張章， 劉英英， 徐晶， 遲福建， 楊帆

(1. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津 300371；2. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010)

0 引 言

近年來(lái)，大規(guī)模和分散式的清潔能源電站項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)[1-3]。面對(duì)活躍的清潔能源項(xiàng)目，電網(wǎng)企業(yè)一直以來(lái)處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，缺乏對(duì)清潔能源電站接入的整體應(yīng)對(duì)策略。

在考慮間歇性電源并網(wǎng)的研究方面，部分研究側(cè)重于并網(wǎng)容量?jī)?yōu)化等電源規(guī)劃。文獻(xiàn)[4]建立了計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)容量的優(yōu)化分析模型，計(jì)算了系統(tǒng)中的最大風(fēng)電并網(wǎng)容量。文獻(xiàn)[5]提出一種配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中進(jìn)行分布式電源選址和定容的方法,部分側(cè)重于考慮間歇性能源發(fā)電的系統(tǒng)調(diào)度策略。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了計(jì)及接納風(fēng)電能力的電網(wǎng)調(diào)度決策模型，使調(diào)度中的煤耗量和電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力得到有效協(xié)調(diào),部分側(cè)重于提升間歇性電源接納能力的輸電網(wǎng)規(guī)劃。文獻(xiàn)[7]基于雙層規(guī)劃理論構(gòu)建了一個(gè)兼顧間歇性電源接納能力和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的輸電系統(tǒng)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[8]建立了一套新能源最優(yōu)接入評(píng)價(jià)方法，能夠甄選出最優(yōu)接入方案，但無(wú)法對(duì)電網(wǎng)接納能力的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

目前對(duì)清潔能源電站的接入指導(dǎo)與評(píng)價(jià)方法研究較少。本文提出了一種規(guī)范指導(dǎo)清潔能源電站接入方式的方法，并以某區(qū)域配電網(wǎng)為例，進(jìn)一步地對(duì)電網(wǎng)接納能力的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)與改造進(jìn)行了分析。

1 配電網(wǎng)清潔能源接納能力分析

1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)樹(shù)

以220 kV變電站站為根節(jié)點(diǎn)，以110 kV變電站和35 kV變電站為支路節(jié)點(diǎn)，以110 kV線路和35 kV線路為支路，將一個(gè)電氣區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)用輻射型的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖表示[9]，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)樹(shù)示例如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 清潔能源接納能力分析

清潔能源電廠的裝機(jī)容量一般為幾十到上百兆瓦，一般接入35 kV或110 kV電壓等級(jí)配電網(wǎng)，出于安全性考慮，接入方式一般為專線接入。

限制配電網(wǎng)接納清潔能源的主要因素有35 kV和110 kV線路傳輸容量，110 kV和220 kV變壓器容量，35 kV和110 kV剩余間隔數(shù)量。對(duì)于35 kV變電站，主要限制因素為上級(jí)線路的輸電能力和本級(jí)35 kV剩余間隔數(shù)量。對(duì)于110 kV變電站，分為通過(guò)35 kV電壓等級(jí)接入和110 kV電壓等級(jí)接入兩種方式，35 kV電壓等級(jí)接入主要包括本站的35 kV電壓接入和由本站供電的35 kV變電站接入的新能源電力，主要受110 kV變電站的變電容量和35 kV剩余間隔數(shù)量限制，110 kV電壓等級(jí)接入主要包括本站的110 kV電壓接入和由本站供電的110 kV變電站接入的新能源電力，主要受110 kV變電站的上級(jí)線路的輸電容量和110 kV剩余間隔數(shù)量限制。

在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)樹(shù)的基礎(chǔ)上，由低電壓等級(jí)向高電壓等級(jí)層層分析，可以得到每個(gè)變電站的各電壓等級(jí)的可消納新能源電力情況。

2 清潔能源電站出力特性分析

由于其他能源如地?zé)崮?、潮汐能和生物質(zhì)能在目前條件下應(yīng)用較少，規(guī)模不大，因此本文主要分析風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電各自的出力特性以及其出力與被棄電量的關(guān)系。

2.1 風(fēng)電出力特性

根據(jù)某一風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電出力數(shù)據(jù)得出不同出力水平的概率[10]，其概率分布如圖2所示。由圖2可知，風(fēng)電出力越小概率越大，而出力越大概率越小。其中，風(fēng)場(chǎng)出力小于裝機(jī)容量10%的概率達(dá)32.8%,但風(fēng)場(chǎng)出力高于裝機(jī)容量80%的概率僅為0.2%，風(fēng)電出力超過(guò)裝機(jī)容量70%的概率也僅為1.8%。

