主动配电网分布式电源规划及经济性分析

钟 清，余南华，孙 闻，宋旭东，柳春芳，张 晗

（1.广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2.佛山电力设计院有限公司，佛山 528000；3.天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

近年来，国民经济快速发展，电力需求持续增长，化石能源逐步枯竭，环境污染问题日益严峻，能源的清洁高效利用越来越受到重视。传统的被动配电网已不能满足环保要求及电力供应的可靠性和电能质量的要求。未来电网需要规划设计成一种绿色、高效、可靠、智能的方式以适应未来的技术需求，并且能满足分布式电源尤其是可再生能源的规模化接入。传统配电网中对可再生能源消纳能力不足、一次网架薄弱、自动化水平不高以及调度方式落后等问题在主动配电网中将不复存在。

主动配电网对绿色能源有良好的兼容性，且能高效利用己有资产，反映出了未来智能电网的发展趋势。主动配电网能够组合控制各种分布式能源（DG、可控负荷、储能、需求侧管理等），据此加大配电网对可再生能源的接纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级改造投资，以及提高电网的电能质量和供电可靠性[1]。传统被动配电网对分布式能源的消纳模式单一，当小容量分布式电源接入中低压配电网后，因节点及馈线上负荷水平较低，无法通过人为或自动控制进行调节，导致分布式电源利用率低、并网点功率波动频繁、电能质量差等各种现象频繁出现。主动配电网对分布式能源有多种消纳模式，能有效避免上述问题。

本文通过详细分析主动配电网对分布式能源的消纳模式及间歇式能源的经济性计算方法，为主动配电网的优化建设提供指导。

1 主动配电网对分布式能源的消纳

主动配电网在建设时已考虑了间歇式可再生能源参与电网潮流分配与故障支持情况[2]。为了保证间歇式可再生能源接入主动配电网后电网运行的经济、安全和可靠性，需要合理配置可再生能源机组的出力。由于间歇式可再生能源要受到系统和分布式机组自身物理条件的约束，如何设计间歇式可再生能源发电系统形式并确定间歇式能源的消纳模式具有重要意义。

主动配电网间歇式能源的接入位置和接入容量多种多样，比如将间歇式能源接入220/380 V 配电网、T 接接入380 V 母线、接入用户内部电网后T 接接入10 kV 线路、专线接入变电站低压侧10 kV 母线等，接入容量可达60 MW。间歇式可再生能源接入主动配电网后电网的消纳模式主要可归纳为3 种：点消纳模式、线消纳模式和面消纳模式。

1.1 点消纳模式

点消纳模式的特点是通过复合能源协调控制，充分利用储能系统缓解间歇性能源功率的波动，一方面平滑功率输出，另一方面提升间歇性能源的利用率，将多余的间歇性能源进行存储，由于此种消纳模式不能向电网倒送功率，因此适用于分布率较小、渗透率较低的配电网，其模式如图1所示。

1.2 线消纳模式

线消纳模式如图2 所示，其特点是在小范围内对分布式发电进行协调控制，适当情况下允许向电网供电，但其对分布式能源的消纳有严格要求，要求分布式能源集中接入，适用于渗透率较大，但分布率较小且分散度较大的主动配电网。目前将多种分布式能源以微网的方式进行集成，通过微网能量管理系统对各个分布式能源进行集中控制，实现分布式能源的高效消纳，线消纳模式是目前运用最广的消纳模式[3]。

图1 主动配电网点消纳模式Fig.1 Point consumption mode of ADN

图2 主动配电网线消纳模式Fig.2 Line consumption mode of AND

1.3 面消纳模式

面消纳模式是一种能兼容微网技术并通过灵活协调控制技术实现分布式能源完整消纳的模式。其模式如图3 所示。

主动配电网能在同一电压等级甚至相邻电压等级综合利用所有分布式能源及微网资源，并通过灵活的协调控制技术来达到对分布式能源的完整消纳。主动配电网允许分布式能源发电功率潮流双向自由流动，相对集中控制模式而言，其接入分布式能源的半径更广，接入容量更大，并能利用网络的联络开关灵活控制潮流，对于分布式能源的利用率也最高，适应于渗透率高、分布度广、分散度不限的主动配电网[4]。

2 主动配电网经济性计算

2.1 间歇式能源经济性计算

图3 主动配电网面消纳模式Fig.3 Surface consumption mode of ADN

主动配电网重点考虑的是对间歇式能源的消纳，因此计算主动配电网的经济性首先应从主动配电网中不同的间歇式能源的经济性算起。本文通过对风力发电、太阳能发电、燃气轮机等间歇式新能源的电源模型经济性进行计算，确立不同间歇式能源发电成本的目标函数。

1）风力发电成本计算

风力发电机的年成本计算公式为

式中：CWT为风力发电机年成本；aWT为风力发电机的造价，元/kW；r0为贴现率，%；mWT为风力发电机运行年限；uWT为风力发电机年运行维护费用，一般取5%aWT；NWT为风力发电机数量。

2）光伏发电成本计算

年光伏电池组的总成本与光伏电池起始造价和年运行维护费用有关，其计算公式为

式中：CPV为光伏电池年成本；aPV为光伏电池的造价，元/kW；mPV为光伏电池运行年限；uPV为光伏电池年运行维护费用，一般取1%aPV；NPV为光伏电池数量。

3）燃气轮机消耗天然气成本

冷热电联产系统年运行消耗的天然气成本为

式中：Cf为燃气轮机消耗天然气成本，元；χf为天然气价格，元/m3；Vf、Vfc、Vfh分别为天然气发电用量、发热补燃量、燃气损耗量，m3/h；t 为燃气轮机年利用小时数，h。

