基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法及其應用

楊 翾，孫 可，葉剛進，王駿海，張林強，常 誠，徐馳名

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

新能源中的光伏發(fā)電目前是一種較為成熟、可靠的技術，并已經逐漸從過去的地面集中式光伏系統(tǒng)朝大規(guī)模分布式并網方向發(fā)展，也是能源轉型和新一代電力系統(tǒng)的重要組成部分[1-4]。自2012年起，我國新能源發(fā)展進入快速增長階段，截至2016年新能源發(fā)電裝機容量已達世界第一,近年來我國部分地區(qū)分布式光伏呈現(xiàn)井噴式增長態(tài)勢[5-6]。杭州由于屬于Ⅲ類地區(qū)，光伏產業(yè)起步較晚，但鑒于光伏發(fā)展對于實現(xiàn)工業(yè)轉型升級、推進低碳城市建設等具有重要意義，浙江政府部門推出了一系列太陽能光伏扶持政策，目前杭州地區(qū)是全國光伏發(fā)展較快的區(qū)域之一。截至2017年底，杭州電網內可再生能源裝機容量達到近1 200 MW，其中光伏發(fā)電超過350 MW。大規(guī)模的屋頂分布式光伏并網對于大型企業(yè)屋頂十分友好，建設環(huán)境良好且光伏收益較快。以杭州境內的建德市為例，現(xiàn)有的大型工業(yè)園區(qū)就有6個，在政策鼓勵下建德地區(qū)開展的大規(guī)模光伏發(fā)電項目在浙江全省范圍內優(yōu)勢明顯。

但是隨著新能源大規(guī)模開發(fā)，漸漸出現(xiàn)政策法規(guī)的更新速度慢于光伏特別是分布式光伏發(fā)展的速度，同時光伏的管理部門較多也導致相關配套政策在制定時缺乏統(tǒng)籌協(xié)調，我國局部地區(qū)出現(xiàn)棄風、棄光現(xiàn)象[7-9]。政府高度重視新能源消納問題，出臺了一系列相應的政策文件，建立投資監(jiān)測預警機制，嚴控棄發(fā)限電嚴重地區(qū)新能源發(fā)展，對新能源發(fā)展總量進行控制，優(yōu)先保障新能源消納[10-11]。

根據(jù)杭州光伏發(fā)電并網現(xiàn)狀，積極學習世界先進行業(yè)知識和管理方法，本文提出一種新型基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法，通過提前預測評估分布式新能源的發(fā)展，優(yōu)化接入點的規(guī)劃布局，在對電網各電壓等級光伏發(fā)電接納能力科學分析和精確計算的基礎上，科學設置“插座”數(shù)量和具體位置，合理布局“插座”點，變被動為主動，前瞻性地做好主動配電網和智能電網的建設工作，保障電網安全、穩(wěn)定、經濟運行，將光伏發(fā)電并網管理工作帶入了“即插即用”的新時代。

1 分布式光伏接入現(xiàn)狀分析

目前國內對于屋頂分布式光伏并網普遍采用“先來先接、逐個接入”的并網管理模式，隨著光伏并網項目的增多，該管理模式在工作效率、時間周期及并網安全性等方面存在的問題日益凸顯，主要存在以下弊端：

（1）目前的電網規(guī)劃缺乏對新能源發(fā)電接入和消納的分析研究[12-13]，已無法滿足當前基于“源-網-荷-儲”的電網發(fā)展要求，所采用的“先來先接、逐個接入”的分布式光伏并網管理模式缺乏對光伏并網的有效管控，在引發(fā)網架結構混亂、運行方式不合理等問題的同時，光伏并網項目的增加也將帶來新一輪的電網改造，大幅增加電網的冗余投資[14-15]。

（2）隨著光伏發(fā)電項目相關政策的落地，分布式光伏項目猛增，工作量超過服務承載，造成光伏配套電網工程實施周期無法滿足用戶需求，導致用戶光伏項目并網難，影響了光伏項目服務質量。

（3）分布式光伏發(fā)電大多采用就近接入方式，接入點多、分布面廣，接線形式復雜多變，自動化、信息化程度較低，特別在調度管理方面，與傳統(tǒng)的無源配電網相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入不僅使配電網變成有源網而更加復雜，需要協(xié)調控制的對象也大大增加，調度管理難度增大[16-18]。在運行檢修方面，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網，使配電網中電源點數(shù)量增加，電源點分散、單點規(guī)模小、電壓波動性大、具有不穩(wěn)定性，將可能在電網調峰、安全備用、電壓穩(wěn)定和頻率安全穩(wěn)定等方面帶來一定影響，顯著增加了運行管理難度[19-20]。

