基于能源互聯網技術的電網分布式電源布置分析

朱 慧 周 艷 吳文龍 戚思源

（國網江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區供電分公司）

0 引言

全球范圍內對環境問題的關注帶動了新能源發電與分布式電源的廣泛應用，相較于傳統集中式電源，分布式電源可為可再生能源和不可再生能源獲取提供便利，直接接入配電網為電網輸送能量。然而，分布式電源運行期間也面臨著使用頻率過高與電力用量過多的問題，一定程度上增加了配電網負荷，導致難以完全滿足分布式能源電網接入需求。針對這一情況，有必要對電網分布式電源布置展開深入研究，保證配電網的有效運營。

1 能源互聯網技術對分布式電源的促進作用

我國經濟技術水平的發展帶動了電力能源技術創新，能源互聯網技術就是其中的典型代表。根據能源互聯網與分布式電源互動規范 （GB／T41236-2022），能源互聯網以電能為核心，實現能源系統與信息通信系統的深度融合，將集中式及分布式可再生能源作為主要能量單元，對多能源生產、傳輸、分配、存儲、轉換等環節進行協調，逐漸構建起多元化、多形態的新型能源利用體系［1］。在可再生能源技術、通信技術以及自動控制技術的應用下，能源互聯網技術可以進一步實現廣義上的 “源—網—荷—儲”協調互動，達成生產供給協調優化與資源優化配置的目的［2］。能源互聯網技術的關鍵在于通過互聯網理念、方法和技術推動能源基礎設施架構的變革，其具體表現在三個方面，一是通過光伏、風能等關鍵技術發展新能源發電，確保電力開發利用與發電技術需求相適應；二是大力發展大容量輸電技術和電網安全控制技術，保證電網運行的安全性與穩定性；三是將電網與信息通信技術有機結合，實現對電網數據的智能化處理。由此可見，能源互聯網技術的應用有效實現了能源行業、通信行業、互聯網行業領域的融合，為分布式可再生能源大規模利用、共享提供途徑，在保證電網運行安全穩定的同時進一步提高對分布式可再生電源的利用消納能力［3］。

2 分布式電源運行現狀及約束條件

2.1 分布式電源運行現狀

分布式電源指的是由用戶自行配置的容量較小的發電項目，主要包括分布式光伏、風能等。調查數據顯示，截止到2021年，我國主要分布式能源累計裝機容量達19989.94萬kW，同比增長19.99%，且分布式能源市場將持續保持高速增長的趨勢。

對于分布式光伏來說，根據國家能源局發布數據，2022 年上半年，全國光伏發電新增裝機30.88GW，同比增長137%，其中分布式光伏新增裝機19.65GW，占比達63%；2023年上半年，全國戶用光伏新增裝機容量8.914GW，同比增長52%。隨著“十四五”能源規劃的提出，分布式光伏項目開發建設將進一步朝向規范化、規模化、產業化方向發展［4］。

針對分布式風電國家能源局連續出臺了相關政策措施，發揮風電產業監測的引領作用，有序開展風電基地建設，推動風電產業穩定發展。調查數據顯示，截止到2021年，中國分布式風電累計裝機996.3萬kW，隨著分布式發電與供能技術發展，2023年中國分布式風電新增裝機量可同比增長66.6%。分布式風電作為可再生能源的重要組成部分，具有廣泛的發展前景。

2.2 分布式電源運行約束條件

基于能源互聯網技術可得到分布式電源布置過程中的約束條件。

（1）反向潮流約束

電網分布式電源反向潮流約束表達式為：

（2）系統功率平衡約束

系統功率平衡約束可實現對分布式電源優化計算中的等效計算，表達式為：

其中，ZLD表示的是接入節點LD負荷；ZDR表示的是接入節點DR負荷；ZDG表示的是接入節點DG負荷；s、t、i分別表示的是電網場景、時間與電流；分別表示接入節點LD有功功率負荷與無功功率負荷；分別表示接入節點DR、G、DG的有功功率；分別表示接入節點DR、G、DG的無功功率。

（3）電源出力約束

分布式電源DG出力約束表達式為：

3 分布式電源出力特性及優化路徑

3.1 分布式電源出力特性

（1）分布式光伏

分布式光伏出力主要受到太陽輻射強度大小影響，而一定時間段內的太陽光照強度可通過Beta分布隨機變量表示，進而分布式光伏出力也與Beta分布規律相符，其表達式為：

其中，α表示的是Beta分布函數形狀參數；β表示的是Beta分布函數尺寸參數；Rm表示的是光伏最大出力值；M表示的是光伏電池板數量；η表示的是光電轉換效率；rmax表示的是最大光照強度。

（2）分布式風電

分布式風電出力特征主要受到風機出力特性與風速的影響，風電有功出力與風速之間的關系式為：

其中，k1、k2表示的是形狀系數；Pe表示的是發電機額定功率；vci表示的是風速切入值；vco表示的是風速切出值；vr表示的是風速額定值［5］。

3.2 分布式電源布置優化路徑

（1）安裝位置

結合分布式光伏、風電出力特性，在進行電源安裝時，應考慮其位置不同所受到的影響，若安裝位置具有充足的光伏和風電資源，那么一定周期內的饋線損耗表達式為：

其中，Pi表示的是第i條饋線損耗功率；t0表示的是原始時刻；n表示的是饋線數量；Ri表示的是饋線電阻；分別表示饋線有功功率與無功功率；Ui，t表示的是支路電壓。

（2）發電成本

分布式電源發電成本計算公式為：

其中，fw表示的是風力發電成本；fPV表示的是光伏發電成本；x表示的是發電機數量；ax、by分別是發電機及光伏發電價格；Pwx、PPV為發電機與光伏發電功率容量；r表示的是貼現率；L（Pwx）、L（PPV）表示的是發電機及光伏發電折舊費用。

4 對比試驗分析

IEEE37節點配電網構架如圖所示。

配電網系統電壓為35kV，基準容量為15MV，采用最大滲透率為0.4的分布式電源，接入1000個用電設備，共計35個接入節點。電網投資成本、運行成本、購電成本以及補償成本分別為1200元／kW、1800元／kW、0.5元／（kW·h）、200元／kW，現提出發電成本最小的電源安裝方案1與各指標較為均衡的方案2，兩種方案的數據對比情況如表所示。

圖 IEEE37節點配電網構架示意圖

表 分布式電源布置參數對比

根據表可知，方案2可以在減少電費損失和發電成本的基礎上進一步增加經濟收益，是最優的分布式電源布置方案。在此技術上，基于能源互聯網技術對兩種方案進行對比。將電網分別引入低負荷與高負荷線路，低負荷環境下方案1的線損最低，而高負荷環境下，兩種方案的線路損耗都有所提升，但相較之下方案1受到的影響較小，這主要是因為在進行分布式電源布置前，先獲取其約束條件導致電網線路損耗減少，保證了電網的穩定運行。

5 結束語

綜上所述，為解決分布式電源運行期間配電網負荷過大的問題，可以對分布式電源布置展開優化研究，在能源互聯網技術的支持下，可以獲取電源布置的約束條件，進而根據分布式電源的出力特性提出優化函數，為電網分布式電源布置優化提供數據支持。