圖2 典型風(fēng)電場(chǎng)出力概率分布

2.2 光伏出力特性

光伏電站各月月平均出力曲線趨勢(shì)相同，各月最大值均出現(xiàn)在12:00-13:00，日出前與日落后出力均為0。由于受氣象條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素影響，在理論日照條件較好的時(shí)刻，也會(huì)出現(xiàn)日照強(qiáng)度在零日照和額定日照強(qiáng)度之間變化的情況，與之對(duì)應(yīng)的光伏電站出力也會(huì)有在接近零出力與額定出力之間變化的現(xiàn)象。根據(jù)北方某一光伏電站統(tǒng)計(jì)的日最大出力數(shù)據(jù)得出不同出力水平的概率，其概率分布如圖3所示。由圖3可知，光伏出力在60%～70%裝機(jī)容量范圍時(shí)的概率最大，達(dá)到29.35%。出力越大或者越小時(shí)概率都越小。其中，光伏出力小于裝機(jī)容量10%的概率為3.23%，光伏出力超過(guò)裝機(jī)容量80%的概率僅為2.24%。

圖3 典型光伏電站出力概率分布

2.3 清潔能源出力與被棄電量的關(guān)系

根據(jù)上述風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力概率分布可知，風(fēng)電和光伏大出力(超過(guò)裝機(jī)容量80%)的概率很低。因此，如果對(duì)風(fēng)電機(jī)組或光伏電站出力進(jìn)行適當(dāng)限制，風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站損失的電量將非常有限，但卻能節(jié)省大量的輸電容量和輸電設(shè)備投資。

風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站限制出力水平越低，損失的電量越低，但隨之輸電投資也逐漸增大。若將風(fēng)電場(chǎng)出力限制在裝機(jī)容量的80%水平，棄風(fēng)電量近乎為0%；若將光伏電站出力限制在80%，棄光電量亦不足1%。此時(shí)卻可節(jié)約20%的輸電容量，節(jié)約輸電投資效益十分明顯。

3 清潔能源電站最優(yōu)接入方式分析

由于清潔能源電站的位置和容量一般受土地規(guī)劃及具體地形限制，故一般認(rèn)為其為已知條件。本文采用遺傳算法進(jìn)行清潔能源電站接入方式的優(yōu)化，優(yōu)化變量是清潔能源電站的接入方式。

3.1 編碼方式

對(duì)220 kV變電站，統(tǒng)計(jì)得到110 kV剩余間隔數(shù)為a，35 kV剩余間隔數(shù)為b；110 kV變電站110 kV剩余間隔數(shù)為c，35 kV剩余間隔數(shù)為d；35 kV變電站35 kV剩余間隔數(shù)為f。由于采用專線接入方式，故配電網(wǎng)所能接納的110 kV電站最大個(gè)數(shù)為a+c，35 kV電站個(gè)數(shù)為b+d+f。對(duì)所有110 kV剩余間隔從1到a+c排序，35 kV間隔從1到b+d+f排序，使得每一個(gè)間隔都有數(shù)值對(duì)應(yīng)。

根據(jù)清潔能源電站容量確定接入電壓等級(jí)，一般20 MW～40 MW接入35 kV電壓等級(jí)，40 MW～100 MW接入110 kV電壓等級(jí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到適宜接入110 kV電壓等級(jí)的電站共m個(gè)，適宜接入35 kV電壓等級(jí)的電站共n個(gè)。按容量由大到小分別對(duì)所有110 kV電站從1到m排序，對(duì)所有35 kV電站從1到n排序，使得每一個(gè)電站都有數(shù)值對(duì)應(yīng)。

遺傳算法中，一個(gè)染色體代表了所有清潔能源電站的一組接入方式，染色體上的一個(gè)基因則代表了一個(gè)清潔能源電站的接入方式。

(1)確定基因位數(shù)：染色體前x基因位對(duì)應(yīng)110 kV電站，剩余y位對(duì)應(yīng)35 kV電站。x、y根據(jù)下式確定:

(1)

(2)

(2)確定編碼規(guī)則：采用十進(jìn)制編碼。前x位基因位與后y位基因位分別與110 kV、35 kV清潔能源電站排列順序?qū)?yīng)，對(duì)于電站數(shù)超過(guò)間隔數(shù)的，排序靠后即容量較小的電站將無(wú)法接入?；蛭磺皒位基因位與后y位基因位上的數(shù)值分別是110 kV、35 kV剩余間隔的排序號(hào)。如此編碼方式即可以得到每一個(gè)清潔能源電站和接入間隔的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 約束條件

由于在基因編碼時(shí)已滿足間隔數(shù)約束，此處主要考慮線路傳輸容量約束和變電站容量約束，同時(shí)考慮電站并網(wǎng)線總投資約束。

1)線路傳輸容量約束

∑Sj≤Sli

(3)

式中：∑Sj為接入線路i的清潔能源電站容量之和;Sli為線路i傳輸容量極限。

2)變電站容量約束

∑Sj≤Sbi

(4)