本文提出的新型分布式光伏接入方法通過優(yōu)化配置“插座”，結合區(qū)域內具體線路的可接入容量和分布式能源資源分布特點，應用聚類分析的數(shù)學方法選取最優(yōu)分布式能源接入點位置，并結合建設投資、電壓質量、短路電流、線路損耗等指標參數(shù)的約束條件，對接入點的數(shù)量、可接入容量以及接入方案進行優(yōu)化。該方法不需要再對光伏接入項目逐個進行接入檢驗，而可以直接根據(jù)“插座”預留的容量，提前打通各部門審核環(huán)節(jié)，簡化工作流程，大幅提高光伏并網工作效率和客戶服務效率及客戶滿意度。

2 “插座式”接入方法

本文在吸收法國、德國多年新能源和分布式電源接入管理經驗和實際案例的基礎上，提出“插座式”分布式光伏接入方法，從光伏資源評估分析、“插座”優(yōu)化配置、引導靶向接入3個層面優(yōu)化分布式光伏的接入，建立光伏并網如同插頭直接插進插座般的并網模式，確保光伏并網工作安全、經濟、有序、便捷。該方法的框架見圖1。

圖1 “插座式”光伏接入方法框架

“插座”作為一種功能性裝置，以現(xiàn)有電網設備為基礎，在光伏發(fā)電并網管理工作過程中通過分線箱、環(huán)網柜的功能形式發(fā)揮“即插即用”的作用?！安遄苯尤胧疽馊鐖D2所示。

3 光伏資源評估

圖2 “插座”接入示意

本文利用配電網規(guī)劃中網格化分析方法，在電網發(fā)展規(guī)劃中網格劃分依據(jù)的基礎上，結合光伏特性，將若干個相鄰的區(qū)域分類等級相同或接近的、屋頂性質或對可靠性要求基本一致的地塊組成一個用電網格，以統(tǒng)一網格建設改造原則。通過高精度的衛(wèi)星航拍地圖，對每個網格區(qū)域的現(xiàn)有屋頂資源逐個分析和模擬預測，精確統(tǒng)計每個屋頂?shù)墓夥l(fā)電規(guī)模，計算區(qū)域光伏裝機容量，分析屋頂式光伏接入與電網消納能力的匹配度。

在分析過程中，本方法結合目前行業(yè)常規(guī)屋頂光伏發(fā)電能力數(shù)據(jù)，通過網格化分析預測園區(qū)屋頂式光伏裝機容量高、中、低三個發(fā)展水平，準確統(tǒng)計預測園區(qū)屋頂式光伏資源總量，并同政府用地規(guī)劃、電網規(guī)劃保持一致，有益于未來各個網格內光伏項目的管理和維護運行。

本文選取建德市安仁工業(yè)園區(qū)作為試點區(qū)域，應用“插座式”接入方法將園區(qū)按區(qū)域分為A和B兩個網格。通過對網格內屋頂資源的分析計算，得出安仁工業(yè)園區(qū)屋頂式光伏總裝機容量在15～25 MW，計算結果如圖3所示。

4 “插座”優(yōu)化配置

為解決大量光伏無序接入帶來的管理難題，本文提出提前設置“插座點”的方式，通過對多個小型系統(tǒng)聚集及接入位置的計算分析，科學設置“插座點”的位置和容量，并通過電網潮流分析優(yōu)化“插座”的設置，實現(xiàn)屋頂式光伏發(fā)電項目統(tǒng)一上網和管理。

4.1 聚類分析布局

圖3 安仁工業(yè)園區(qū)光伏資源評估結果

為了增強“插座”位置選取的科學合理性，在網格化區(qū)域的衛(wèi)星航拍圖基礎上，利用數(shù)學方法對圖中網格多個分散型屋頂進行聚類分析，實現(xiàn)對屋頂資源的統(tǒng)計整合。

考慮到目前尚無可參考借鑒的歷史數(shù)據(jù)，故選擇K-均值的分散性算法。該算法簡潔快速，在分類性聚集過程中，采用泰森多邊形算法構建德洛內三角網進行聚類，并通過繪制沃羅諾伊圖更加直觀地展示聚類結果。通過對選取區(qū)域屋頂位置的分析，以屋頂為中心確定K個中心點，根據(jù)泰森多邊形算法的約束條件，對周圍區(qū)域向最近中心點進行聚類靠攏。通過對安仁工業(yè)園區(qū)可能的光伏屋頂進行聚類分析，得出優(yōu)化不同光伏屋頂之間的線路連接，從而初步計算出每塊區(qū)域內屋頂式光伏資源理想接入點，得到初步的“插座”布局模式。

