考虑分布式光伏接入的配电网增强方法研究

刘大志

（秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000）



考虑分布式光伏接入的配电网增强方法研究

刘大志

（秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000）

分布式光伏并网发电是解决能源匮乏的重要手段，但光伏电源接入配电网会在短路潮流、节点电压等诸多方面产生负面影响，从而限制光伏容量的增加。本文基于不断提升光伏渗透率的需要，首先分析了“阻碍”光伏接入的各项主要因素；其次以层次分析法为依托，提出了含分布式光伏的配电网增强方案，包括实施流程以及具体环节的操作方法；最后进行算例佐证。算例结果表明：文章的研究可在保证经济性前提下，既提升配电网对光伏的消纳能力，又确保系统的安全和可靠运行。

分布式光伏；配电网；层次分析；增强改造

光伏发电具有清洁可再生、存在普遍等优点，其以分布方式接入配电网不但是能源格局变更的需要，也是智能电网发展的必备要素之一。但光伏电源天然呈现不稳定特性，其接入配电网后将在短路潮流、节点电压、网络损耗等方面产生或优或劣的影响，这就在客观上形成了光伏渗透率提升的壁垒。为了解决这个问题，需要对传统配电网实施增强改造。国内外就此展开大量研究，如：文献［1］基于电网稳定性考量，给出了特定网络拓扑下单个光伏电源的最大接入容量算法，虽然可保证线路各项约束在合理范围内，但明显限制了光伏的利用；文献［2］分析了阻碍光伏渗透率提高的具体因素的表现形式，并利用遗传算法探索改变这些因素的可能性，虽然有一定科学性，但操作复杂，不具推广价值。

因此，关于含光伏电源的配电网增强改造所面临的研究需求是：在捋清分布式光伏与配电网相互作用基础上，结合不同用户需求，提出技术上可行、经济上合理、操作上方便的配电网增强改造通用方法，以达到光伏利用与电网安全的双赢。考虑到层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）具有简单明了、系统分析、综合决策、对定量信息需求量少等诸多优点，文章将基于此开展含光伏电源的配电网增强改造方法的探索。

1 影响光伏接入的配电网因素

从光伏并网发电的机理出发，不难得出影响光伏渗透率的主要因素分布，如图1所示。

图1　影响光伏渗透率的配电网因素

跟进阐述：①一般要求变电站最大负荷可消纳该站下辖的分布式光伏发电量；②大容量分布式光伏接入需要占用变电站线路间隔；③光伏能否就地消纳与接入点附近的负荷对光伏适应性有关；④线路型号与光伏功率能否传输有关；⑤在光伏接入情况下，备用容量向储能方式过渡；⑥分布式光伏接入改变了无功流向，需改善无功补偿。

2 含分布式光伏的配电网增强改造方法

2.1目标

［3］所述，将含分布式光伏的配电网增强改造目标罗列如下：①在尽可能提高光伏渗透率前提下，维持电网完全稳定；②针对高供电质量需求的用户，应保证光伏电站谐波对其无影响；③针对高供电可靠性需求的用户，应以一定量的储能电池来满足备用容量；④针对一般电力用户，主要以网损最低为目标，以提高系统运行经济性。

2.2层次分析法及其在本研究的应用

面对复杂问题，可将其分解成各个组成因素，并将这些因素按支配关系分组成阶梯层次结构，通过比较的方式确定层次中各因素的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总排序，从而做出选择和判断。这一思维过程就是层次分析法，模型示意如图2所示［4］。

图2　层次分析法模型示意图

就本研究来说，可将含分布式光伏的配电网增强改造问题分解为系统接入、系统消纳、系统稳定和系统经济性等4个因素，选择变电站间隔扩建、线路改造、储能容量配置、无功补偿配置等4个手段作为方案集，则基于最大限度吸纳光伏、同时保证稳定可靠的目的，可勾画如图3所示的配网增强改造框架。

图3　基于层次分析的配电网增强改造架构

2.3增强改造的执行流程

根据图2所示架构，结合配网改造的逻辑顺序，可得到如图4所示的执行流程。

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图4　配电网增强改造执行流程图

2.4具体步骤的实施方法

根据前述可知，含分布式光伏的配电网增强改造的主要方面是变电站间隔、线路传输容量、储能配置、无功补偿配置等，为使文章研究可操作性强，下面将对这4方面予以逐一阐述。

1）变电站间隔扩建

这个层面的实施比较简单，只需将变电站现有剩余间隔数与大容量光伏接入需要占用的间隔数进行比对，若满足，则无需扩建，否则就要扩建。

2）线路改造分析

大量光伏电源是以“T接”方式并网的，这时需要校核线路最大流经电流以确定是否更换导线型号和配套开关。最大电流计算式为［5］

式中，PPV为光伏电源出力（可等价为装机容量）、Pload为线路负载功率、U为系统电压等级，cosφ为系统功率因数。Imax与线路允许的最大通流能力作比较以确定是否需要将导线线径增大。

