與光伏并網相關的地區電網評價指標

國網合肥供電公司 唐慶鵬

合肥工業大學電氣與自動化工程學院 張 楠

國網合肥供電公司 談 韻 陳 晨 萬 順

光伏發電并網容量快速增加，對地區電網負荷性質、電能質量、輸電安全、有功平衡等，影響越來越大，迫切需要建立定量評估指標。本文基于某地區電網，針對光伏發電出力，定義了滲透率、削峰率、調峰出力比、區域調峰穩定性等評價指標。針對光伏并網安全，定義了并網點功率因數、并網點潮流反向比、并網點潮流反向時間、并網線路/主變重/過載時間等評估指標。給出了各指標的時間尺度、適用范圍和計算公式。研究結果對地區電網運行安全和健康發展，有一定參考價值。

引言：隨著傳統化石能源逐漸枯竭，綠色可再生能源的利用在中國得到了迅猛的發展，而太陽能是最具發展潛力的可再生能源之一。近十年來，太陽能光伏發電技術得到了各國的高度關注，其對于緩解能源和環境問題、改善能源消耗結構，具有重大的理論和現實意義（王振杰.淺談電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用[J].中國戰略新興產業,2018(4):37;邵瑞.光伏發電逆變技術探究[J].電子世界,2018(4):164-167）。

影響光伏發電出力的因素有很多，主要有太陽輻照強度、環境溫度等（許世偉,王檑,胡穎慧.基于模糊控制的光伏發電最大功率點跟蹤方法的研究[J].電子世界,2017(3):52-55）。光伏電池輸出功率隨輻照強度增大而增大，其開路電壓和峰值功率都隨溫度的升高而降低（陳煌林.太陽能光伏技術的原理、現狀及展望[J].電子技術與軟件工程,2018(11):111）。因此光伏發電系統主要在白天8至17點時間段輸出電能，大部分時段和電力負荷有較好的相重性，在每日負荷高峰時段能提供相當數量的電能，起到一定的調峰作用。

另一方面，光伏發電具有隨機性、間歇性等特點，可調可控性較差（周忠成.新能源接入對電網電能質量的影響分析[J].電子世界,2018(3):81+83）。隨著光伏滲透率的不斷提高，可能出現電網功率不平衡、電能質量惡化、局部薄弱地區的變電及輸電設備重載甚至過載等一系列問題，進而對電網安全及穩定性造成影響（吳峰,李瑋.含高滲透率分布式光伏發電系統的配電網動態等值分析[J].電力系統自動化,2017,41(9):65-70）。目前，對光伏并網合理性和安全性的評價指標尚不全面，評價過于依賴峰值，缺乏定量評價指標。

目標電網擁有5縣1市，轄區面積約一萬km2，人口約900萬。近年來，光伏發電發展迅速，部分區域光伏裝機接近甚至超過供區主變容量，對電網規劃設計、調度運行提出了挑戰，需要定量評估電網消納光伏能力。本文對目標電網光伏的并網現狀進行分析，從光伏對電網調峰及削峰的參與程度、光伏并網安全性、光伏接納能力等方面，定義光伏發電和光伏并網評價指標，給出各指標時間尺度、適用范圍和計算公式。研究結果可以定量評估地區電網光伏并網現狀，合理指導電網改造升級，有利于地區電網運行安全和健康發展。

1 目標電網光伏發電及并網水平現狀

光伏出力相較其安裝容量的比例反映了區域光伏發電設施的利用水平。對目標電網六個區域(以下簡記為S1-S6)及其整體的光伏并網發電水平進行評估。將每日光伏發電出力最大值相較安裝容量的比例視作峰值出力水平，表1與表2分別給出了春季3-4月和夏季6-7月各區域及目標電網整體光伏發電峰值出力水平月最大值與月均值。

表1 光伏發電峰值出力水平月最大值

表2 光伏發電峰值出力水平月均值

峰值出力水平反映了光伏發電設備發電功率對其安裝容量的最大利用效率。考慮到光伏出力在日間不同時間段內差異較大，計算光伏出力日平均小時數以評估光伏日整體發電量大小。圖1給出了春季3-4月和夏季6-7月各區域及地區整體的光伏日平均利用小時數。兩者最大和最小利用小時數差別不大。春季利用小時數波動更大，而夏季利用小時數相對較為平穩，整體發電效率也高一些。

