配电网接纳清洁能源薄弱环节分析

2019-01-30张章刘英英徐晶迟福建杨帆

电气自动化 2018年5期

张章，刘英英，徐晶，迟福建，杨帆

(1. 国网天津市电力公司经济技术研究院，天津 300371；2. 国网天津市电力公司，天津 300010)

0 引言

近年来，大规模和分散式的清洁能源电站项目如雨后春笋般涌现[1-3]。面对活跃的清洁能源项目，电网企业一直以来处于被动接受的状态，缺乏对清洁能源电站接入的整体应对策略。

在考虑间歇性电源并网的研究方面，部分研究侧重于并网容量优化等电源规划。文献[4]建立了计算风电并网容量的优化分析模型，计算了系统中的最大风电并网容量。文献[5]提出一种配电网扩展规划中进行分布式电源选址和定容的方法,部分侧重于考虑间歇性能源发电的系统调度策略。文献[6]构建了计及接纳风电能力的电网调度决策模型，使调度中的煤耗量和电网接纳风电的能力得到有效协调,部分侧重于提升间歇性电源接纳能力的输电网规划。文献[7]基于双层规划理论构建了一个兼顾间歇性电源接纳能力和系统运行经济性的输电系统规划模型。文献[8]建立了一套新能源最优接入评价方法，能够甄选出最优接入方案，但无法对电网接纳能力的薄弱环节进行评价。

目前对清洁能源电站的接入指导与评价方法研究较少。本文提出了一种规范指导清洁能源电站接入方式的方法，并以某区域配电网为例，进一步地对电网接纳能力的薄弱环节发现与改造进行了分析。

1 配电网清洁能源接纳能力分析

1.1 电网结构树

以220 kV变电站站为根节点，以110 kV变电站和35 kV变电站为支路节点，以110 kV线路和35 kV线路为支路，将一个电气区域内的电网结构用辐射型的树状结构图表示[9]，电网结构树示例如图1所示。

图1 电网结构示意图

1.2 清洁能源接纳能力分析

清洁能源电厂的装机容量一般为几十到上百兆瓦，一般接入35 kV或110 kV电压等级配电网，出于安全性考虑，接入方式一般为专线接入。

限制配电网接纳清洁能源的主要因素有35 kV和110 kV线路传输容量，110 kV和220 kV变压器容量，35 kV和110 kV剩余间隔数量。对于35 kV变电站，主要限制因素为上级线路的输电能力和本级35 kV剩余间隔数量。对于110 kV变电站，分为通过35 kV电压等级接入和110 kV电压等级接入两种方式，35 kV电压等级接入主要包括本站的35 kV电压接入和由本站供电的35 kV变电站接入的新能源电力，主要受110 kV变电站的变电容量和35 kV剩余间隔数量限制，110 kV电压等级接入主要包括本站的110 kV电压接入和由本站供电的110 kV变电站接入的新能源电力，主要受110 kV变电站的上级线路的输电容量和110 kV剩余间隔数量限制。

在电网结构树的基础上，由低电压等级向高电压等级层层分析，可以得到每个变电站的各电压等级的可消纳新能源电力情况。

2 清洁能源电站出力特性分析

由于其他能源如地热能、潮汐能和生物质能在目前条件下应用较少，规模不大，因此本文主要分析风力发电和光伏发电各自的出力特性以及其出力与被弃电量的关系。

2.1 风电出力特性

根据某一风场统计的风电出力数据得出不同出力水平的概率[10]，其概率分布如图2所示。由图2可知，风电出力越小概率越大，而出力越大概率越小。其中，风场出力小于装机容量10%的概率达32.8%,但风场出力高于装机容量80%的概率仅为0.2%，风电出力超过装机容量70%的概率也仅为1.8%。

图2 典型风电场出力概率分布

2.2 光伏出力特性

光伏电站各月月平均出力曲线趋势相同，各月最大值均出现在12:00-13:00，日出前与日落后出力均为0。由于受气象条件和现场环境等因素影响，在理论日照条件较好的时刻，也会出现日照强度在零日照和额定日照强度之间变化的情况，与之对应的光伏电站出力也会有在接近零出力与额定出力之间变化的现象。根据北方某一光伏电站统计的日最大出力数据得出不同出力水平的概率，其概率分布如图3所示。由图3可知，光伏出力在60%～70%装机容量范围时的概率最大，达到29.35%。出力越大或者越小时概率都越小。其中，光伏出力小于装机容量10%的概率为3.23%，光伏出力超过装机容量80%的概率仅为2.24%。

图3 典型光伏电站出力概率分布

2.3 清洁能源出力与被弃电量的关系

根据上述风电场和光伏电站出力概率分布可知，风电和光伏大出力(超过装机容量80%)的概率很低。因此，如果对风电机组或光伏电站出力进行适当限制，风电场或光伏电站损失的电量将非常有限，但却能节省大量的输电容量和输电设备投资。

风电场或光伏电站限制出力水平越低，损失的电量越低，但随之输电投资也逐渐增大。若将风电场出力限制在装机容量的80%水平，弃风电量近乎为0%；若将光伏电站出力限制在80%，弃光电量亦不足1%。此时却可节约20%的输电容量，节约输电投资效益十分明显。

