分散式風/光發電在邊遠農牧區電能替代適應性分析

分散式風/光發電在邊遠農牧區電能替代適應性分析

國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院 蘭國軍 許云飛 韓永強 孫天行

電能替代是促進節能減排、大氣污染治理的有效途徑，邊遠地區集中式風/光發電存在消納困難、穩定性不足等問題。文中針對小容量、分散式風/光發電接入邊遠農牧區中壓配電網的適應性展開研究，分散式風/光發電接入中壓配電網具有較強的適應能力，可以有效實現邊遠農牧區的電能替代。

分散式風/光發電；邊遠農牧區；電能替代；適應性

0 引言

為實現大氣污染治理、節能減排，積極推進電能替代和清潔替代，深挖電網、建筑、工業、交通等領域的節能潛力，加快清潔能源替代，實現“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，隨著近年來新能源發電站建設的推進，該地區相對薄弱的電網難以接納大規模、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利用，實現電能替代，采用小規模、分散式發電形式接入中壓配電網就地消納，與當地配電網互為補充實現邊遠地區供熱、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的經濟性及影響；文獻[5]對分布式電源接入配電網的位置、容量等對配電網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薄弱的中壓配電網開展研究。

本文以邊遠農牧區中壓配電網為背景，建立了結構較為簡單的中壓配電網供電系統模型，將小容量風/光發電分散式接入系統節點，利用清軟公司《全電壓等級智能化規劃軟件》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

邊遠農牧區配電網普遍較薄弱，中壓配電線路大多為單輻射線路且聯絡率小；區別于規模性風力發電場、光伏電站，可將小容量、分散式風/光電源接入中壓配電網并網發電。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供電系統模型，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；系統包含10個供配電節點，10條中壓線路分段，系統節點是10 kV柱上配電變壓器、箱變或配電室；風/光發電分散接入系統節點中壓母線。

2 評價方法

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

表1-1 分布式電源接入電網電壓等級

圖1-1 風/光發電接入配電網系統圖

表2-1 分布式電源適應性評價體系

評價流程如下：

(1)仿真計算電網各節點指標變量值；

(2)根據評價體系計算各指標評分值；

(3)計算區域電網適應性評分。

根據評價結論，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配電網供電系統為例，該地區供電電源是35 kV貝爾變電站，負荷主要為居民用電負荷，中壓配電網設備標準偏低，線路主要為單輻射，聯絡率低。風/光發電分散接入中壓配電變壓器，風力發電機2臺，0.1 MW/臺；光伏電池3套，0.12 MW/套，重點分析風/光電源對配電網的影響。

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

表3-1 貝爾地區配電網配變參數

表3-2 貝爾地區配電網線路參數

采用北京清軟《全電壓等級智能化規劃軟件》平臺搭建仿真模型，如圖3-1所示。風/光電源、配變、線路等參數按照上述給定。分別對風/光發電未接入、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/光發電未接入

如表3-3(a)(b)所示，風/光發電接入前，中壓配電網是單輻射結構，系統10臺配變(10個節點)，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/光發電分散接入配電網仿真模型

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

3.2 風/光發電分散接入

風/光發電接入后，由于增加了電源支撐，系統10臺配變全部N-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/光發電接入后，節點短路電流整體增大，3個節點短路電流超標，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。短路電流超標節點比例70%。貝爾地區供電半徑較小，風/光電源接入前后，節點電壓均未超標，且風/光電源具有提高或維持節點電壓的作用，本指標取0。根據評分規則，風/光電源分散接入配電網適應性評分= - (- 0.6) × 0.15 - (-0.9) × 0.15 + （- 0.7 × 0.15）= 0.12 > 0，即具邊遠地區配電網對小容量風/光電源分散接入備較強的適應能力。

綜上分析，風/光發電并網能夠優化個別設備運行指標，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，在配電網建設、改造中針對電網薄弱環節進行繼電保護的改造和更新，保證電源并網后設備的運行安全[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 接入后節點電壓情況

表3-5 接入后短路電流情況

4 結論

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

[1]孫毅,周爽等.多情景下的電能替代潛力分析[J].電網技術，2017，41(1)：118-123 .

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[3]肖峻,張婷等. 基于最大供電能力的配電網規劃理念與方法[J].中國電機工程學報，2013,33（10）：106-112.

[4]姜麗珍，路正霞等.分布式電源接入對配電網風險性和經濟性的影響[J].電力訊息,2017,4.

[5]王心.配電網接納分布式電源網架適應性策略研究[D].華北電力大學碩士論文，2016.

[6]分布式電源接入電網評價導則 [S].北京：國家電網公司，2016.

[7]國家電網公司.配電網規劃設計技術導則[S].北京：國家電網公司，2013.

[8]李金煬，唐惠玲. 基于分布式電源和需求響應的主動配電網規劃[J].自動化與儀表2017,32(4):15-18.

[9]常佳蕾.分布式光伏電源接入對配電網的影響[J].華北電力大學碩士論文.2016.

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《電力設備管理》雜志社編輯部2017.7.15