配电网接入分散式风电的扩容效益研究

方佳良，臧兴海，江岳文

(1.国网宁波供电公司经济技术研究所，浙江 宁波 315020； 2.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

0 引言

面对能源可持续发展的严峻挑战，大力发展以风力发电为代表的清洁能源发电技术已经成为必然选择。我国以大型风电基地为主要形式的风电发展迅猛，但随着局部地区风电接入水平的提高，风电消纳难题日益严峻[1-3]。分散式风电是以分布式电源形式分布在配电网络中的单个风电机组或以此组成的小型风电场，其规模一般在几十 kW到几十 MW之间，所产生的电力就近接入当地配电网进行消纳。分散式风电有助于解决大规模集中式风电接入对大电网形成的安全问题，且有利于减少或避免“弃风”，同时减少远距离输送电能产生的损耗。因此，因地制宜地开发分散式风电并将其接入配电网，不仅可实现风力资源的充分利用，也可就地充分消纳。

随着用电负荷的不断增大，当负荷增大到配电网支路运输极限时，为保证配电网的安全稳定运行，需要对配电网的支路进行扩容，由此产生了扩容成本。分散式风电的接入，由于就近向负荷供电，减少了电能的远距离传输，从而减少配电网支路输送功率，延缓配电网供电设备扩容，从而产生相应的扩容效益。

文献[4]提出配电网节点边际容量成本(locational marginal capacity cost, LMCC)的概念，反映未来各节点负荷占用供电容量的成本，并讨论了LMCC在配电网规划、容量定价、需求侧管理和分布式电源接入中的应用前景，但未研究分散式风电对于供电容量成本产生的效益。文献[5]从工程经济学和输电定价理论出发，利用关联矩阵推导了配电网节点边际容量成本的计算模型，通过IEEE-33节点配电网系统计算不同节点接入后的节点边际容量成本，并计算得到其容量成本，但未研究分散式风电接入后产生的节点边际扩容效益。文献[6]利用配电网节点支路-灵敏度系数矩阵结合支路电流边际容量成本，形成节点边际容量成本，评估专用工程在该节点接入时应该支付的深度成本，并引用某一实际配电网专用接入工程进行分析计算。文献[7]考虑分布式电源的电量、扩容成本、网损效益和时序特性的分布式电源规划，但未对分散式风电接入配电网产生的扩容效益进行深入研究。

由于风电机组出力具有间歇性，同样容量的风电机组与常规火电或水电机组带负荷的能力并不相同，因此，分散式风电的接入产生的配电网扩容效益无法与常规机组同等对待[8]。为此，利用风电容量可信度使具有间歇性的风电与常规机组装机容量之间可以在同一水平上进行相互比较。

在上述文献研究的基础上，本文针对辐射式配电网，获得支路电流对节点功率的灵敏度矩阵，结合支路电流边际扩容效益，获得节点边际扩容效益，最后得到分散式风电接入产生的深度扩容效益，为分散式风电接入规划及对配电网所产生的成本效益评估提供了一种有效的方法。

1 支路电流边际扩容效益

随着负荷的自然增长，必定伴随着可靠性水平一定程度的降低，当低到系统用户不能接受的可靠性水平时，就必须采取扩容等强制措施来提高系统的可靠性水平，由此产生扩容成本。

(1)

(2)

式中：Ck为线路的原始投资；r为折现率。

在现有负荷水平下，如果节点接入分散式风电，将减小支路的输送功率，延缓配电网供电设备的扩容时间，从而产生扩容效益。

根据式(3)和式(4)可知，因为节点i增加分散式风电功率ΔSi而引起的现值成本的变化为

(5)

通过式(5)可计算支路k上减小单位电流产生的扩容效益为

(6)

当ΔIk→0时，

(7)

将投资成本等额折算到年值，则支路k上每减少单位电流而产生的年扩容效益为

(8)

式中n为设备使用的年限。

式(8)反映了配电网支路电流变化而引起的扩容效益，即支路电流边际扩容效益。

2 支路电流对节点功率的灵敏度矩阵

根据图1的简单配电网结线图，可以建立关联矩阵E，即有

(9)

图1 简单配电网接线图Fig.1 Simple wiring diagram of distribution network

式中：N1，…，N6为节点编号；B1，…，B6为支路编号；Eik=1表示节点i的负荷通过支路k进行传输；Eik=0表示节点i的负荷不通过支路k进行传输。

通过关联矩阵E建立支路电流与节点功率的关系如下：

(10)

式中：N为节点个数；UN为节点额定电压。

当节点i减小功率ΔSi后，在支路k上减小了ΔIk的电流，则支路电流与节点功率的关系为

(11)

通过式(10)、(11)可计算支路k电流对节点i功率的灵敏度rik如下：

(12)

根据关联矩阵E和支路电流灵敏度可知，图1的支路电流对节点功率的灵敏度矩阵R如下：

(13)

3 节点边际扩容效益

根据支路电流对节点功率的灵敏度矩阵R可知，支路电流矩阵IB如下：

IB=RTSnode

(14)

式中Snode为节点功率矩阵。

通过支路电流矩阵IB可计算节点边际扩容效益矩阵CLMEB如下：

(15)

