考慮分布式光伏電源影響的負荷預測方法研究

高振宇，徐以理，許萬選，周晉雅

（1.杭州市電力設計院有限公司，杭州 310004；2.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

分布式光伏電源（distributed PV）是指配電網中分布在用戶附近的光伏發電設施，它的規模受地理條件的制約，一般在幾千瓦至幾千兆瓦。杭州地區由于地理條件、行業政策等多方面的影響，分布式光伏電源發展十分迅速，擬建的光伏發電項目有四十多個，已并網的光伏發電項目有十多個，約為13000 kW裝機容量。

目前，針對分布式光伏電源的并網問題，國內外已開展了大量研究，文獻[1-3]分別介紹了對潮流分布、電能質量、短路電流等方面的影響。但是隨著分布式光伏電源的大量并網，采用傳統的確定性系統的分析方法將出現較大誤差。

1 對電力電量平衡和負荷預測的影響

分布式光伏電源大量并網后，如何考慮光伏出力與實際負荷的擬合問題，已成為配電網規劃研究的焦點之一[4]。杭州電網的負荷特性具有負荷較重、峰荷持續時間長的特點，光伏電源并網可以緩解電網的供電壓力；從負荷波動情況看，杭州電網負荷變化比較平緩，具備接入光伏電源的可能性，因此分布式光伏電源與杭州電網的負荷特性比較匹配。接入光伏電源后，系統的最大負荷水平和峰荷持續時間均有明顯下降，削峰作用顯著，且光伏電源的接入容量越大，削峰效果越好。但是，與常規電源相比，光伏電源的運行受光照、溫度、風向等天氣及環境因素的影響很大，其輸出功率呈現出顯著的隨機性和群發性。分布式光伏電源對電力電量平衡以及最大負荷功率預測的準確性均有較大的影響，主要體現在削峰作用上。

2 分布式光伏電源的特點

對于給定容量的光伏電源，其削峰作用的大小與其平均出力水平相關，同時也與負荷曲線和光伏電源出力曲線的匹配程度相關。根據對杭州地區某光伏電站（安裝容量60 kWp）發電量及功率輸出的統計，分布式光伏電源出力特性如圖1所示，可見光伏電源日最大輸出功率的變化很大。進一步計算發現，3個月的平均日最大輸出功率僅為33.3 kW（約占額定容量的55.5%）。可見，杭州地區上述時段的光照條件較差，限制了光伏電源的出力水平。分布式光伏電源日有效輸出功率的概率密度及累積分布如圖2及圖3所示（以上數據中均剔除輸出功率為零的樣本）。可見，3個月內光伏電源的日有效輸出功率集中在30～40 kW范圍內，平均日有效輸出功率為35.6 kW，約為額定容量的60%。

圖1 光伏電源日最大輸出功率

圖2 光伏電源日有效輸出功率的概率密度

圖3 光伏電源日有效輸出功率的累積概率

光伏電源運行時間內相鄰兩個時段（各為5 min）輸出功率變化量的概率密度及累積分布如圖4及圖5所示（功率變化量以當月最大輸出功率的百分數表示）。可見，分布式光伏電源輸出功率的波動較小，大多數情況下，相鄰時段輸出功率的變化量小于當月最大出力的5%；少數情況下，相鄰時段輸出功率的變化量多集中于當月最大出力的10%以內。需要注意的是，在極少數情況下，輸出功率的變化量達到當月最大出力70%。因此，光伏電源輸出功率的變化可能會對電網調峰造成一定影響。

圖4 相鄰時段輸出功率變化量的概率密度

圖5 相鄰時段輸出功率變化量的累積概率

3 分布式光伏電源削峰容量的確定

光伏電源的等效削峰容量可由下式計算：

式中：Ng為預測時間內光伏電源的數量；ηi為第i個光伏電源最大發電效率；PgN，i為第i個光伏電源的額定容量；Pgmax為等效最大發電功率；為所有光伏電源的有效出力；k1為等效形狀修正系數；k2為等效平均發電功率系數；為日高峰最大功率預測值；為晚高峰最大功率預測值；ΔPg為等效削峰容量；為早晚高峰的功率差值。

