分散式风/光发电在边远农牧区电能替代适应性分析

分散式风/光发电在边远农牧区电能替代适应性分析

国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院 兰国军 许云飞 韩永强 孙天行

电能替代是促进节能减排、大气污染治理的有效途径，边远地区集中式风/光发电存在消纳困难、稳定性不足等问题。文中针对小容量、分散式风/光发电接入边远农牧区中压配电网的适应性展开研究，分散式风/光发电接入中压配电网具有较强的适应能力，可以有效实现边远农牧区的电能替代。

分散式风/光发电；边远农牧区；电能替代；适应性

0 引言

为实现大气污染治理、节能减排，积极推进电能替代和清洁替代，深挖电网、建筑、工业、交通等领域的节能潜力，加快清洁能源替代，实现“煤改电”“油改电”“气改电”是能源革命的主要方向[1]。我国能源与负荷呈现分布不对等的特点，陆上风/光等清洁能源主要分布在“三北”地区，随着近年来新能源发电站建设的推进，该地区相对薄弱的电网难以接纳大规模、集中式的风、光随机性电源[2][3]；为有效解决清洁能源的开发利用，实现电能替代，采用小规模、分散式发电形式接入中压配电网就地消纳，与当地配电网互为补充实现边远地区供热、供冷，可以降低输配电线损率，提高供电可靠性。文献[4]综合分析了分布式电源接入配电网的经济性及影响；文献[5]对分布式电源接入配电网的位置、容量等对配电网的影响进行了详细分析。以上文献均以宏观的角度分析分布式电源的影响及适应性，而未具体针对边远地区薄弱的中压配电网开展研究。

本文以边远农牧区中压配电网为背景，建立了结构较为简单的中压配电网供电系统模型，将小容量风/光发电分散式接入系统节点，利用清软公司《全电压等级智能化规划软件》进行仿真计算；采用分布式电源适应性评价体系进行评价分析。

1 风/光电源接入模型

边远农牧区配电网普遍较薄弱，中压配电线路大多为单辐射线路且联络率小；区别于规模性风力发电场、光伏电站，可将小容量、分散式风/光电源接入中压配电网并网发电。容量和电压等级参考如表1-1所示。

建立简单的中压配电网供电系统模型，如图1-1所示。由上级电源站10 kV母线带出2条10 kV主干线，一条分支线；系统包含10个供配电节点，10条中压线路分段，系统节点是10 kV柱上配电变压器、箱变或配电室；风/光发电分散接入系统节点中压母线。

2 评价方法

适应性评价是指评价某一区域电网对给定分布式电源规划方案的适应能力。本文适应性评价指标选取配电网可靠性、线路和变压器负载率、节点短路电流、电能质量[6]。评价体系如表2-1所示。

表1-1 分布式电源接入电网电压等级

图1-1 风/光发电接入配电网系统图

表2-1 分布式电源适应性评价体系

评价流程如下：

(1)仿真计算电网各节点指标变量值；

(2)根据评价体系计算各指标评分值；

(3)计算区域电网适应性评分。

根据评价结论，得分大于0分为“具备较强的适应能力”，0分为“具备适应能力”，小于零为“不具备适应能力”。

3 算例分析

以蒙东呼伦贝尔市贝尔镇配电网供电系统为例，该地区供电电源是35 kV贝尔变电站，负荷主要为居民用电负荷，中压配电网设备标准偏低，线路主要为单辐射，联络率低。风/光发电分散接入中压配电变压器，风力发电机2台，0.1 MW/台；光伏电池3套，0.12 MW/套，重点分析风/光电源对配电网的影响。

本文暂未考虑储能装置的对电源的平衡作用。该区域配变供电负荷合计1.44 MW,负荷功率因数为0.9,风/光电源并网类型均采用恒功率因数控制方式。风/光电源、配变及线路参数如表3-1、表3-2所示。

表3-1 贝尔地区配电网配变参数

表3-2 贝尔地区配电网线路参数

采用北京清软《全电压等级智能化规划软件》平台搭建仿真模型，如图3-1所示。风/光电源、配变、线路等参数按照上述给定。分别对风/光发电未接入、分散接入2种情况下进行仿真计算，进行适应性评价。