式中：∑Sj為接入變壓器i低壓側(cè)的清潔能源電站容量之和;Sbi為變壓器i的容量。

3)并網(wǎng)線總投資約束

根據(jù)本文的邊界條件，任一清潔能源電站至任一變電站的距離是確定的。并網(wǎng)線平均造價(jià)為H萬(wàn)元/千米，并網(wǎng)線總投資約束為W萬(wàn)元，則有：

∑Li×H≤W

(5)

式中：∑Li為根據(jù)接入方式求得的所有并網(wǎng)線長(zhǎng)度之和。

需要指出的是，當(dāng)接入的清潔能源電站容量不滿足(1)或(2)時(shí)，需作如下處理：等比例降低接入該線路或變壓器的所有電站的出力，直至達(dá)到容量約束邊界，并記錄清潔能源電站的限制出力比例。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為確定接入方式下被棄的清潔能源容量，由兩部分組成：由于電站數(shù)量超過(guò)相應(yīng)間隔數(shù)而導(dǎo)致未能接入的電站容量，以及由于超過(guò)線路或變電站容量約束而被限制出力的電站容量。

(6)

3.4 模型求解

本文采用遺傳算法進(jìn)行清潔能源電站最優(yōu)接入方式的優(yōu)化，流程如圖4所示。

圖4 遺傳算法求解優(yōu)化模型流程圖

4 配電網(wǎng)接納能力薄弱環(huán)節(jié)分析

4.1 薄弱環(huán)節(jié)分析

統(tǒng)計(jì)最優(yōu)接入方式下每一個(gè)變電站和線路的限制清潔能源電站出力的比例，定義限制出力比例超過(guò)20%的節(jié)點(diǎn)為薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的分析可用于評(píng)價(jià)配電網(wǎng)的接納能力水平，對(duì)最優(yōu)接入方式下的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行增容改造是提升配電網(wǎng)接納能力的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的措施。

以某地區(qū)配電網(wǎng)為例開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用分析，該配電網(wǎng)現(xiàn)狀接入的新能源電站僅早期的XWZ風(fēng)電場(chǎng)和LGZ光伏電站，由于良好的風(fēng)光條件，仍有較多有并網(wǎng)需求的清潔能源電站，根據(jù)裝機(jī)容量得到其適宜并網(wǎng)的電壓等級(jí)均為110 kV。根據(jù)本文提出的方法，得到該地區(qū)清潔能源電站最優(yōu)接入方式如圖5所示。

圖5 清潔能源電站最優(yōu)接入方式

由于XWZ風(fēng)電場(chǎng)和LGZ光伏電站均T接在聯(lián)絡(luò)線上，當(dāng)QLL站或JJX站110 kV母線出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)GX站并網(wǎng)的清潔能源電站容量最大可達(dá)到455 MW。GX站主變?nèi)萘繛?×180 MVA，則GX站限制清潔能源出力比例最高達(dá)到26.4%，為限制清潔能源接納的薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 接納能力提升方案

為解決薄弱環(huán)節(jié)，提升接納能力，考慮到GX站不具備擴(kuò)建或增容改造的條件，規(guī)劃了MYY110 kV變電站、LGZ220 kV變電站，如圖6所示。

圖6 薄弱環(huán)節(jié)規(guī)劃解決方案

MYY站新出四條線雙破DZZ光伏電站兩條110 kV并網(wǎng)線，同時(shí)MYY站新出兩條線至規(guī)劃LGZ站，形成GX站-MYY站-LGZ站的雙鏈結(jié)構(gòu)。DZZ光伏電站所發(fā)電力可通過(guò)MYY站上送至LGZ站，緩解了GX站的壓力，同時(shí)形成的雙鏈結(jié)構(gòu)也強(qiáng)化了該地區(qū)的配電網(wǎng)網(wǎng)架。規(guī)劃的LGZ站新出兩條110 kV線路破口GX站至JJX站110 kV聯(lián)絡(luò)線，同時(shí)切帶XWZ風(fēng)電場(chǎng)和LGZ光伏電站，優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)也為未來(lái)清潔能源電站預(yù)留了接納能力。規(guī)劃解決方案實(shí)施前后GX站清潔能源電站接入情況如表1所示。

表1 GX站清潔能源電站接入情況對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種規(guī)范指導(dǎo)清潔能源電站接入方式的方法，該方法充分發(fā)揮了電網(wǎng)現(xiàn)狀的接納能力，使得清潔能源的并網(wǎng)發(fā)電容量最大。對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的分析可用于評(píng)價(jià)配電網(wǎng)的接納能力水平，對(duì)最優(yōu)接入方式下的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行增容改造是提升配電網(wǎng)接納能力的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的措施。

本文所提方法不僅能夠規(guī)范指導(dǎo)清潔能源電站的接入，更能夠發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)接納能力的薄弱環(huán)節(jié)，為精準(zhǔn)投資改造電網(wǎng)提升接納能力起到指導(dǎo)作用。