有源配電網中分布式電源接入與儲能配置

劉建偉，李學斌，劉曉鷗

（中國能源建設集團天津電力設計院有限公司，天津市 河東區 300180）

0 引言

含分布式電源的配電網，亦稱為有源配電網(active distribution network，ADN)[1-3]，作為分布式能源利用的主要手段，對緩解能源危機、優化能源結構、推動節能減排、調節電網負荷峰谷差、改善電能質量具有重要意義[4]。微網作為分布式電源接入電力系統的有效利用方式，能實現大規模、多類型的新能源就地消納和即插即用，正在成為有源配電網的關鍵一環[5]。當微網在配電網中大量存在并發展成多微網系統(微網群)后，可以通過尋求微網之間的連接方案，即合理構建基于微網的有源配電網，來構建新型有源智能配電網[6]。

隨著有源配電網理念的提出和示范項目的廣泛開展，有源配電網系統優化配置與協同調度成為國內外專家學者關注的熱點[1-10]。目前，國內外學者在有源配電網系統的建模仿真和優化控制方面進行了諸多研究，但對于面向工程端的系統協調開發與整體方案設計研究還有待改善，亟須探索既符合國情又符合產業發展趨勢的有源配電網系統建設方案與應用研究，以便更好地促進清潔能源就地消納與源配電網的良性發展。為此，本文從工程實際出發，充分借鑒現有研究結果，參考相關規范設計，總結提煉有源配電網設計的一般規律，以期為有源配電網方案設計提供技術支撐。

1 有源配電網方案設計的基本原則

1.1 方案設計的內容

確定有源配電網的設計內容是設計有源配電網的首要任務，現有的規程規范中少有這方面的闡述。因此，本文在研究現有有源配電網示范工程的基礎上，參考電力系統相關設計規范，歸納了有源配電網方案設計的相關內容，其中與常規配電網規劃設計的差異如下：

1）系統一次。確定有源配電網中分布式電源和逆變器類型、裝機容量和遠期規劃裝機容量，負荷類型、容量和遠期預測容量，儲能裝置類型、安裝容量和遠期規劃容量；確定有源配電網網絡結構、電壓等級，并進行相應電氣計算，對主要電氣設備選型提出要求。

2）系統繼電保護及安全自動裝置。根據系統一次有源配電網設計方案，提出系統繼電保護、安全自動裝置的配置原則方案，并且當有源配電網不具備穩定功率輸出的能力，接入系統時需提出防孤島檢測配置方案，給出防孤島與備自投裝置、自動重合閘等自動裝置配合的要求。

3）系統調度自動化。結合用戶需求，分析配置有源配電網能量管理系統的必要性，對于需配置的工程，需確定能量管理系統的配置方案，包括能量管理系統的功能、風功率、光伏發電功率預測系統，以及系統信息上傳、命令下發的方式等。

1.2 方案設計的基本技術原則

有源配電網設計應滿足國家、行業和企業現行技術標準的規定，認真貫徹執行國家頒布的工程建設強制性條文。本文在總結相關標準基礎上，整理得出方案設計的基本技術原則如下：

1）電壓等級。有源配電網電壓等級的選擇應按照安全性、靈活性、經濟性的原則，根據有源配電網中分布式電源和負荷的容量、并網線路載流量、大電網中上級變壓器及線路可接納能力、地區配電網情況綜合比選后確定。

2）并網聯絡線導線截面。有源配電網并網線路導線截面選擇需根據所需交換的容量、并網電壓等級選取，并考慮有源配電網運行控制策略的影響等因素；導線截面一般按持續極限輸送容量選擇。

3）開關設備。并網開關置于連接有源配電網與大電網間的公共連接點處。在發生大電網故障、電能質量等事件時，靜態開關應該能自動地將有源配電網切換到孤島運行狀態；此后，當上述事件消失時，它也應自動實現有源配電網與大電網的重新連接。

4）繼電保護及自動裝置。有源配電網繼電保護及安全自動裝置配置應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求，其技術條件應符合現行國家標準GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》、DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》和GB 50054—2011《低壓配電設計規范》的要求。