仅考虑分散式风电接入节点i的边际扩容效益，则该分散式风电接入到配电网系统中产生的深度扩容效益为

Cw1=SwCLMEB,i,0

(16)

式中：Sw为分散式风电的接入功率；CLMEB,i,0为分散式风电接入节点i前节点i的边际扩容效益。

当分散式风电接入配电网后，根据上述过程，可获得接入的节点边际扩容效益矩阵CLMEB,1。接入前后各节点边际扩容效益变化矩阵ΔCLMEB如下：

ΔCLMEB=CLMEB,1-CLMEB,0

(17)

考虑该节点功率对整个配电网其他节点的边际扩容效益的影响而产生的扩容效益如下：

(18)

式中ΔCLMEB，j为非接入点节点j由于接入分散式风电而产生的节点边际扩容效益变化值。

根据式(16)、(18)可知，分散式风电接入产生的深度扩容效益Cw如下：

Cw=Cw1+Cw2

(19)

4 风电容量可信度

风电场出力具有随机性和间歇性等特点，属于一种不可控的电源形式，其并网后对电力系统的容量贡献与常规机组有较大不同，因此客观评价风电场的容量可信度对接入系统的长期规划问题具有十分重要的意义[9-11]。

风电容量可信度Cwind指在等可靠性前提下风电机组可替代的常规机组的容量占风电场总容量的比例[9]。通过风电容量可信度使不可控的、带有波动性与随机性风电参与传统的电力规划分析与计算成为可能。

5 算例分析

本文采用某地区配电网作为研究对象，分析分散式风电的接入对配电网扩容效益的影响，具体接线图及参数如图2所示，支路载流量和投资成本如表1所示。

未接入分散式风电的节点边际容量成本如图3所示，由图3可知，在未接入分散式风电前，节点12的节点边际容量成本最高，达到26.5元/(kV·A·a)，随着节点离电源点越远，其节点边际容量成本越大。这是因为需要经过的中间节点较多，所利用的供电设备也越多，即末端节点有更大的线路扩容容量投资，其新增负荷供电成本也会较高。因此，在末端节点接入分散式风电将产生更高的效益，这与分散式风电就地消纳的政策相符。

图2 某配电网接线图及参数Fig.2 Wiring diagram and parameters of distribution network

线路型号载流量/A投资/(元·km-1)变压器型号投资/元LGJ-70195144109SFSZ7-16000/1101247400LGJ-120260163020SSZ10-31500/1102123600LGJ-150325167699S9-10000/35480050S9-5000/38.5294100

图3 未接入分散式风电的节点边际容量成本Fig.3 Locational marginal capacity cost without dispersed wind power

根据风资源就地消纳原则，本文选取从节点11—13接入分散式风电。设分散式风电接入功率为5 MW，其容量可信度为36.35%[9]。将分散式风电接入节点11后的节点边际扩容效益如图4所示。

图4 节点11接入分散式风电后的节点边际扩容效益Fig.4 Locational marginal expansion benefit (LMEB) after node 11 access to dispersed wind power

由图4可知，与节点11同树枝的节点3和节点5都由于扩容时间延缓，导致其边际扩容成本减小，从而产生节点扩容效益；同时距离电源点越远的节点其边际扩容效益增加越明显。而另一条树枝上的节点，如4、8、7、6、12的边际扩容效益基本没有变化，这是因为在忽略损耗的情况下，节点11并入分散式风电，对与它无关支路的负荷影响几乎为0，所以也不会对节点边际扩容效益产生明显影响。

图5 节点12接入分散式风电前后的节点边际扩容效益Fig.5 LMEB after node 12 access to dispersed wind power

图6 节点13接入分散式风电前后的节点边际扩容效益Fig.6 LMEB after node 13 access to dispersed wind power

通过式(19)计算得到在节点11接入分散式风电所产生的深度扩容效益为73 407元/a。将分散式风电接入节点12后的节点边际扩容效益如图5所示。通过式(19)计算得到在节点12接入分散式风电所产生的深度扩容效益为123 490元/a。将分散式风电接入节点13后的节点边际扩容效益如图6所示。通过式(19)计算得到在节点13接入分散式风电所产生的深度扩容效益为86 270元/a。

对比节点11—13接入分散式风电所产生的深度扩容效益可知，选取节点12作为分散式风电的接入点，能产生更大的扩容效益。因为在分散式风电接入前，节点12的节点边际扩容效益边际扩容成本最大。说明向节点12的传输电能的供电设备最迫切需要扩容，接入分散式风电后，可以就地消纳节点12的负荷，从而延缓扩容时间，产生更大的扩容效益。

6 结论

(1) 分散式风电接入后，与接入点在同一条树枝上的其他节点的边际扩容成本会相应减小，不在同一树枝上的节点边际扩容成本基本不变。

(2) 越靠近树枝末端的节点，具有的边际扩容效益越大，在该节点接入分散式风电，则会产生更大的扩容效益。

(3) 在选取分散式风电接入点时，根据风资源大小，可以考虑选择节点边际扩容效益最大的节点接入，从而能最大限度地减少支路传输成本，延缓扩容时间，产生更大的扩容效益。