含光伏發電的配電網消納能力研究

楊俊，紀云龍，蒙昌營，王基圳，段銀環，楊娟

（國網新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

1 研究背景

世界環境日趨惡劣以及全球資源逐漸緊缺是眼下社會所主要面臨的重大問題。所以，利用清潔能源作為發電材料的方法，近年來在世界范圍受到了重點關注。清潔能源發電技術從未像今天這樣倍受世界關注，并且逐漸走向主流。而分布式光伏發電就是其中一種可再生清潔能源，并且經過近年來的發展，光伏發電技術已經慢慢地成長為一種解決環境惡劣以及資源緊缺這兩大問題的主要手段之一。目前該項發電技術的普遍容量為13400MW，根據技術人員的研究表明，預計2050年，由于太陽能直接運用于光伏發電中的比率會提高至13%～15%，同時由于我國基于對環境保護的策略，因此會大力推動光發電技術以及產業的發展。

由此來看，光伏相關產業的創新以及進步是十分明顯的，其經濟效益也十分顯著，雖然光伏企業為國家帶來了種種好處，其發展也正被大力推動，但是，在光伏發電的并網發電中，配電網的穩定不能得到保障，其對光伏發電的消納能力使光伏領域都是一個很大的障礙。在面對大量的分布式發電接入電網的情況下，對于這一問題處理并優化其性能的研究，是非常有必要的。

目前，國內外學者對分布式光伏發電的最優容量進行了深入的研究。不僅從電壓約束的角度研究了分布式發電的容量，并且從短路電流的層面結合圖標研究了該發電方式的容量。我國目前對分布式發電的探究部分都是對其能耗的研究，但針對有關分布式光伏發電的消耗問題并未進行深入探究。本文依照該發電方式的特征，通過分析和對比光伏發電的基本原理、該發電方式的消納原理的基本介紹，通過不同角度對含光伏發電的配電網消納能力進行研究分析。

2 關于分布式光伏發電的信息概述

分布式發電是一種獨立運行或并網運行的能源供應方式。發電技術包括小規模發電、小規模發電、太陽能光伏發電、生物智能發電、燃料電池發電等，太陽能發電以其清潔、可再生、易獲得等優點得到了廣泛的應用。光伏并網發電系統主要由光伏陣列、逆變器、儲能、電力電子變換器等環節組成。通過光伏板，將太陽輻射能轉換為低壓直流電，再通過逆變器轉換為交流電。根據光伏系統容量，380V電源通過升壓并網。目前，光伏電站并網主要有兩種模式，即“全并網”模式和“自發、剩余功率并網”模式。在“全通電”模式下，光伏電站產生的電能將全部送至電網，光伏電站只租用場地，售電與銷售沒有直接關系；而在“自發、剩余通電”模式下，光伏發電系統價格較高的是供電，而價格較低的無止境的企業用電則被送入電網。

3 關于消納能力的分析

3.1 關于消納能力的基本概述

電力消納的意思即電力消化和吸納的能力。由于在發電廠內——無論是以任何形式進行發電（如風能、煤炭等原理）后再將電路輸送到網上，而電能是無法進行隨時的儲存，因此電力在產生后必須馬上進行消費，這也就要求將多余的電能通過調度的方式輸送到有需求用電的地點——這便是電力消納的具體內容。其重要功能之一是促進清潔能源消費，主要是將分布式新能源聚合為實體，形成虛擬發電廠，以多能互補的形式提高分布式新能源的友好并網水平和電網可調容量比例，優化調度，實現跨區域協同控制，推進新能源集中跨省交易和分布式跨省交易。可以預計，未來物聯網建成后，由于發電和用電終端的數據已經通過通信網絡實時反饋，所以通過控制中心可以實現供電能力和負荷需求的匹配。并在大量數據的基礎上進行準確預測，從而避免棄電事故的發生。由于對終端供需數據的準確把握，有利于匹配電力交易，使新能源發電企業能夠實現效益最大化。

3.2 消納能力的分析與測算

電網傳輸的能力直接決定了風電消納的能力。在測算最大風力消耗能力以及選擇合適的并網點時，一定要提前對電網負荷以及輸電限制進行考量，同時也要注意電網的電壓穩定性與潮流分布特性。風力發電機組的最大出力由以下公式表示：

式中，PLmax為網內最大負荷；Pout為省間外送極限；PHY為水電機組出力；PTHmin為火電機組最小出力。

3.3 風電出力最大消納能力

計算風電發電的電力消納能力的基本原理，是在不限制風電輸送的基本背景下，針對某一具體容量的風電機組、且在反調峰的特性下——通過該方對針對系統調峰能力進行詳細測算，參考負荷水平和電網的實際運作需要，針對非風電機組的開機容量PT、對應調峰能力P1進行確定，并進行詳細的計算得到具體數據。