4）燃气轮机年成本

燃气轮机年成本为

式中：CCCHP为燃气轮机年成本，元；mCCHP为燃气轮机运行年限，a；aCCHP为燃气轮机的单台造价，元/台；aabs为溴冷机的单台造价，元/台；uCCHP和uabs分别为燃气轮机和溴冷机的年运行维护费用，元；NCCHP为燃气轮机台数，台。

5）间歇式能源经济计算目标函数

通过对风力发电机、光伏电池以及燃气轮机的发电成本进行计算，得出间歇式能源经济目标函数为

式中：Ct为系统总成本，元；Cr为计及供电可靠性方面的系统电量损失总成本，元。其中：

式中：WTn、PVn、CCHPn分别为风力发电机、光伏电池以及燃气轮机的数量；ai、aj、ak分别为第i、j、k 类型风力发电机、光伏电池以及燃气轮机的单位造价，元/kW；Pi、Pj、Pk分别为i、j、k 类型风力发电机、光伏电池以及燃气轮机的容量；u（Pi）、u（Pj）、u（Pk）分别为对应容量为Pi风力发电机i 类型、容量为Pj光伏电池j 类型、容量为Pkk 类型燃气轮机的年维护和运行费用；m 为设备的运行年限；coe 为赔偿系数；EENS 为系统电量不足期望值。在计算时，采用时间序列和蒙特卡洛方法[5]。

目前适合计算我国停电损失的评估方法主要有平均电价折算倍数法、产电比法和总拥有费用法。为了尽量减小对停电损失的估算误差，通常采用前2 种方法的加权平均，即

式中：R 为产电比；α1和α2分别为电价折算倍数法和产电比法的加权系数；K 为单位停电电价与平均电价的比值，一般取25；e 为平均电价。

其设计目标是在满足系统性能指标的情况下，使系统投资、运行、可靠性等综合成本最小。通过目标函数值能指导主动配电网的建设，为主动配电网经济计算与优化评估提供方法和依据。

2.2 主动配电网储能配置

主动配电网中除了有间歇式可再生能源及其他分布式能源接入外，储能的配置也必不可少，合理的储能配置对整个系统的稳定性具有重要的意义。储能容量的优化配置可根据区域历史负荷特点来决定。主动配电网中的储能配置主要用于削峰填谷，因此采用经济性最优原则计算储能配置的容量。定义Yi为削峰后的最大负荷，也是变电站低压侧所带负荷Pmax峰值与储能变流器功率PPCS，i的额定功率之差，即

配置的电池容量为削峰负荷对时间的积分，有

式中，P（t）为当前时刻的负荷水平，P（t）＞Yi。

实时负荷要求可由电网变电站扩容或提升储能系统容量满足，此时各负荷需满足的条件为

式中：Pmax，i（t）为t 时刻负荷值；PPCS，i（t）为t 时刻PCS 放电功率；Pgrid，i（t）为t 时刻电网供电功率。

同一状态下选用变电站扩容或增加储能和PCS 容量均可以满足负荷需求，以经济最优为目标，所构建储能配置的目标函数为

式中：Pbattery，i为储能电池的放电功率；VPCS、Vbattery分别为储能变流器与储能电池的单位建设费用；V35、V110、V220、V500分别为35～500 kV 变电站的单位建设费用，若区域电网缺少某一电压等级，则与此相对应的变电站的单位建设费用按0 考虑。

2.3 主动配电网经济优化目标函数

分析了可再生间歇式能源经济性目标函数和储能配置的优化函数，主动配电网规划的目的是综合考虑各部分的费用，形成综合的优化函数。因此，本文采用最小化配电网年费用F 作为优化目标函数，则计及间歇式可再生能源的配电网优化规划的数学模型[6]为

其中，约束条件为：Ii≤Ii，max，i=1，2，…，nl；Uj，min≤Uj≤Uj，max，j=1，2，…，nn。

需说明的是，由于间歇式可再生能源的出力受到诸如风速、太阳辐射强度等不确定性因素的影响，如果间歇式可再生能源总容量所占比例过高，将导致系统的电能质量下降，因此，以上模型的约束条件中考虑了间歇式可再生能源的总容量渗透率的约束。

3 结语

为了应对大量的间歇式可再生能源接入配电网这一新形势，研究间歇式可再生能源的接入对配电网的影响，本文首先结合配电网特点研究了主动配电网对分布式能源的消纳模式，针对不同渗透率情况下不同消纳模式的优缺点提出了相应的应用场景；其次分析了配电网储能配置及主动配电网的经济优化函数，指导配电网建设；最后给出了能源结构优化规划目标函数，为主动配电网技术经济计算与优化评估提供了方法和依据。

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[2]王成山，李鹏（Wang Chengshan，Li Peng）.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战（Development and challenges of distributed generation，the micro-grid and smart distribution system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（2）：10-14，23.

[3]杨毅，韦钢，周冰，等（Yang Yi，Wei Gang，Zhou Bing，et al）. 分布式发电的规划模型及其求解方法（Planning models and solving methods of distributed generation）[J].上海电力学院学报（Journal of Shanghai University of Electric Power），2010，26（2）：113-118.

[4]李新，彭怡，赵晶晶，等（Li Xin，Peng Yi，Zhao Jingjing，et al）.分布式电源并网的潮流计算（Power flow calculation of distribution network with distributed generation）[J]. 电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2009，37（17）：78-81，87.

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