4.2 “插座”位置和容量優(yōu)化

初步的“插座”布局建立在純粹的數(shù)學方法上，但實際“插座”的布局不僅要考慮其最優(yōu)位置，還要考慮其容量，考慮是否能夠被電網有效消納。因此，需要結合“插座”接入點的最大光伏容量、接入線路或變電站的消納能力等因素，進一步優(yōu)化4.1中的“插座”布局，協(xié)調分布式光伏接入和電網運行。

為避免線路或分布式光伏故障對其他系統(tǒng)可靠性造成影響，結合10 kV線路的消納能力，建議每條線路每個“插座”接入點的最大容量應控制在4～6 MW。此外，考慮“插座”建設的有效使用面積和線路間隔使用率，建議對于就近接入工業(yè)園區(qū)“插座”接入點的單個光伏電站，其裝機容量應不低于100 kW，總數(shù)量不超過12個，最佳數(shù)量控制在 5～12。

4.3 接入并網優(yōu)化

在確定設置“插座”數(shù)量后，結合現(xiàn)有線路和目標網架的規(guī)劃以及線路的負載水平，分析接入滿載分布式光伏的“插座”后，各線路的可靠性水平、負載平衡、電壓質量和短路電流的影響等多方面因素，對“插座”接入電網的方式進行優(yōu)化，保證電網的安全可靠運行，同時減少后續(xù)光伏項目并網的方案設計工作量。

聚類分析方法下的接入點分布只是基于地理特點的最優(yōu)解，實際接入點選取需要考慮更多的約束條件，如建設投資、電壓質量、短路電流、線路損耗等，其函數(shù)表示如下：

式中：f1，f2，f3，f4分別代表光伏接入引起的電網建設投資、電壓質量、短路電流和線路損耗；L代表線路長度；p代表單位線路長度投資；ΔV為電壓偏差；U為光伏接入點電壓；UN為10 kV線路標準電壓；Ik指光伏接入后的10 kV線路短路電流；US，ZS分別表示短路電壓和短路阻抗；ΔP為光伏接入引起的損耗增加值；R為光伏接入后增加的電阻；UN，P分別表示光伏接入的系統(tǒng)電壓和功率。

對以上目標函數(shù)進行歸一化處理，消除量綱，結果如式（2）所示：

式中：Ar，Pr分別表示光伏“插座式”接入前的電網投資和電網損耗。

上述各項指標的目標函數(shù)值越小，“插座式”接入點的設置越趨于合理。因此，最終優(yōu)化的接入點在聚類分析方法的基礎上，還要滿足以上約束的目標函數(shù)之和最小，最終的目標函數(shù)可表示為：

式中：λ1，λ2， λ3，λ4分別為各個目標函數(shù)的加權系數(shù)，均大于等于0，可以通過賦予其不同的值來表示接入點的選取對某一目標函數(shù)的重視程度， 滿足 λ1+λ2+λ3+λ4=1。

5 引導靶向接入

本文基于“插座”的優(yōu)化配置結果提出分布式光伏并網“插座”地圖的概念，主要目的是將“插座式”光伏接入方法的成果進行可視化轉化，引導分布式光伏靶向接入。一方面主動介入光伏項目接入管理工作，將傳統(tǒng)的光伏接入模式由“無序被動”變成“有序主動”；另一方面主動對接政府，為政府新能源發(fā)展規(guī)劃工作提供輔助支撐。

建德市安仁工業(yè)園區(qū)的分布式光伏并網“插座”地圖如圖4所示。

圖4 安仁工業(yè)園區(qū)分布式光伏并網插座地圖

6 結語

本文提出一種新型基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法，為分布式光伏安全、經濟、有序、便捷接入構建科學有效的技術基礎，可有效促進電網公司對分布式光伏接入進行主動的全局安排和規(guī)劃，大大提高了分布式光伏接入管理的工作效率。

隨著分布式能源的發(fā)展，“插座式”接入方案理念還可結合有源電網規(guī)劃，從分布式能源和電網協(xié)調發(fā)展的更高層面出發(fā)，識別選取全局角度下的最優(yōu)接入點，更好地促進分布式能源的發(fā)展。