圖1 光伏日平均利用小時數

目標電網6個區域夏季某日光伏出力與負荷曲線的對比，如圖2所示。對比光伏與負荷曲線可見，光伏出力對區域電網的影響，取決于光伏出力與區域負荷水平。區域S1負載較大，區域S3光伏出力較小，故光伏出力對區域負荷平衡影響較小。其他四個區域光伏占比較大，在峰荷時段能滿足較大比例的區域負荷。但是由于光伏無法提供晚峰支撐，對于整天負荷曲線峰值的削弱作用不夠顯著。

圖2 目標電網光伏出力與負荷曲線對比

2 考慮光伏并網后地區電網評價指標

為了深入分析目標電網光伏的并網現狀，針對光伏對電網調峰及削峰的參與程度、光伏并網安全性以及光伏接納能力，定義相應的評價指標，給出各指標的時間尺度、適用范圍和計算公式。

2.1 指標框架

考慮到光伏電站一般并網至10kV，少數并網至110kV和220kV，以下從光伏出力和光伏并網兩個角度，計及時間尺度、適用范圍等，建立光伏發電評價指標與光伏并網評價指標，分別如表3與表4所示。與傳統電廠相近的一些指標，如最大利用小時數等，在此不再重復。

表3 光伏發電評價指標

表4 光伏并網評價指標

2.2 指標計算公式

以下逐一給出光伏發電評價指標的具體定義。

(1)光伏滲透率ηPV和最大利用小時數TPV

式中，PPV,install為光伏裝機容量，PL,max為電網最大負荷。隨著時間變化，上式分子和分母都可能增加或下降，因此ηPV可能增加或減小。

式中，EPV為統計期內光伏發電量。

(2)光伏削峰率rpc和最大削峰率rpc,max

式中，PLc為日最大負荷中需要光伏補償的負荷，PLd,max為日最大負荷。

(3)光伏調峰出力比rpo和平均調峰出力比rpo,a

式中，PPV為最大負荷對應時刻的光伏出力。

將區域日負荷曲線與光伏日出力曲線相減得到一條曲線，該曲線上日最大負荷點對應的值，與日最大負荷的比值即為rpo。其反映了光伏出力對峰值負荷的支持能力，該比值越小，光伏出力最大值越接近負荷峰值，光伏參與調峰效果的越好。

式中，d為統計期日數。

(4)區域調峰穩定性sps

式中，vd為光伏出力下降速率，ηc為區域參與調峰的傳統機組爬坡率，PW為機組額定容量。

sps表示光伏因非正常原因（設備故障、天氣突變）出力下降時，區域內能夠參與調峰的機組能否及時增加出力，滿足區域內負荷需求。比值越接近1，說明區域調峰穩定性較好，不會出現因光伏出力減小而造成的負荷損失；比值過小，說明光伏參與調峰的程度不高；比值超過1，說明區域調峰穩定性差，存在切負荷隱患。

光伏電站有功出力調節速度，與變流器控制特性有關。向上調節的可行性，取決于預定備用策略。一般來說向下調節速度一般快于向上調節速度。火電/水電調峰機組爬坡率根據自身類型而定。

(5)光伏最大盈余發用比rsu,max

光伏存在時變性，負荷隨著類型不同體現了一定的時變周期規律。利用“光伏最大盈余發用比”指標，在時變周期內分析配電網對光伏的消納能力，測算線路、變壓器等設備可能承受的最大潮流。該指標為：

式中，PG為光伏發電即時功率，PL為負荷即時功率，SL為線路極限傳輸功率。

光伏最大盈余發用比反映了光伏并網點的光伏與當地負荷的動態消納關系，表征電網可能承受的最嚴苛的運行情況。當光伏發電功率大量盈余時將產生返送功率，電網設備可能出現反向倒送大量電力，甚至反向送電導致設備和線路過載的情況。此時需要對已建電網增容，增加規劃電網裕度，預留光伏接入能力。

在光伏最大盈余發用比測算中，對于建設運營時間較長的供電區，其測算值可以取的保守以充分暴露電網和設備承受的風險，對于外送能力較強(雙回路供電、容量裕度較大等)區域，則可適當放寬。當測算值明顯超過區域電網接納能力時，應及時進行電網增容改造。