3.1 风/光发电未接入

如表3-3(a)(b)所示，风/光发电接入前，中压配电网是单辐射结构，系统10台配变(10个节点)，其中4台满足N-1要求，N-1通过率为40%，中压线路均不满足N-1要求，N-1通过率为0。

3-1 风/光发电分散接入配电网仿真模型

风/光发电接入前，系统10个节点电压均在合理范围内，但其中有4个节点电压低于10 kV，不存在母线孤岛状态。由于贝尔地区属于农牧区，系统短路电流限定值[7]取20 kA；风/光发电接入前，节点短路电流较小，且均在合理范围内。

3.2 风/光发电分散接入

风/光发电接入后，由于增加了电源支撑，系统10台配变全部N-1通过，N-1通过率为100 %，春蕾支线1线径较小，不满足N-1要求，线路N-1通过率为90 %。中压母线电压升高，达到10 kV以上，如表3-4所示。

风/光发电接入后，节点短路电流整体增大，3个节点短路电流超标，分别为春蕾变台、贝尔西北变台和蔬菜基地变台短路电流超过限定值[7]（20 kA），如表3-5所示。

3.3 风/光电源接入适应性评价

根据文中评价体系，风/光电源接入后，配变未N-1通过率比例增加- 60%，线路未N-1通过比例增加-90%。由于系统负荷较小，风/光电源接入前后，配变、线路均未过载，指标取0。短路电流超标节点比例70%。贝尔地区供电半径较小，风/光电源接入前后，节点电压均未超标，且风/光电源具有提高或维持节点电压的作用，本指标取0。根据评分规则，风/光电源分散接入配电网适应性评分= - (- 0.6) × 0.15 - (-0.9) × 0.15 + （- 0.7 × 0.15）= 0.12 > 0，即具边远地区配电网对小容量风/光电源分散接入备较强的适应能力。

综上分析，风/光发电并网能够优化个别设备运行指标，维持中压母线电压，降低线路负载率，降低容载比等，这是因为负荷对能源的就地消纳使得线路和变压器中流过的功率减少。为更好地适应该类电源的接入，在配电网建设、改造中针对电网薄弱环节进行继电保护的改造和更新，保证电源并网后设备的运行安全[8][9]。

表3-3 接入前配变、线路N-1情况(a)

表3-3 接入前配变、线路N-1情况(b)

表3-4 接入后节点电压情况

表3-5 接入后短路电流情况

4 结论

本文针对边远农牧区配电网的特点，将风/光发电分散接入中压配变并网发电，仿真分析风/光发电未接入、分散式接入2种情况对配电网的影响，分析边远农牧区配电网对分散式风/光发电的适应性。结果表明，边远农牧区配电网对小容量、分散式风/光发电具有较强的适应性，且风/光电源对配电网有较好的补充作用。随着风力发电、光伏发电技术的不断进步，将风/光发电分散式接入中低压配电网，优化发电布局，可以大力推动边远地区电能替代和风、光等清洁能源的因地制宜及开发利用。

[1]孙毅,周爽等.多情景下的电能替代潜力分析[J].电网技术，2017，41(1)：118-123 .

[2]杨汾艳,张跃等.计及分布式光伏配电网供电能力计算方法[J].中国电力，2016,49（12）:150-155.

[3]肖峻,张婷等. 基于最大供电能力的配电网规划理念与方法[J].中国电机工程学报，2013,33（10）：106-112.

[4]姜丽珍，路正霞等.分布式电源接入对配电网风险性和经济性的影响[J].电力讯息,2017,4.

[5]王心.配电网接纳分布式电源网架适应性策略研究[D].华北电力大学硕士论文，2016.

[6]分布式电源接入电网评价导则 [S].北京：国家电网公司，2016.

[7]国家电网公司.配电网规划设计技术导则[S].北京：国家电网公司，2013.

[8]李金炀，唐惠玲. 基于分布式电源和需求响应的主动配电网规划[J].自动化与仪表2017,32(4):15-18.

[9]常佳蕾.分布式光伏电源接入对配电网的影响[J].华北电力大学硕士论文.2016.

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《电力设备管理》杂志社编辑部2017.7.15