分散式風/光發(fā)電在邊遠農(nóng)牧區(qū)電能替代適應性分析

分散式風/光發(fā)電在邊遠農(nóng)牧區(qū)電能替代適應性分析

國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 蘭國軍 許云飛 韓永強 孫天行

電能替代是促進節(jié)能減排、大氣污染治理的有效途徑，邊遠地區(qū)集中式風/光發(fā)電存在消納困難、穩(wěn)定性不足等問題。文中針對小容量、分散式風/光發(fā)電接入邊遠農(nóng)牧區(qū)中壓配電網(wǎng)的適應性展開研究，分散式風/光發(fā)電接入中壓配電網(wǎng)具有較強的適應能力，可以有效實現(xiàn)邊遠農(nóng)牧區(qū)的電能替代。

分散式風/光發(fā)電；邊遠農(nóng)牧區(qū)；電能替代；適應性

0 引言

為實現(xiàn)大氣污染治理、節(jié)能減排，積極推進電能替代和清潔替代，深挖電網(wǎng)、建筑、工業(yè)、交通等領(lǐng)域的節(jié)能潛力，加快清潔能源替代，實現(xiàn)“煤改電”“油改電”“氣改電”是能源革命的主要方向[1]。我國能源與負荷呈現(xiàn)分布不對等的特點，陸上風/光等清潔能源主要分布在“三北”地區(qū)，隨著近年來新能源發(fā)電站建設(shè)的推進，該地區(qū)相對薄弱的電網(wǎng)難以接納大規(guī)模、集中式的風、光隨機性電源[2][3]；為有效解決清潔能源的開發(fā)利用，實現(xiàn)電能替代，采用小規(guī)模、分散式發(fā)電形式接入中壓配電網(wǎng)就地消納，與當?shù)嘏潆娋W(wǎng)互為補充實現(xiàn)邊遠地區(qū)供熱、供冷，可以降低輸配電線損率，提高供電可靠性。文獻[4]綜合分析了分布式電源接入配電網(wǎng)的經(jīng)濟性及影響；文獻[5]對分布式電源接入配電網(wǎng)的位置、容量等對配電網(wǎng)的影響進行了詳細分析。以上文獻均以宏觀的角度分析分布式電源的影響及適應性，而未具體針對邊遠地區(qū)薄弱的中壓配電網(wǎng)開展研究。

本文以邊遠農(nóng)牧區(qū)中壓配電網(wǎng)為背景，建立了結(jié)構(gòu)較為簡單的中壓配電網(wǎng)供電系統(tǒng)模型，將小容量風/光發(fā)電分散式接入系統(tǒng)節(jié)點，利用清軟公司《全電壓等級智能化規(guī)劃軟件》進行仿真計算；采用分布式電源適應性評價體系進行評價分析。

1 風/光電源接入模型

邊遠農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)普遍較薄弱，中壓配電線路大多為單輻射線路且聯(lián)絡(luò)率小；區(qū)別于規(guī)模性風力發(fā)電場、光伏電站，可將小容量、分散式風/光電源接入中壓配電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。容量和電壓等級參考如表1-1所示。

建立簡單的中壓配電網(wǎng)供電系統(tǒng)模型，如圖1-1所示。由上級電源站10 kV母線帶出2條10 kV主干線，一條分支線；系統(tǒng)包含10個供配電節(jié)點，10條中壓線路分段，系統(tǒng)節(jié)點是10 kV柱上配電變壓器、箱變或配電室；風/光發(fā)電分散接入系統(tǒng)節(jié)點中壓母線。

2 評價方法

適應性評價是指評價某一區(qū)域電網(wǎng)對給定分布式電源規(guī)劃方案的適應能力。本文適應性評價指標選取配電網(wǎng)可靠性、線路和變壓器負載率、節(jié)點短路電流、電能質(zhì)量[6]。評價體系如表2-1所示。

表1-1 分布式電源接入電網(wǎng)電壓等級

圖1-1 風/光發(fā)電接入配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

表2-1 分布式電源適應性評價體系

評價流程如下：

(1)仿真計算電網(wǎng)各節(jié)點指標變量值；

(2)根據(jù)評價體系計算各指標評分值；

(3)計算區(qū)域電網(wǎng)適應性評分。

根據(jù)評價結(jié)論，得分大于0分為“具備較強的適應能力”，0分為“具備適應能力”，小于零為“不具備適應能力”。

3 算例分析

以蒙東呼倫貝爾市貝爾鎮(zhèn)配電網(wǎng)供電系統(tǒng)為例，該地區(qū)供電電源是35 kV貝爾變電站，負荷主要為居民用電負荷，中壓配電網(wǎng)設(shè)備標準偏低，線路主要為單輻射，聯(lián)絡(luò)率低。風/光發(fā)電分散接入中壓配電變壓器，風力發(fā)電機2臺，0.1 MW/臺；光伏電池3套，0.12 MW/套，重點分析風/光電源對配電網(wǎng)的影響。