5）有源配電網運行控制。有源配電網系統應配置頻率、電壓控制裝置，孤島內出線電壓、頻率異常時，可對發電系統進行控制。

6）并離網切換。按照當前有源配電網技術發展條件，先期推薦選用有縫切換方案，并具備試點開展無縫切換的試驗，技術成熟時可實現進行無縫切換。

7）電能質量在線監測。有源配電網系統接入配電網需在公共連接點裝設電能質量在線監測裝置，并將相關數據傳送至上級運行管理部門。

2 有源配電網容量優化配置方法

由有源配電網方案設計的內容可以看出，在對方案進行設計時需確定有源配電網內各分布式電源和儲能系統的類型和容量，合理的容量規劃是保證有源配電網及大電網安全、可靠、經濟運行，以及提高清潔電源利用效率的基礎[11]。本文從工程實用角度出發，分析了電力系統的相關規程規范，提出了優化配置分布式電源和儲能容量的具體方法。

2.1 風光資源數據的處理

風速、光照強度和氣溫對風機和光伏的出力至關重要，本文所述的容量優化配置方法的基礎為小時級風光資源數據。然而在工程的規劃設計階段很難獲取安裝地的小時級風光資源歷史數據，大多數據為全年月均值，基于此，本次研究查閱了國內外相關文獻，歸納總結了由風速、光照強度月均值合成全年每小時風速和光照強度的數學方法，解決了規劃設計階段獲取風光資源數據的難題。

2.1.1 風速數據的合成

大量研究[12-14]表明，風速的數據與兩參數的威布爾分布最為接近。本研究也是在此基礎上進行合成，利用反函數變換法和隨機數產生方法來生成相應的小時級風速數據。

2.1.2 光照強度數據的合成

光照強度受日地天文關系的影響，以年為周期變化[15-17]。本研究在此基礎上根據光照強度月均值計算出月均晴朗系數，并利用經驗公式生成與月均晴朗系數相關的全年每小時晴朗系數，最后利用HDKR模型計算出傾斜面上可獲取的每小時光照強度數據。

2.2 優化目標及約束條件

2.2.1 經濟性

對于有源配電網運營商，經濟性是其考慮的首要問題，本文全面考慮了各分布式電源全壽命周期內初始投資、運行維護費用和設備替換費用。同時研究了現有分布式電源運行的相關政策，將政府的補貼作為輸入條件計入經濟性目標之中。有源配電網的總成本現值表示為

式中：NDGj為第j個分布式電源的容量；PDGj為第j個分布式電源全壽命周期內的成本現值；Cg為從配電網購電的成本；Cs為有源配電網的發電補貼；K為有源配電網包含的分布式電源數量；FRF(i,N)為資金回收系數，其中i為年利率，N為工程壽命。

2.2.2 可靠性

保證對用戶供電的高可靠性是體現有源配電網優越性的關鍵。本文引入有源配電網系統全年失負荷概率PALL來表征有源配電網的供電可靠性[18]：

式中：Ploss(t)為切除負荷功率；PL(t)為負荷在線功率。

2.2.3 可再生能源利用率

可再生能源利用率是反映有源配電網中分布式電源容量設計是否合理的指標，本次研究也引入該指標作為目標參與優化。有源配電網全年可再生能源利用率表示為

式中：Pwaste(t)為滿足有源配電網安全運行而減少的光伏或風機的出力；Ppv(t)為光伏可用出力；Pwt(t)為風電可用出力。

2.2.4 分布式電源容量

由于風力發電機、光伏組件以及蓄電池等在安裝的過程中通常受到安裝場地的限制或用戶自身需求的影響，因此本文將各分布式電源容量的上下限作為輸入條件參與到優化過程中。

2.2.5 儲能系統可靠運行

為保證有源配電網的安全可靠運行，本文研究考慮儲能系統在運行過程的充放電功率限制、荷電狀態限制以及循環使用次數等約束[19-21]。

2.2.6 其他約束

本文分析了《電力系統電壓和無功電力技術導則》《電能質量——電壓波動和閃變》《分布式電源接入電網技術規定》和《工業與民用配電設計手冊》等相關規程規范，確定有源配電網規劃設計過程中考慮極限輸送功率、電壓損耗、電壓波動以及有源配電網友好接入等約束。

3 方案設計

3.1 有源配電網系統設計

有源配電網內的電源包括分布式發電裝置和分布式儲能裝置，儲能系統的配置功率和配置容量需要根據有源配電網內可再生能源的接入情況和負荷的變化情況設計[22]。根據分布式電源接入方式不同[23-25]，有源配電網有低壓用戶微網、配電支線微網、饋線級微網和變電站級微網4種模式。

