劉大志

（秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

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考慮分布式光伏接入的配電網(wǎng)增強(qiáng)方法研究

劉大志

（秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是解決能源匱乏的重要手段，但光伏電源接入配電網(wǎng)會(huì)在短路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓等諸多方面產(chǎn)生負(fù)面影響，從而限制光伏容量的增加。本文基于不斷提升光伏滲透率的需要，首先分析了“阻礙”光伏接入的各項(xiàng)主要因素；其次以層次分析法為依托，提出了含分布式光伏的配電網(wǎng)增強(qiáng)方案，包括實(shí)施流程以及具體環(huán)節(jié)的操作方法；最后進(jìn)行算例佐證。算例結(jié)果表明：文章的研究可在保證經(jīng)濟(jì)性前提下，既提升配電網(wǎng)對(duì)光伏的消納能力，又確保系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行。

分布式光伏；配電網(wǎng)；層次分析；增強(qiáng)改造

光伏發(fā)電具有清潔可再生、存在普遍等優(yōu)點(diǎn)，其以分布方式接入配電網(wǎng)不但是能源格局變更的需要，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的必備要素之一。但光伏電源天然呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，其接入配電網(wǎng)后將在短路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗等方面產(chǎn)生或優(yōu)或劣的影響，這就在客觀上形成了光伏滲透率提升的壁壘。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)實(shí)施增強(qiáng)改造。國(guó)內(nèi)外就此展開(kāi)大量研究，如：文獻(xiàn)［1］基于電網(wǎng)穩(wěn)定性考量，給出了特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聠蝹€(gè)光伏電源的最大接入容量算法，雖然可保證線(xiàn)路各項(xiàng)約束在合理范圍內(nèi)，但明顯限制了光伏的利用；文獻(xiàn)［2］分析了阻礙光伏滲透率提高的具體因素的表現(xiàn)形式，并利用遺傳算法探索改變這些因素的可能性，雖然有一定科學(xué)性，但操作復(fù)雜，不具推廣價(jià)值。

因此，關(guān)于含光伏電源的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造所面臨的研究需求是：在捋清分布式光伏與配電網(wǎng)相互作用基礎(chǔ)上，結(jié)合不同用戶(hù)需求，提出技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、操作上方便的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造通用方法，以達(dá)到光伏利用與電網(wǎng)安全的雙贏?？紤]到層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）具有簡(jiǎn)單明了、系統(tǒng)分析、綜合決策、對(duì)定量信息需求量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，文章將基于此開(kāi)展含光伏電源的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造方法的探索。

1 影響光伏接入的配電網(wǎng)因素

從光伏并網(wǎng)發(fā)電的機(jī)理出發(fā)，不難得出影響光伏滲透率的主要因素分布，如圖1所示。

圖1　影響光伏滲透率的配電網(wǎng)因素

跟進(jìn)闡述：①一般要求變電站最大負(fù)荷可消納該站下轄的分布式光伏發(fā)電量；②大容量分布式光伏接入需要占用變電站線(xiàn)路間隔；③光伏能否就地消納與接入點(diǎn)附近的負(fù)荷對(duì)光伏適應(yīng)性有關(guān)；④線(xiàn)路型號(hào)與光伏功率能否傳輸有關(guān)；⑤在光伏接入情況下，備用容量向儲(chǔ)能方式過(guò)渡；⑥分布式光伏接入改變了無(wú)功流向，需改善無(wú)功補(bǔ)償。

2 含分布式光伏的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造方法

2.1目標(biāo)

［3］所述，將含分布式光伏的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造目標(biāo)羅列如下：①在盡可能提高光伏滲透率前提下，維持電網(wǎng)完全穩(wěn)定；②針對(duì)高供電質(zhì)量需求的用戶(hù)，應(yīng)保證光伏電站諧波對(duì)其無(wú)影響；③針對(duì)高供電可靠性需求的用戶(hù)，應(yīng)以一定量的儲(chǔ)能電池來(lái)滿(mǎn)足備用容量；④針對(duì)一般電力用戶(hù)，主要以網(wǎng)損最低為目標(biāo)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.2層次分析法及其在本研究的應(yīng)用

面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題，可將其分解成各個(gè)組成因素，并將這些因素按支配關(guān)系分組成階梯層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較的方式確定層次中各因素的相對(duì)重要性，然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對(duì)重要性的總排序，從而做出選擇和判斷。這一思維過(guò)程就是層次分析法，模型示意如圖2所示［4］。

