至相鄰電壓等級(jí)綜合利用所有分布式能源及微網(wǎng)資源，并通過(guò)靈活的協(xié)調(diào)控制技術(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)分布式能源的完整消納。主動(dòng)配電網(wǎng)允許分布式能源發(fā)電功率潮流雙向自由流動(dòng)，相對(duì)集中控制模式而言，其接入分布式能源的半徑更廣，接入容量更大，并能利用網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)靈活控制潮流，對(duì)于分布式能源的利用率也最高，適應(yīng)于滲透率高、分布度廣、分散度不限的主動(dòng)配電網(wǎng)[4]。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

2.1 間歇式能源經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

圖3 主動(dòng)配電網(wǎng)面消納模式Fig.3 Surface consumption mode of ADN

主動(dòng)配電網(wǎng)重點(diǎn)考慮的是對(duì)間歇式能源的消納，因此計(jì)算主動(dòng)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性首先應(yīng)從主動(dòng)配電網(wǎng)中不同的間歇式能源的經(jīng)濟(jì)性算起。本文通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)等間歇式新能源的電源模型經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算，確立不同間歇式能源發(fā)電成本的目標(biāo)函數(shù)。

1）風(fēng)力發(fā)電成本計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年成本計(jì)算公式為

式中：CWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)年成本；aWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的造價(jià)，元/kW；r0為貼現(xiàn)率，%；mWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行年限；uWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，一般取5%aWT；NWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量。

2）光伏發(fā)電成本計(jì)算

年光伏電池組的總成本與光伏電池起始造價(jià)和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用有關(guān)，其計(jì)算公式為

式中：CPV為光伏電池年成本；aPV為光伏電池的造價(jià)，元/kW；mPV為光伏電池運(yùn)行年限；uPV為光伏電池年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，一般取1%aPV；NPV為光伏電池?cái)?shù)量。

3）燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣成本

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年運(yùn)行消耗的天然氣成本為

式中：Cf為燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣成本，元；χf為天然氣價(jià)格，元/m3；Vf、Vfc、Vfh分別為天然氣發(fā)電用量、發(fā)熱補(bǔ)燃量、燃?xì)鈸p耗量，m3/h；t 為燃?xì)廨啓C(jī)年利用小時(shí)數(shù)，h。

4）燃?xì)廨啓C(jī)年成本

燃?xì)廨啓C(jī)年成本為

式中：CCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)年成本，元；mCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行年限，a；aCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)的單臺(tái)造價(jià)，元/臺(tái)；aabs為溴冷機(jī)的單臺(tái)造價(jià)，元/臺(tái)；uCCHP和uabs分別為燃?xì)廨啓C(jī)和溴冷機(jī)的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元；NCCHP為燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)數(shù)，臺(tái)。

5）間歇式能源經(jīng)濟(jì)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本進(jìn)行計(jì)算，得出間歇式能源經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)為

式中：Ct為系統(tǒng)總成本，元；Cr為計(jì)及供電可靠性方面的系統(tǒng)電量損失總成本，元。其中：

式中：WTn、PVn、CCHPn分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)量；ai、aj、ak分別為第i、j、k 類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的單位造價(jià)，元/kW；Pi、Pj、Pk分別為i、j、k 類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池以及燃?xì)廨啓C(jī)的容量；u（Pi）、u（Pj）、u（Pk）分別為對(duì)應(yīng)容量為Pi風(fēng)力發(fā)電機(jī)i 類型、容量為Pj光伏電池j 類型、容量為Pkk 類型燃?xì)廨啓C(jī)的年維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用；m 為設(shè)備的運(yùn)行年限；coe 為賠償系數(shù)；EENS 為系統(tǒng)電量不足期望值。在計(jì)算時(shí)，采用時(shí)間序列和蒙特卡洛方法[5]。

目前適合計(jì)算我國(guó)停電損失的評(píng)估方法主要有平均電價(jià)折算倍數(shù)法、產(chǎn)電比法和總擁有費(fèi)用法。為了盡量減小對(duì)停電損失的估算誤差，通常采用前2 種方法的加權(quán)平均，即