根據區域內的主變容量以及光伏電站出線線路載流量，對區域電網的光伏接納能力進行評價。

(6)光伏電站出線線路接入能力coa

式中，Ior,max為光伏電站最大出力電流，Il為出線線路載流量。

如果比值大于0.8，即出線線路負載率大于80%，線路重載，其中一條出線故障或檢修，需要相應的光伏電站陪停。說明局部網架結構薄弱，不具備接納新增光伏的能力。

(7)區域主變光伏接入能力cpa

式中，PW,N-1為區域內N-1臺主變額定容量。

當比值大于1時，區域內任意一臺主變故障或檢修停運時，其余主變容量小于光伏裝機容量，需要相應的光伏電站陪停。說明該區域不具備接納新增光伏的能力。

(8)光伏電站并網點平均功率因數ηp,a

式中，ηi為統計期內每時刻功率因數，n為考核點數。

(9)光伏并網點潮流反向比rpr

式中，Qpr為光伏并網點潮流無功反向值，Ql為線路無功載荷。

以年度均值(本質是電量)比例表示時，為：

式中，Qpr,a為光伏并網點潮流無功反向均值，Ql,a為線路無功載荷均值。

(10)光伏并網點潮流反向時間tpr

式中，tQr為光伏并網點出現無功反向的時長，tr為統計期時長。

(11)光伏并網線路重載時間tph和光伏并網線路過載時間tpo

式中，tl,75%為每次線路負載率超過75%的持續時間。

式中，tl,100%為每次線路負載率超過100%的持續時間。

(12)主變線路繞組重載時間twh和主變線路繞組過載時間two

式中，tw,75%為主變線路繞組負載率超過75%的持續時間。

式中，tw,100%為主變繞組負載率超過100%的持續時間。

(13) 光伏向上(下)調峰收益pp,u(d)

光伏電站可以減少出力；如果配備儲能裝置，或在非MPPT方式下運行，光伏電站有可能增加出力。光伏機組增減出力，有助于調節峰谷負荷，減小火電機組壓力。因此定義光伏向上(下)調峰收益pp,u(d)：

式中，Qp,u(d)為單位時間內光伏機組增發(減發)電量，Jl,u(d)為峰荷(谷荷)電價。

2.3 指標意義

(1)光伏滲透率，結合光伏出力和發電量占所有電源出力和發電量的比例，可以綜合評價光伏在整個電網中的占比與出力水平。光伏滲透率越高，出力水平越高；光伏利用小時數越大，光伏發電的效率越高，經濟性越好。

(2)光伏削峰率越大，說明光伏參與削峰的程度越高；光伏調峰出力比越小，說明光伏參與調峰的效果越好，能緩解電網調峰壓力。區域調峰穩定性的比值越接近1，說明區域的調峰備用能力和運行經濟性的協調性越好，不會因備用過多而降低機組利用率。

(3)光伏最大盈余發用比如果較大，說明光伏并網點可能出現潮流倒送的情況，過大則會導致出現設備和線路過載的情況，表明區域的光伏接入能力較弱，需要對已建電網增容，增加規劃電網裕度。區域光伏出線線路限額和區域主變容量也同樣限制了區域的光伏接入能力，如果不能滿足N-1檢驗要求，區域就不能繼續接納光伏。

(4)光伏并網點的功率因數、潮流反向比和反向頻率、光伏并網線路和并網側主變線路繞組重/過載時間，反映了光伏并網的安全性：如果功率因數過低，說明無功電量較多，會影響電網的運行效率，需要就地安裝無功補償裝置，以降低無功功率。如果潮流反向比較大，反向頻率高，并網線路和并網側主變繞組重/過載時間長，說明并網點存在安全隱患，光伏超過了允許的接入量。

3 結論

本文根據對某地區電網光伏并網的統計分析，從光伏發電出力和并網路徑兩個角度，定義了光伏發電出力與并網安全定量評價指標體系，對各指標的時間尺度、適用范圍和計算公式進行了詳細闡述。該評價指標的建立便于地區電網在規劃光伏并網時，合理評估光伏接入對地區電網安全穩定運行的影響。評價指標相關標準的建立，有望促進光伏出力的平穩、就地消納。