圖2　層次分析法模型示意圖

就本研究來(lái)說(shuō)，可將含分布式光伏的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造問(wèn)題分解為系統(tǒng)接入、系統(tǒng)消納、系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等4個(gè)因素，選擇變電站間隔擴(kuò)建、線(xiàn)路改造、儲(chǔ)能容量配置、無(wú)功補(bǔ)償配置等4個(gè)手段作為方案集，則基于最大限度吸納光伏、同時(shí)保證穩(wěn)定可靠的目的，可勾畫(huà)如圖3所示的配網(wǎng)增強(qiáng)改造框架。

圖3　基于層次分析的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造架構(gòu)

2.3增強(qiáng)改造的執(zhí)行流程

根據(jù)圖2所示架構(gòu)，結(jié)合配網(wǎng)改造的邏輯順序，可得到如圖4所示的執(zhí)行流程。

展覽館內(nèi)，看到一個(gè)年輕女士不停地拿手機(jī)拍照，于是問(wèn)她：“你喜歡書(shū)法嗎？”她說(shuō)：“不是，我是搞圖書(shū)封面設(shè)計(jì)的。今天來(lái)這里參觀，就是想學(xué)習(xí)魯迅的設(shè)計(jì)藝術(shù)。”她一邊說(shuō)一邊指給我看，魯迅當(dāng)年設(shè)計(jì)的這些封面，無(wú)論字體、圖案，放到現(xiàn)在，仍然前衛(wèi)，仍覺(jué)新鮮。

圖4　配電網(wǎng)增強(qiáng)改造執(zhí)行流程圖

2.4具體步驟的實(shí)施方法

根據(jù)前述可知，含分布式光伏的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造的主要方面是變電站間隔、線(xiàn)路傳輸容量、儲(chǔ)能配置、無(wú)功補(bǔ)償配置等，為使文章研究可操作性強(qiáng)，下面將對(duì)這4方面予以逐一闡述。

1）變電站間隔擴(kuò)建

這個(gè)層面的實(shí)施比較簡(jiǎn)單，只需將變電站現(xiàn)有剩余間隔數(shù)與大容量光伏接入需要占用的間隔數(shù)進(jìn)行比對(duì)，若滿(mǎn)足，則無(wú)需擴(kuò)建，否則就要擴(kuò)建。

2）線(xiàn)路改造分析

大量光伏電源是以“T接”方式并網(wǎng)的，這時(shí)需要校核線(xiàn)路最大流經(jīng)電流以確定是否更換導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)和配套開(kāi)關(guān)。最大電流計(jì)算式為［5］

式中，PPV為光伏電源出力（可等價(jià)為裝機(jī)容量）、Pload為線(xiàn)路負(fù)載功率、U為系統(tǒng)電壓等級(jí)，cosφ為系統(tǒng)功率因數(shù)。Imax與線(xiàn)路允許的最大通流能力作比較以確定是否需要將導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑增大。

3）儲(chǔ)能容量配置

分布式光伏不穩(wěn)定，為彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，可配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置式為

式中，下標(biāo)“1”表示光伏最大出力時(shí)刻，下標(biāo)“2”表示光伏最小出力時(shí)刻；Cup和Clow分別為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)最大值和最小值。

4）無(wú)功補(bǔ)償配置

為保證分布式光伏接入后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，需要配置無(wú)功補(bǔ)償，見(jiàn)式（3）所示。

式中，k為分接頭位置；U1、U2為無(wú)功補(bǔ)償前后的電壓水平。

5）經(jīng)濟(jì)性分析

在以上1）至4）主要步驟執(zhí)行中，需輔之以經(jīng)濟(jì)性“考核”，即改造成本最低化，見(jiàn)式（4）所示。

式中，C1～C5分別指變電站間隔擴(kuò)建費(fèi)用、線(xiàn)路改造費(fèi)用、儲(chǔ)能配置費(fèi)用、無(wú)功補(bǔ)償費(fèi)用和二次改造費(fèi)用。

3 算例

以某10kV線(xiàn)路作為算例，結(jié)構(gòu)如圖5所示。相關(guān)參數(shù)為：變電站容量50MVA，無(wú)剩余10kV間隔，BUS2—BUS5為光伏可接入點(diǎn)，Line1—Line4的長(zhǎng)度均為 1km，Line1～Line3的導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-185，Line4的導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-70，各母線(xiàn)下所帶負(fù)荷均為1MW，功率因數(shù)0.95。現(xiàn)預(yù)計(jì)BUS5附近有 5MW左右的潛在光伏容量，可采用集中方式進(jìn)行并網(wǎng)利用。