式中：R 為產(chǎn)電比；α1和α2分別為電價(jià)折算倍數(shù)法和產(chǎn)電比法的加權(quán)系數(shù)；K 為單位停電電價(jià)與平均電價(jià)的比值，一般取25；e 為平均電價(jià)。

其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，使系統(tǒng)投資、運(yùn)行、可靠性等綜合成本最小。通過(guò)目標(biāo)函數(shù)值能指導(dǎo)主動(dòng)配電網(wǎng)的建設(shè)，為主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)計(jì)算與優(yōu)化評(píng)估提供方法和依據(jù)。

2.2 主動(dòng)配電網(wǎng)儲(chǔ)能配置

主動(dòng)配電網(wǎng)中除了有間歇式可再生能源及其他分布式能源接入外，儲(chǔ)能的配置也必不可少，合理的儲(chǔ)能配置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義。儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置可根據(jù)區(qū)域歷史負(fù)荷特點(diǎn)來(lái)決定。主動(dòng)配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能配置主要用于削峰填谷，因此采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則計(jì)算儲(chǔ)能配置的容量。定義Yi為削峰后的最大負(fù)荷，也是變電站低壓側(cè)所帶負(fù)荷Pmax峰值與儲(chǔ)能變流器功率PPCS，i的額定功率之差，即

配置的電池容量為削峰負(fù)荷對(duì)時(shí)間的積分，有

式中，P（t）為當(dāng)前時(shí)刻的負(fù)荷水平，P（t）＞Yi。

實(shí)時(shí)負(fù)荷要求可由電網(wǎng)變電站擴(kuò)容或提升儲(chǔ)能系統(tǒng)容量滿足，此時(shí)各負(fù)荷需滿足的條件為

式中：Pmax，i（t）為t 時(shí)刻負(fù)荷值；PPCS，i（t）為t 時(shí)刻PCS 放電功率；Pgrid，i（t）為t 時(shí)刻電網(wǎng)供電功率。

同一狀態(tài)下選用變電站擴(kuò)容或增加儲(chǔ)能和PCS 容量均可以滿足負(fù)荷需求，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，所構(gòu)建儲(chǔ)能配置的目標(biāo)函數(shù)為

式中：Pbattery，i為儲(chǔ)能電池的放電功率；VPCS、Vbattery分別為儲(chǔ)能變流器與儲(chǔ)能電池的單位建設(shè)費(fèi)用；V35、V110、V220、V500分別為35～500 kV 變電站的單位建設(shè)費(fèi)用，若區(qū)域電網(wǎng)缺少某一電壓等級(jí)，則與此相對(duì)應(yīng)的變電站的單位建設(shè)費(fèi)用按0 考慮。

2.3 主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

分析了可再生間歇式能源經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)和儲(chǔ)能配置的優(yōu)化函數(shù)，主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的目的是綜合考慮各部分的費(fèi)用，形成綜合的優(yōu)化函數(shù)。因此，本文采用最小化配電網(wǎng)年費(fèi)用F 作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，則計(jì)及間歇式可再生能源的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型[6]為

其中，約束條件為：Ii≤Ii，max，i=1，2，…，nl；Uj，min≤Uj≤Uj，max，j=1，2，…，nn。

需說(shuō)明的是，由于間歇式可再生能源的出力受到諸如風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等不確定性因素的影響，如果間歇式可再生能源總?cè)萘克急壤^(guò)高，將導(dǎo)致系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，因此，以上模型的約束條件中考慮了間歇式可再生能源的總?cè)萘繚B透率的約束。

3 結(jié)語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)大量的間歇式可再生能源接入配電網(wǎng)這一新形勢(shì)，研究間歇式可再生能源的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，本文首先結(jié)合配電網(wǎng)特點(diǎn)研究了主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源的消納模式，針對(duì)不同滲透率情況下不同消納模式的優(yōu)缺點(diǎn)提出了相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景；其次分析了配電網(wǎng)儲(chǔ)能配置及主動(dòng)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)，指導(dǎo)配電網(wǎng)建設(shè)；最后給出了能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，為主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算與優(yōu)化評(píng)估提供了方法和依據(jù)。

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