主動配電網分布式電源規劃及經濟性分析

鐘 清，余南華，孫 聞，宋旭東，柳春芳，張 晗

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510080；2.佛山電力設計院有限公司，佛山 528000；3.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津 300384）

近年來，國民經濟快速發展，電力需求持續增長，化石能源逐步枯竭，環境污染問題日益嚴峻，能源的清潔高效利用越來越受到重視。傳統的被動配電網已不能滿足環保要求及電力供應的可靠性和電能質量的要求。未來電網需要規劃設計成一種綠色、高效、可靠、智能的方式以適應未來的技術需求，并且能滿足分布式電源尤其是可再生能源的規模化接入。傳統配電網中對可再生能源消納能力不足、一次網架薄弱、自動化水平不高以及調度方式落后等問題在主動配電網中將不復存在。

主動配電網對綠色能源有良好的兼容性，且能高效利用己有資產，反映出了未來智能電網的發展趨勢。主動配電網能夠組合控制各種分布式能源（DG、可控負荷、儲能、需求側管理等），據此加大配電網對可再生能源的接納能力、提升配電網資產的利用率、延緩配電網的升級改造投資，以及提高電網的電能質量和供電可靠性[1]。傳統被動配電網對分布式能源的消納模式單一，當小容量分布式電源接入中低壓配電網后，因節點及饋線上負荷水平較低，無法通過人為或自動控制進行調節，導致分布式電源利用率低、并網點功率波動頻繁、電能質量差等各種現象頻繁出現。主動配電網對分布式能源有多種消納模式，能有效避免上述問題。

本文通過詳細分析主動配電網對分布式能源的消納模式及間歇式能源的經濟性計算方法，為主動配電網的優化建設提供指導。

1 主動配電網對分布式能源的消納

主動配電網在建設時已考慮了間歇式可再生能源參與電網潮流分配與故障支持情況[2]。為了保證間歇式可再生能源接入主動配電網后電網運行的經濟、安全和可靠性，需要合理配置可再生能源機組的出力。由于間歇式可再生能源要受到系統和分布式機組自身物理條件的約束，如何設計間歇式可再生能源發電系統形式并確定間歇式能源的消納模式具有重要意義。

主動配電網間歇式能源的接入位置和接入容量多種多樣，比如將間歇式能源接入220/380 V 配電網、T 接接入380 V 母線、接入用戶內部電網后T 接接入10 kV 線路、專線接入變電站低壓側10 kV 母線等，接入容量可達60 MW。間歇式可再生能源接入主動配電網后電網的消納模式主要可歸納為3 種：點消納模式、線消納模式和面消納模式。

1.1 點消納模式

點消納模式的特點是通過復合能源協調控制，充分利用儲能系統緩解間歇性能源功率的波動，一方面平滑功率輸出，另一方面提升間歇性能源的利用率，將多余的間歇性能源進行存儲，由于此種消納模式不能向電網倒送功率，因此適用于分布率較小、滲透率較低的配電網，其模式如圖1所示。

1.2 線消納模式

線消納模式如圖2 所示，其特點是在小范圍內對分布式發電進行協調控制，適當情況下允許向電網供電，但其對分布式能源的消納有嚴格要求，要求分布式能源集中接入，適用于滲透率較大，但分布率較小且分散度較大的主動配電網。目前將多種分布式能源以微網的方式進行集成，通過微網能量管理系統對各個分布式能源進行集中控制，實現分布式能源的高效消納，線消納模式是目前運用最廣的消納模式[3]。

圖1 主動配電網點消納模式Fig.1 Point consumption mode of ADN

圖2 主動配電網線消納模式Fig.2 Line consumption mode of AND

1.3 面消納模式

面消納模式是一種能兼容微網技術并通過靈活協調控制技術實現分布式能源完整消納的模式。其模式如圖3 所示。

主動配電網能在同一電壓等級甚至相鄰電壓等級綜合利用所有分布式能源及微網資源，并通過靈活的協調控制技術來達到對分布式能源的完整消納。主動配電網允許分布式能源發電功率潮流雙向自由流動，相對集中控制模式而言，其接入分布式能源的半徑更廣，接入容量更大，并能利用網絡的聯絡開關靈活控制潮流，對于分布式能源的利用率也最高，適應于滲透率高、分布度廣、分散度不限的主動配電網[4]。