圖5　算例配網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于該光伏電源點(diǎn)位于 BUS5附近，按照就近接入原則，考慮“T”接至BUS5。下面結(jié)合前文研究?jī)?nèi)容，進(jìn)行該種情況下的配網(wǎng)增強(qiáng)方案設(shè)計(jì)。

1）變電站間隔。由于確定以“T”接 10kV線(xiàn)路的方式利用該 5MW光伏電源，因此不涉及占用變電站10kV間隔。

2）線(xiàn)路。表1所示為根據(jù)算例參數(shù)計(jì)算得到的光伏接入前后流經(jīng)各段線(xiàn)路的最大電流數(shù)值。而LGJ-185的最大載流量為414.7A，LGJ-70的最大載流量為 216.0A。因此，Line4的導(dǎo)線(xiàn)需要更換，考慮一定的裕量，應(yīng)更換為L(zhǎng)GJ-120導(dǎo)線(xiàn)。

表1　光伏電源接入前后各線(xiàn)路流經(jīng)電流的比對(duì)A

3）儲(chǔ)能配置。由于本次光伏的出力變化區(qū)間為（0MW，5MW），而線(xiàn)路總負(fù)荷為4MW，考慮儲(chǔ)能SOC一般為20%～90%，因此儲(chǔ)能容量可配置為1.5MW·h。

4）無(wú)功補(bǔ)償。表2所示為根據(jù)算例參數(shù)計(jì)算得到的光伏接入前后各節(jié)點(diǎn)電壓水平（標(biāo)幺值）。顯然，雖然光伏接入會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路末端電壓水平有所提升，但處在規(guī)定范圍之內(nèi)，無(wú)需做無(wú)功調(diào)整。

表2　光伏電源接入前后各節(jié)點(diǎn)電壓水平比對(duì)（p.u.）

文獻(xiàn)［6］提及：LGJ-120導(dǎo)線(xiàn)的單位造價(jià)為60萬(wàn)元/km，儲(chǔ)能裝置造價(jià)為100萬(wàn)元/（MW·h），因T接產(chǎn)生二次改造費(fèi)用約為一次費(fèi)用的5%。這樣，本項(xiàng)配網(wǎng)增強(qiáng)改造的經(jīng)濟(jì)代價(jià)為220.5萬(wàn)元。

為突出本項(xiàng)增強(qiáng)改造的科學(xué)性和有效性，我們分別計(jì)算了另外兩種情況：①在不對(duì)配電網(wǎng)做增強(qiáng)改造情況下在 BUS5處接入光伏的容量限值（要求電網(wǎng)保持穩(wěn)定）；②在BUS5處接入5MW光伏，但不對(duì)配網(wǎng)做改造，所可能產(chǎn)生的故障損失。對(duì)于情況“①”，接入光伏容量將不能大于2MW，因不能充分利用光伏而造成的電煤消耗、環(huán)境污染等折合約 270萬(wàn)元/年；對(duì)于情況“②”，因接入的光伏容量大于線(xiàn)路的承受能力，所造成的設(shè)備損壞和停電損失折合約289萬(wàn)元/年。因此，本文提出的基于層次分析的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造思路是正確的。

4 結(jié)論

本文在對(duì)限制光伏接入的配電網(wǎng)各因素條分縷析基礎(chǔ)上，利用層次分析法設(shè)計(jì)含光伏電源的配電網(wǎng)增強(qiáng)改造方案。算例結(jié)果表明：該方法科學(xué)、合理，同時(shí)操作簡(jiǎn)便，具有推廣價(jià)值，可為新能源利用起到拋磚引玉的作用。

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The Design Method of Active Distribution Network based on Integrative Thinking and Step by Step Optimization Strategy

Liu Dazhi
（Qinhuangdao Power Company，Qinhuangdao，Hebei 066000）

Distributed grid-connected PV is an important means to solve the energy shortage，photovoltaic power supply connected to the distribution network in the short circuit current，voltage and other aspects have a negative impact，limiting PV capacity increased. Based on rising solar penetration needs analysis "" solar access of the main factors followed by analytic hierarchy process based on the enhancement of distribution network with distributed PV programme is proposed，including the implementation process as well as specific aspects of the operation； the last examples in support of. Results show that research can ensure economic premise of the article，improve the absorptive capacity of distribution network of photovoltaic and to ensure the safe and reliable operation of the system.

distributed PV； distribution network； hierarchy； enhanced modification

劉大志（1978-），男，河北秦皇島人，本科，電氣工程及自動(dòng)化工程師，主要從事配電網(wǎng)運(yùn)行管理，新能源接入管理工作。