3 清洁能源电站最优接入方式分析

由于清洁能源电站的位置和容量一般受土地规划及具体地形限制，故一般认为其为已知条件。本文采用遗传算法进行清洁能源电站接入方式的优化，优化变量是清洁能源电站的接入方式。

3.1 编码方式

对220 kV变电站，统计得到110 kV剩余间隔数为a，35 kV剩余间隔数为b；110 kV变电站110 kV剩余间隔数为c，35 kV剩余间隔数为d；35 kV变电站35 kV剩余间隔数为f。由于采用专线接入方式，故配电网所能接纳的110 kV电站最大个数为a+c，35 kV电站个数为b+d+f。对所有110 kV剩余间隔从1到a+c排序，35 kV间隔从1到b+d+f排序，使得每一个间隔都有数值对应。

根据清洁能源电站容量确定接入电压等级，一般20 MW～40 MW接入35 kV电压等级，40 MW～100 MW接入110 kV电压等级。经统计得到适宜接入110 kV电压等级的电站共m个，适宜接入35 kV电压等级的电站共n个。按容量由大到小分别对所有110 kV电站从1到m排序，对所有35 kV电站从1到n排序，使得每一个电站都有数值对应。

遗传算法中，一个染色体代表了所有清洁能源电站的一组接入方式，染色体上的一个基因则代表了一个清洁能源电站的接入方式。

(1)确定基因位数：染色体前x基因位对应110 kV电站，剩余y位对应35 kV电站。x、y根据下式确定:

(1)

(2)

(2)确定编码规则：采用十进制编码。前x位基因位与后y位基因位分别与110 kV、35 kV清洁能源电站排列顺序对应，对于电站数超过间隔数的，排序靠后即容量较小的电站将无法接入。基因位前x位基因位与后y位基因位上的数值分别是110 kV、35 kV剩余间隔的排序号。如此编码方式即可以得到每一个清洁能源电站和接入间隔的对应关系。

3.2 约束条件

由于在基因编码时已满足间隔数约束，此处主要考虑线路传输容量约束和变电站容量约束，同时考虑电站并网线总投资约束。

1)线路传输容量约束

∑Sj≤Sli

(3)

式中：∑Sj为接入线路i的清洁能源电站容量之和;Sli为线路i传输容量极限。

2)变电站容量约束

∑Sj≤Sbi

(4)

式中：∑Sj为接入变压器i低压侧的清洁能源电站容量之和;Sbi为变压器i的容量。

3)并网线总投资约束

根据本文的边界条件，任一清洁能源电站至任一变电站的距离是确定的。并网线平均造价为H万元/千米，并网线总投资约束为W万元，则有：

∑Li×H≤W

(5)

式中：∑Li为根据接入方式求得的所有并网线长度之和。

需要指出的是，当接入的清洁能源电站容量不满足(1)或(2)时，需作如下处理：等比例降低接入该线路或变压器的所有电站的出力，直至达到容量约束边界，并记录清洁能源电站的限制出力比例。

3.3 目标函数

目标函数为确定接入方式下被弃的清洁能源容量，由两部分组成：由于电站数量超过相应间隔数而导致未能接入的电站容量，以及由于超过线路或变电站容量约束而被限制出力的电站容量。

(6)

3.4 模型求解

本文采用遗传算法进行清洁能源电站最优接入方式的优化，流程如图4所示。

图4 遗传算法求解优化模型流程图

4 配电网接纳能力薄弱环节分析

4.1 薄弱环节分析

统计最优接入方式下每一个变电站和线路的限制清洁能源电站出力的比例，定义限制出力比例超过20%的节点为薄弱环节。对薄弱环节的分析可用于评价配电网的接纳能力水平，对最优接入方式下的薄弱环节进行增容改造是提升配电网接纳能力的经济性最优的措施。

以某地区配电网为例开展实际应用分析，该配电网现状接入的新能源电站仅早期的XWZ风电场和LGZ光伏电站，由于良好的风光条件，仍有较多有并网需求的清洁能源电站，根据装机容量得到其适宜并网的电压等级均为110 kV。根据本文提出的方法，得到该地区清洁能源电站最优接入方式如图5所示。

图5 清洁能源电站最优接入方式

由于XWZ风电场和LGZ光伏电站均T接在联络线上，当QLL站或JJX站110 kV母线出现故障时，通过GX站并网的清洁能源电站容量最大可达到455 MW。GX站主变容量为2×180 MVA，则GX站限制清洁能源出力比例最高达到26.4%，为限制清洁能源接纳的薄弱环节。

4.2 接纳能力提升方案

为解决薄弱环节，提升接纳能力，考虑到GX站不具备扩建或增容改造的条件，规划了MYY110 kV变电站、LGZ220 kV变电站，如图6所示。

图6 薄弱环节规划解决方案

MYY站新出四条线双破DZZ光伏电站两条110 kV并网线，同时MYY站新出两条线至规划LGZ站，形成GX站-MYY站-LGZ站的双链结构。DZZ光伏电站所发电力可通过MYY站上送至LGZ站，缓解了GX站的压力，同时形成的双链结构也强化了该地区的配电网网架。规划的LGZ站新出两条110 kV线路破口GX站至JJX站110 kV联络线，同时切带XWZ风电场和LGZ光伏电站，优化地区电网结构的同时也为未来清洁能源电站预留了接纳能力。规划解决方案实施前后GX站清洁能源电站接入情况如表1所示。