根據不同地區負荷特性及負荷曲線的不同，將會出現日高峰高于晚高峰或晚高峰高于日高峰兩種情況。當晚高峰高于日高峰時，光伏電源對負荷預測的影響可忽略不計。

4 修正系數k1和k2的計算

分布式光伏電源有效出力的修正系數k1和k2的物理意義分別是：

k1表征某區域光伏發電系統出力曲線與電力需求的擬合程度，主要受區域光照、溫度等自然條件的影響。

k2表征某區域不同光伏電源間的出力關系，主要受不同光伏系統工藝及局部光照差異的影響。

k1和k2的計算步驟如下：

（1）某地區運行的光伏電站應具有相同的出力特性，則可確定光伏電源的綜合發電功率曲線。

（2）根據某地區實測負荷，擬合光伏電源的綜合發電功率曲線，得到不含光伏發電功率的網供綜合負荷曲線。

（3）光伏電源可能的最大削峰容量等于其等效最大發電功率。但由于光伏發電功率曲線與負荷曲線的形狀不同，實際的削峰容量肯定小于后者。為了確定合適的削峰容量值，可根據運行光伏電源的等效最大發電功率與實際網供負荷功率的比例來選擇最大負荷日。

（4）通過加權平均，確定地區光伏電源在最大負荷日白天峰荷時段的發電功率以及確定已并網的分布式光伏電源在最大負荷日白天峰荷時段的平均削峰量。

（5）應用式（5）、 式（6），計算 k1和k2。

光伏電源等效削峰容量修正系數的計算流程如圖6所示。

圖6 光伏電源等效削峰容量修正系數的計算流程

5 算例

假設配電網已接入光伏電源的總容量為900MWp，且計劃新增100MWp光伏電源，即光伏電源的接入容量將增至1000MWp。采用傳統負荷預測方法，可預測得到區域電網日間高峰負荷和晚間高峰負荷分別為7000MW和6500MW。

對該電網光伏-負荷綜合功率最大值的預測過程如圖7所示。為簡化說明，用3天的歷史數據進行光伏電源的電力電量預測。根據該地區已建光伏電源的相關統計數據，經計算，光伏電源在日間峰荷時段的平均發電功率為296.6MW，光伏電源白天峰荷時段的平均削峰容量為230MW。

圖7 光伏-負荷綜合最大功率的預測流程

若假設所有光伏電源的最大發電效率均為1，則可得1000MWp光伏電源的最大發電功率為：

由于傳統負荷日間最大功率和晚間最大功率的預測值分別為7000MW和6500MW，則可得：

即1000MWp光伏電源的削峰容量為257.4MW，考慮光伏電源削峰作用后，光伏-負荷綜合最大功率的預測值為6742.6MW。

6 結語

與常規電源相比，分布式光伏電源受光照、溫度、風向等天氣及環境因素的影響很大，其輸出功率呈現出顯著的隨機性和群發性。本文對杭州電網的負荷特性以及某60 kWp分布式光伏電源接入后系統的等效負荷特性進行統計和分析，發現系統的最大負荷水平和峰荷持續時間均有明顯下降，削峰作用顯著，且光伏電源的接入容量越大，削峰效果越好。但是由于光伏電源本身的波動特性，光伏電源接入系統后，等效負荷的波動明顯增加。這一特性給電力系統的規劃設計帶來更多新的不確定因素，增大了系統等效負荷預測的難度。

通過光伏電源接入后對負荷預測（最大負荷及負荷電量）的影響分析，說明了光伏電源等效削峰容量及等效發電量的計算方法，可供開展配電網規劃設計時參考。

[1]FARID K.Intergration of Photovoltaic Power Systems in High-Penetration Clusters for Distribution Network and Mini-Grid[OL].jan.2009.http∶//canmetenergy.nrcan.gc.ca/eng/renewables.

[2]趙波.大量分布式光伏電源接入對配電網的影響研究[J].浙江電力，2010（6）∶5-8.

[3]桑妲.小型光伏發電系統并網對電網的影響[J].上海電力，2008（2）∶132-134.

[4]王敏，丁明.含分布式電源的配電系統規劃.電力系統及其自動化學報[J].2004，16（6）∶5-8.