3.1.1 低壓用戶微網模式

低壓用戶微網模式將分布式電源直接接入配電變壓器的0.4 kV側，由0.4 kV低壓負荷就地消耗，不允許向電網反送潮流，在并網點處裝設并網斷路器和逆功率保護。

該模式適用于規模適當、供電可靠性要求較高的低壓0.4 kV用戶側，系統由風機、光伏、儲能、微型燃氣輪機、燃料電池、家庭集群負荷等構成，容量一般小于2 MW。低壓用戶微網模式如圖1所示。

圖1 低壓用戶微網模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-voltage user microgrid mode

3.1.2 配電支線微網模式

配電支線微網模式將分布式電源接入配電變壓器0.4 kV側或配電支線上，由配電支線區域負荷就地消耗，最終通過斷路器接入配電主干。由于受分布式電源電力方向和大小的影響，需在并網點處調整常規保護配置。

該模式適用于容量中等、供電可靠性要求較高、用戶較為集中的配電區域，由10～110 kV配電支線和0.4 kV用戶2個層級組成，容量通常在2～5 MW。配電支線微網模式如圖2所示。

圖2 配電支線微網模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution branch line microgrid mode

3.1.3 饋線級微網及變電站級微網模式

有源配電網組網如圖3所示。饋線級微網由一條10～110 kV配電干線及其所帶的支線和0.4 kV用戶3個層級組成，最終通過斷路器接入變電站配電母線，容量通常在5～10 MW。變電站級微網由變電站所帶的多條饋線組成，容量通常大于10 MW。

圖3 有源配電網組網示意圖Fig.3 Schematic diagram of active distribution network

這2種模式適用于覆蓋范圍更廣、電能質量影響較大的配電區域，隨著接入容量的增加，對配電自動化控制和保護的要求更高、更復雜。

3.2 接入模式對比

分布式電源的接入對配電網會產生明顯的影響，且不同的位置和容量產生的影響也會不同[26]。分布式電源接入時遵循“安全可靠、資源節約、運行高效”的原則，通過技術經濟比較確定接入系統設計方案：首先，應充分考慮電網的調峰能力、上級變電站或者線路的可接納能力等；其次，應綜合考慮近期及遠期裝機規模、配電網現狀和規劃情況等因素；最后，還要考慮不同接入方式對電能質量、經濟性、運行、管理維護難度等因素的影響。接入模式具體可分為集中接入和分散接入2種方式，其優缺點對比如表1所示。

表1 集中接入和分散接入對比Tab.1 Comparison between centralized access and decentralized access

3.3 儲能系統容量配置

3.3.1 儲能系統的定容原則

有源配電網中儲能系統容量配置時應以需求為導向，考慮削峰填谷、跟蹤計劃出力、緊急支撐電源、需求響應等典型應用場景，按照綜合應用需求進行容量配置[27]。在項目規劃設計階段，可以通過建立全生命周期內的目標函數和約束條件，將儲能系統容量作為優化變量，采用遺傳算法、粒子群算法等進行優化求解。在實際工程中，通常應用針對分布式電源開發的規劃設計軟件，如美國能源部可再生能源實驗室的HOMER和Hybrid2軟件。

3.3.2 基于風/光功率及負荷預測的儲能容量配置

對于同時具有風力發電和光伏發電接入的有源配電網，并網系統的典型結構如圖4所示，該模型包含風電機組、光伏發電機組、本地負荷、燃氣輪機、儲能系統、無功補償裝置，它們直接或間接地連接到升壓變壓器T的低壓側母線B0，通過(并網裝置)高壓側母線B1并入電網。

圖4 接入風電和光伏的有源配電網系統典型結構Fig.4 Typical structure of active distribution network system connected to wind power and photovoltaic

風能、太陽能都屬于不可控電源，其并網會對系統故障率及暫態穩定性產生影響；負荷的波動性也會對系統故障率及暫態穩定性產生影響。因此，需要同時考慮三者隨機變化對儲能配置的影響。

首先統計有源配電網系統快速反應的啟動時間tr，結合風電場、光伏電場的功率預測數據以及負荷功率預測數據，計算在任意Δt時間段內微電網系統的不平衡功率波動ΔP(Δt≤tr)，考慮容量安全裕度系數η，則可計算該微電網系統的最小儲能容量配置w。含風電場和光伏電場有源配電網儲能配置最小容量可表示為