3）储能容量配置

分布式光伏不稳定，为弥补这个缺陷，可配置储能系统。储能系统的容量配置式为

式中，下标“1”表示光伏最大出力时刻，下标“2”表示光伏最小出力时刻；Cup和Clow分别为储能荷电状态最大值和最小值。

4）无功补偿配置

为保证分布式光伏接入后系统电压稳定，需要配置无功补偿，见式（3）所示。

式中，k为分接头位置；U1、U2为无功补偿前后的电压水平。

5）经济性分析

在以上1）至4）主要步骤执行中，需辅之以经济性“考核”，即改造成本最低化，见式（4）所示。

式中，C1～C5分别指变电站间隔扩建费用、线路改造费用、储能配置费用、无功补偿费用和二次改造费用。

3 算例

以某10kV线路作为算例，结构如图5所示。相关参数为：变电站容量50MVA，无剩余10kV间隔，BUS2—BUS5为光伏可接入点，Line1—Line4的长度均为 1km，Line1～Line3的导线型号为LGJ-185，Line4的导线型号为LGJ-70，各母线下所带负荷均为1MW，功率因数0.95。现预计BUS5附近有 5MW左右的潜在光伏容量，可采用集中方式进行并网利用。

图5　算例配网结构

由于该光伏电源点位于 BUS5附近，按照就近接入原则，考虑“T”接至BUS5。下面结合前文研究内容，进行该种情况下的配网增强方案设计。

1）变电站间隔。由于确定以“T”接 10kV线路的方式利用该 5MW光伏电源，因此不涉及占用变电站10kV间隔。

2）线路。表1所示为根据算例参数计算得到的光伏接入前后流经各段线路的最大电流数值。而LGJ-185的最大载流量为414.7A，LGJ-70的最大载流量为 216.0A。因此，Line4的导线需要更换，考虑一定的裕量，应更换为LGJ-120导线。

表1　光伏电源接入前后各线路流经电流的比对A

3）储能配置。由于本次光伏的出力变化区间为（0MW，5MW），而线路总负荷为4MW，考虑储能SOC一般为20%～90%，因此储能容量可配置为1.5MW·h。

4）无功补偿。表2所示为根据算例参数计算得到的光伏接入前后各节点电压水平（标幺值）。显然，虽然光伏接入会导致线路末端电压水平有所提升，但处在规定范围之内，无需做无功调整。

表2　光伏电源接入前后各节点电压水平比对（p.u.）

文献［6］提及：LGJ-120导线的单位造价为60万元/km，储能装置造价为100万元/（MW·h），因T接产生二次改造费用约为一次费用的5%。这样，本项配网增强改造的经济代价为220.5万元。

为突出本项增强改造的科学性和有效性，我们分别计算了另外两种情况：①在不对配电网做增强改造情况下在 BUS5处接入光伏的容量限值（要求电网保持稳定）；②在BUS5处接入5MW光伏，但不对配网做改造，所可能产生的故障损失。对于情况“①”，接入光伏容量将不能大于2MW，因不能充分利用光伏而造成的电煤消耗、环境污染等折合约 270万元/年；对于情况“②”，因接入的光伏容量大于线路的承受能力，所造成的设备损坏和停电损失折合约289万元/年。因此，本文提出的基于层次分析的配电网增强改造思路是正确的。

4 结论

本文在对限制光伏接入的配电网各因素条分缕析基础上，利用层次分析法设计含光伏电源的配电网增强改造方案。算例结果表明：该方法科学、合理，同时操作简便，具有推广价值，可为新能源利用起到抛砖引玉的作用。

参考文献

［1］陶时伟. 城市电网改造及优化规划的研究［D］. 重庆：重庆大学，2002.

［2］苏小玲，韩民晓，赵正奎，等. 配电网中分布式电源最大准入容量分析［J］. 电网技术，2012，36（10）：87-92.

［3］陈海强. 基于层次分析法的江门城区配电网自动化系统规划研究［D］. 广州：华南理工大学，2011.

［4］田漪，孙志明，陈西海. 导线经济截面及经济电流密度的优化［J］. 电力建设，2008，29（2）：27-29.

［5］罗隆福，黎涛，邓建国，等. 储能型光伏系统功率控制仿真分析［J］. 电力系统及其自动化学报，2011，23（6）：87-91.

［6］Caldon R，Stucco A，Terri R. Feasible of adaptive intentional islanding operation of electric utility systems with distributed gener-ation［J］. Electric Power Systems Research，2008，78（12）：2017-2023.

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

刘大志（1978-），男，河北秦皇岛人，本科，电气工程及自动化工程师，主要从事配电网运行管理，新能源接入管理工作。