最大發電負荷為PGmax：

此外，參考負荷的基本特征，通過以下公式可以得到關于統調峰容量需求P2以及系統調峰能力裕量ΔP:

通過風電的最大峰谷差值系數RW與ΔP的比值，從而得到最大風電裝機P Mmax：

式中，PGmax表示最大發電負荷；PGmin表示最小發電負荷；PLmax表示最大統調負荷；Kemergency表示事故備用率；KLoad表示線損率；KG表示場用電率；KLoad表示負荷備用率；KR表示旋轉備用率。

4 高比例戶用光伏發電并網帶來的影響

4.1 電壓越限和波動

光伏并網后，如果光伏發電在當地不能充分利用，剩余電力將注入電網形成反向潮流，導致配電變壓器母線的饋線電壓逐漸升高；光伏發電的普及率越高，反向功率越大，饋線電壓越高，網損越大。值得注意的是，負荷與光伏輸出高峰小時往往不能重疊，這使得節點電壓分布在一天內發生顯著變化。白天的剩余光伏功率會導致過電壓風險，而夜間的重負荷會導致欠電壓風險。此外，光伏并網有功功率會隨著太陽輻射強度、云層和溫度的變化而變化，導致配電網電壓發生的波動明顯。

4.2 電壓三相負荷不平衡

形成低壓三項不平衡的關鍵因素為三相線路的參數不對稱以及三項負荷不平衡。這種不平衡的現象在戶用光伏單相并網后會更加嚴重。其中接入容量的差異以及光伏的接入位置都分別對低壓三項不平衡有一定的干擾作用。以接入容量的角度考慮，戶用光伏并網的容量與其對電網的影響程度成正比。以接入位置來考慮，若在饋線頭端接入光伏電源，則不平衡的現象并不是很明顯；而在饋線末端將其接入，不平衡度將大幅提高。在這種電網低壓三項不平衡的情況下，不僅正序電流會造成損耗，而且負序以及零序電流都會產生損耗。因為這類損耗的存在，使得電網的總損耗增大，其經濟效益也有所下降。

4.3 諧波

導致電網諧波含量上升的主要因素是由于非線性負荷的分布過量且分散導致的。因為光伏板必須通過逆變器實現并網，因此,它的非線性運行的特點導致出現諧波問題的頻次更突出。與三相電壓不平衡的現象基本一致，光伏接入容量和位置同樣也會導致諧波失真的程度受到影響。例如，當接入位置一定時,就會導致接入容量變大，從而導致配電網的諧波畸變的情況就會上升；而在接入容量一定的情況下，當接入位置愈接近線路末端的情況下，配電網的諧波畸變水平也會隨之提高。諧波的現象會引起變壓器、發電機以及一些電氣設備的出現發熱異常的情況出現，此外，諧波電流對電能計量也會產生不同程度的影響，從而導致計量誤差問題的出現。

4.4 對配電網管理的挑戰

戶用光伏屬于用戶所有，規模大、分散，不能完全由電網公司控制。用戶的隨機訪問或退出會加劇網絡運行的不確定性。用戶是光伏并網發電的直接受益者，但目前用戶所配備的控制設備較少，這就導致電網公司需要投入大量資金對配電網進行升級改造，可能會限制并網用戶的光伏發電能力，所以是非常必要的，難以兼顧公平，加大了電網公司的管理難度。目前，光伏發電并網電價的政策成分很多，隨著戶用光伏并網比例的提高，有必要逐步建立市場化的電價形成機制。

5 智能調度方法評價

以智能電網調度技術支持系統為背景，通過AGC目標值與實際值的比較，驗證了智能調度方法的準確性。自動計算風電場在每個周期內每個采樣點的實際配電盤輸出。通過對AGC目標曲線的偏離來判斷時間是否在功率限制期內。當兩值重合度很高時，偏差接近0的點為功率限制時間，當兩值重合度很低時，為非功率限制時間。在限電期間，風電場配電盤出力AGC目標曲線與實際曲線比較接近，且偏差較小。該智能調度方法能自動準確地計算出各風電場的發電容量阻塞期，最大限度地減小風電理論功率的計算誤差。

6 結語

本文以大規模分布式光伏風力發電為對象，研究了基于電網功率平衡的發電數據智能調度方法。在計算不限制風電出力的最大風力發電能力和限制風電出力的最大風力發電能力的基礎上，依據光伏電站并網的運行特征，對其驗收能力做出了評估，總結并歸納，以便于整理實時消耗資料。AGC模塊整體對用電數據進行及時的調控，可以運用SDH的電耗數據進行自我調控，通過對其目標和實際數值的比較可以得出，風電出力的總體AGC曲線，二者之間的差距很小。這一手段可以自行精確得出各個風電場的發電能力，最大程度地降低風電理論功率的演算偏差。