2 主動配電網經濟性計算

2.1 間歇式能源經濟性計算

圖3 主動配電網面消納模式Fig.3 Surface consumption mode of ADN

主動配電網重點考慮的是對間歇式能源的消納，因此計算主動配電網的經濟性首先應從主動配電網中不同的間歇式能源的經濟性算起。本文通過對風力發電、太陽能發電、燃氣輪機等間歇式新能源的電源模型經濟性進行計算，確立不同間歇式能源發電成本的目標函數。

1）風力發電成本計算

風力發電機的年成本計算公式為

式中：CWT為風力發電機年成本；aWT為風力發電機的造價，元/kW；r0為貼現率，%；mWT為風力發電機運行年限；uWT為風力發電機年運行維護費用，一般取5%aWT；NWT為風力發電機數量。

2）光伏發電成本計算

年光伏電池組的總成本與光伏電池起始造價和年運行維護費用有關，其計算公式為

式中：CPV為光伏電池年成本；aPV為光伏電池的造價，元/kW；mPV為光伏電池運行年限；uPV為光伏電池年運行維護費用，一般取1%aPV；NPV為光伏電池數量。

3）燃氣輪機消耗天然氣成本

冷熱電聯產系統年運行消耗的天然氣成本為

式中：Cf為燃氣輪機消耗天然氣成本，元；χf為天然氣價格，元/m3；Vf、Vfc、Vfh分別為天然氣發電用量、發熱補燃量、燃氣損耗量，m3/h；t 為燃氣輪機年利用小時數，h。

4）燃氣輪機年成本

燃氣輪機年成本為

式中：CCCHP為燃氣輪機年成本，元；mCCHP為燃氣輪機運行年限，a；aCCHP為燃氣輪機的單臺造價，元/臺；aabs為溴冷機的單臺造價，元/臺；uCCHP和uabs分別為燃氣輪機和溴冷機的年運行維護費用，元；NCCHP為燃氣輪機臺數，臺。

5）間歇式能源經濟計算目標函數

通過對風力發電機、光伏電池以及燃氣輪機的發電成本進行計算，得出間歇式能源經濟目標函數為

式中：Ct為系統總成本，元；Cr為計及供電可靠性方面的系統電量損失總成本，元。其中：

式中：WTn、PVn、CCHPn分別為風力發電機、光伏電池以及燃氣輪機的數量；ai、aj、ak分別為第i、j、k 類型風力發電機、光伏電池以及燃氣輪機的單位造價，元/kW；Pi、Pj、Pk分別為i、j、k 類型風力發電機、光伏電池以及燃氣輪機的容量；u（Pi）、u（Pj）、u（Pk）分別為對應容量為Pi風力發電機i 類型、容量為Pj光伏電池j 類型、容量為Pkk 類型燃氣輪機的年維護和運行費用；m 為設備的運行年限；coe 為賠償系數；EENS 為系統電量不足期望值。在計算時，采用時間序列和蒙特卡洛方法[5]。

目前適合計算我國停電損失的評估方法主要有平均電價折算倍數法、產電比法和總擁有費用法。為了盡量減小對停電損失的估算誤差，通常采用前2 種方法的加權平均，即

式中：R 為產電比；α1和α2分別為電價折算倍數法和產電比法的加權系數；K 為單位停電電價與平均電價的比值，一般取25；e 為平均電價。

其設計目標是在滿足系統性能指標的情況下，使系統投資、運行、可靠性等綜合成本最小。通過目標函數值能指導主動配電網的建設，為主動配電網經濟計算與優化評估提供方法和依據。