式中：tj-ti≤Δt，j＞i；Pwti、Pwtj分別為Δt時間段內時刻i、j風力發電隨機出力；Ppvi、Ppvj分別為Δt時間段內時刻i、j光伏發電隨機出力。

4 案例分析

為運用新技術推動科學技術進步，保護自然資源和生態環境，優化區域電源和網絡結構，發揮分布式電源與儲能效能，國家電網以天津中新生態城為試點開展了智能電網示范工程。

4.1 總體架構

天津中新生態城示范項目中，以微網的形式實現了冷/熱/電高效利用，具有了綜合能源的雛形。以能源站為核心，以動漫園4棟樓的光伏發電系統為基礎，構成了能源站+10 kV能源微網系統，實現冷/熱/電的梯階高效利用。中新生態城能源供給方式如圖5所示。

圖5 中新天津生態城能源供給方式Fig.5 Energy supply method of China-Singapore Tianjin eco-city

生態城智能電網項目中，分布式電源項目主要考慮污水處理廠光伏、停車場光伏、園區三聯供機組、公路光伏、附近風電等分布式電源的接入及部分分布式電源微網運行方式，同時根據分布式電源特點合理配置儲能裝置[28]。中新天津生態城分布式電源接入方式如表2所示，多微網系統接線結構如圖6所示。

表2 中新天津生態城分布式電源接入方式Tab.2 Distributed power supply access modes of China-Singapore Tianjin eco-city

圖6 區域多微網分布式能源接入形式Fig.6 Regional multi-micro grid distributed energy access form

4.2 效果分析

4.2.1 企業效益

分布式電源、儲能系統的接入及微網運行方式的引入具有巨大的企業效益，具體如下：

1）節約電網建設投資。分布式電源及儲能的合理接入可以降低峰荷時配電系統對電網輸送容量的需求。電網公司在進行規劃時將分布式電源建設納入電網建設規劃的內容，可以利用微電網滿足負荷增長的需要，減少相應的輸配電建設投資，優化電力公司的資產管理。

2）降低線路損耗。由于分布式電源及其配套的儲能系統配置在負荷的附近，在送電過程中的電能損耗必然比通過遠距離輸電輸送同等容量電能的損耗要小，因此分布式電源及儲能系統的合理配置可以降低輸配電網的損耗。

3）提高供電可靠性。分布式電源及儲能以微網形式接入電網，可起到配電系統中備用電源的作用，在電力系統發生故障，尤其是在電網發生嚴重故障的情況下能夠支撐重要負荷，體現了智能電網堅強可靠、抵抗災害的特征，是有源配電網綜合效益中非常重要的部分。

4.2.2 社會效益

天津市中新生態城規劃建設的智能電網綜合示范工程在環境保護、資源配置等方面具有重要的社會效益：

1）節約化石能源的消耗。分布式電源采用光伏發電、沼氣發電等可再生清潔能源，可以減少化石能源的消耗。

2）減少溫室氣體排放。光伏發電在電能生產過程中不產生任何溫室氣體，而沼氣發電以生物質為發電原料，與燃煤火電機組相比，能大大減少溫室氣體的排放。

5 結論

隨著分布式新能源的開發與利用，“源網荷儲”良性協調互動，使得配電網勢必與分布式能源、儲能、可調負荷間高效融合。研究有源配電網中分布式能源接入與儲能配置，對支撐有源配電網科學發展具有十分重要的意義。從技術層面提出了有源配電網方案設計的原則和一般方法，確定了有源配電網方案設計的內容、分布式電源的設計原則以及有源配電網整體設計的技術原則，提出了分布式電源接入與儲能容量優化配置的一般方法，為有源配電網方案設計提供了技術支撐。有關結論如下：

1）有源配電網在系統一次、繼電保護及安全自動裝置、調度自動化方面與常規配電網規劃設計存在差異，基本技術原則應特別關注。

2）分布式電源和儲能容量的優化配置是有源配電網建設的基礎，應在經濟性、可靠性、可再生能源利用率、分布式電源容量限值、儲能系統可靠運行等方面進行目標優化和條件約束。

3）分布式電源和儲能容量配置有源配電網系統接入方式有低壓微網模式、配電支線微網模式、饋線級微網和變電站級微網模式，相應地，分布式電源接入可以采用分散接入、支線接入、專線接入等模式，儲能系統可以采用基于風/光功率及負荷預測的方式進行容量配置。

4）有源配電網與傳統配電網相比，具有網絡架構更堅強、供電可靠性更高、消納新能源能力更強、擴展靈活性更高和更易實現電力市場化等諸多優點。進行有源配電網新型拓撲與相關關鍵技術研究，是今后的研究方向。