本文暫未考慮儲能裝置的對電源的平衡作用。該區(qū)域配變供電負荷合計1.44 MW,負荷功率因數(shù)為0.9,風/光電源并網(wǎng)類型均采用恒功率因數(shù)控制方式。風/光電源、配變及線路參數(shù)如表3-1、表3-2所示。

表3-1 貝爾地區(qū)配電網(wǎng)配變參數(shù)

表3-2 貝爾地區(qū)配電網(wǎng)線路參數(shù)

采用北京清軟《全電壓等級智能化規(guī)劃軟件》平臺搭建仿真模型，如圖3-1所示。風/光電源、配變、線路等參數(shù)按照上述給定。分別對風/光發(fā)電未接入、分散接入2種情況下進行仿真計算，進行適應性評價。

3.1 風/光發(fā)電未接入

如表3-3(a)(b)所示，風/光發(fā)電接入前，中壓配電網(wǎng)是單輻射結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)10臺配變(10個節(jié)點)，其中4臺滿足N-1要求，N-1通過率為40%，中壓線路均不滿足N-1要求，N-1通過率為0。

3-1 風/光發(fā)電分散接入配電網(wǎng)仿真模型

風/光發(fā)電接入前，系統(tǒng)10個節(jié)點電壓均在合理范圍內(nèi)，但其中有4個節(jié)點電壓低于10 kV，不存在母線孤島狀態(tài)。由于貝爾地區(qū)屬于農(nóng)牧區(qū)，系統(tǒng)短路電流限定值[7]取20 kA；風/光發(fā)電接入前，節(jié)點短路電流較小，且均在合理范圍內(nèi)。

3.2 風/光發(fā)電分散接入

風/光發(fā)電接入后，由于增加了電源支撐，系統(tǒng)10臺配變?nèi)縉-1通過，N-1通過率為100 %，春蕾支線1線徑較小，不滿足N-1要求，線路N-1通過率為90 %。中壓母線電壓升高，達到10 kV以上，如表3-4所示。

風/光發(fā)電接入后，節(jié)點短路電流整體增大，3個節(jié)點短路電流超標，分別為春蕾變臺、貝爾西北變臺和蔬菜基地變臺短路電流超過限定值[7]（20 kA），如表3-5所示。

3.3 風/光電源接入適應性評價

根據(jù)文中評價體系，風/光電源接入后，配變未N-1通過率比例增加- 60%，線路未N-1通過比例增加-90%。由于系統(tǒng)負荷較小，風/光電源接入前后，配變、線路均未過載，指標取0。短路電流超標節(jié)點比例70%。貝爾地區(qū)供電半徑較小，風/光電源接入前后，節(jié)點電壓均未超標，且風/光電源具有提高或維持節(jié)點電壓的作用，本指標取0。根據(jù)評分規(guī)則，風/光電源分散接入配電網(wǎng)適應性評分= - (- 0.6) × 0.15 - (-0.9) × 0.15 + （- 0.7 × 0.15）= 0.12 > 0，即具邊遠地區(qū)配電網(wǎng)對小容量風/光電源分散接入備較強的適應能力。

綜上分析，風/光發(fā)電并網(wǎng)能夠優(yōu)化個別設(shè)備運行指標，維持中壓母線電壓，降低線路負載率，降低容載比等，這是因為負荷對能源的就地消納使得線路和變壓器中流過的功率減少。為更好地適應該類電源的接入，在配電網(wǎng)建設(shè)、改造中針對電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)進行繼電保護的改造和更新，保證電源并網(wǎng)后設(shè)備的運行安全[8][9]。

表3-3 接入前配變、線路N-1情況(a)

表3-3 接入前配變、線路N-1情況(b)

表3-4 接入后節(jié)點電壓情況

表3-5 接入后短路電流情況

4 結(jié)論

本文針對邊遠農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)的特點，將風/光發(fā)電分散接入中壓配變并網(wǎng)發(fā)電，仿真分析風/光發(fā)電未接入、分散式接入2種情況對配電網(wǎng)的影響，分析邊遠農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)對分散式風/光發(fā)電的適應性。結(jié)果表明，邊遠農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)對小容量、分散式風/光發(fā)電具有較強的適應性，且風/光電源對配電網(wǎng)有較好的補充作用。隨著風力發(fā)電、光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進步，將風/光發(fā)電分散式接入中低壓配電網(wǎng)，優(yōu)化發(fā)電布局，可以大力推動邊遠地區(qū)電能替代和風、光等清潔能源的因地制宜及開發(fā)利用。

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《電力設(shè)備管理》雜志社編輯部2017.7.15