2.2 主動配電網儲能配置

主動配電網中除了有間歇式可再生能源及其他分布式能源接入外，儲能的配置也必不可少，合理的儲能配置對整個系統的穩定性具有重要的意義。儲能容量的優化配置可根據區域歷史負荷特點來決定。主動配電網中的儲能配置主要用于削峰填谷，因此采用經濟性最優原則計算儲能配置的容量。定義Yi為削峰后的最大負荷，也是變電站低壓側所帶負荷Pmax峰值與儲能變流器功率PPCS，i的額定功率之差，即

配置的電池容量為削峰負荷對時間的積分，有

式中，P（t）為當前時刻的負荷水平，P（t）＞Yi。

實時負荷要求可由電網變電站擴容或提升儲能系統容量滿足，此時各負荷需滿足的條件為

式中：Pmax，i（t）為t 時刻負荷值；PPCS，i（t）為t 時刻PCS 放電功率；Pgrid，i（t）為t 時刻電網供電功率。

同一狀態下選用變電站擴容或增加儲能和PCS 容量均可以滿足負荷需求，以經濟最優為目標，所構建儲能配置的目標函數為

式中：Pbattery，i為儲能電池的放電功率；VPCS、Vbattery分別為儲能變流器與儲能電池的單位建設費用；V35、V110、V220、V500分別為35～500 kV 變電站的單位建設費用，若區域電網缺少某一電壓等級，則與此相對應的變電站的單位建設費用按0 考慮。

2.3 主動配電網經濟優化目標函數

分析了可再生間歇式能源經濟性目標函數和儲能配置的優化函數，主動配電網規劃的目的是綜合考慮各部分的費用，形成綜合的優化函數。因此，本文采用最小化配電網年費用F 作為優化目標函數，則計及間歇式可再生能源的配電網優化規劃的數學模型[6]為

其中，約束條件為：Ii≤Ii，max，i=1，2，…，nl；Uj，min≤Uj≤Uj，max，j=1，2，…，nn。

需說明的是，由于間歇式可再生能源的出力受到諸如風速、太陽輻射強度等不確定性因素的影響，如果間歇式可再生能源總容量所占比例過高，將導致系統的電能質量下降，因此，以上模型的約束條件中考慮了間歇式可再生能源的總容量滲透率的約束。

3 結語

為了應對大量的間歇式可再生能源接入配電網這一新形勢，研究間歇式可再生能源的接入對配電網的影響，本文首先結合配電網特點研究了主動配電網對分布式能源的消納模式，針對不同滲透率情況下不同消納模式的優缺點提出了相應的應用場景；其次分析了配電網儲能配置及主動配電網的經濟優化函數，指導配電網建設；最后給出了能源結構優化規劃目標函數，為主動配電網技術經濟計算與優化評估提供了方法和依據。

[1]尤毅，劉東，于文鵬，等（You Yi，Liu Dong，Yu Wenpeng，et al）. 主動配電網技術及其進展（Technology and its trends of active distribution network）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（18）：10-16.

[2]王成山，李鵬（Wang Chengshan，Li Peng）.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰（Development and challenges of distributed generation，the micro-grid and smart distribution system）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（2）：10-14，23.

[3]楊毅，韋鋼，周冰，等（Yang Yi，Wei Gang，Zhou Bing，et al）. 分布式發電的規劃模型及其求解方法（Planning models and solving methods of distributed generation）[J].上海電力學院學報（Journal of Shanghai University of Electric Power），2010，26（2）：113-118.

[4]李新，彭怡，趙晶晶，等（Li Xin，Peng Yi，Zhao Jingjing，et al）.分布式電源并網的潮流計算（Power flow calculation of distribution network with distributed generation）[J]. 電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2009，37（17）：78-81，87.

[5]王敏，丁明（Wang Min，Ding Ming）.含分布式電源的配電系統規劃（Distribution network planning including distributed generation）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2004，16（6）：5-8，23.

[6]王成山，陳愷，謝瑩華，等（Wang Chengshan，Chen Kai，Xie Yinghua，et al）. 配電網擴展規劃中分布式電源的選址和定容（Siting and sizing of distributed generation in distribution network expansion planning）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（3）：38-43.