基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法及其應用

楊 翾，孫 可，葉剛進，王駿海，張林強，常 誠，徐馳名

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

新能源中的光伏發電目前是一種較為成熟、可靠的技術，并已經逐漸從過去的地面集中式光伏系統朝大規模分布式并網方向發展，也是能源轉型和新一代電力系統的重要組成部分[1-4]。自2012年起，我國新能源發展進入快速增長階段，截至2016年新能源發電裝機容量已達世界第一,近年來我國部分地區分布式光伏呈現井噴式增長態勢[5-6]。杭州由于屬于Ⅲ類地區，光伏產業起步較晚，但鑒于光伏發展對于實現工業轉型升級、推進低碳城市建設等具有重要意義，浙江政府部門推出了一系列太陽能光伏扶持政策，目前杭州地區是全國光伏發展較快的區域之一。截至2017年底，杭州電網內可再生能源裝機容量達到近1 200 MW，其中光伏發電超過350 MW。大規模的屋頂分布式光伏并網對于大型企業屋頂十分友好，建設環境良好且光伏收益較快。以杭州境內的建德市為例，現有的大型工業園區就有6個，在政策鼓勵下建德地區開展的大規模光伏發電項目在浙江全省范圍內優勢明顯。

但是隨著新能源大規模開發，漸漸出現政策法規的更新速度慢于光伏特別是分布式光伏發展的速度，同時光伏的管理部門較多也導致相關配套政策在制定時缺乏統籌協調，我國局部地區出現棄風、棄光現象[7-9]。政府高度重視新能源消納問題，出臺了一系列相應的政策文件，建立投資監測預警機制，嚴控棄發限電嚴重地區新能源發展，對新能源發展總量進行控制，優先保障新能源消納[10-11]。

根據杭州光伏發電并網現狀，積極學習世界先進行業知識和管理方法，本文提出一種新型基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法，通過提前預測評估分布式新能源的發展，優化接入點的規劃布局，在對電網各電壓等級光伏發電接納能力科學分析和精確計算的基礎上，科學設置“插座”數量和具體位置，合理布局“插座”點，變被動為主動，前瞻性地做好主動配電網和智能電網的建設工作，保障電網安全、穩定、經濟運行，將光伏發電并網管理工作帶入了“即插即用”的新時代。

1 分布式光伏接入現狀分析

目前國內對于屋頂分布式光伏并網普遍采用“先來先接、逐個接入”的并網管理模式，隨著光伏并網項目的增多，該管理模式在工作效率、時間周期及并網安全性等方面存在的問題日益凸顯，主要存在以下弊端：

（1）目前的電網規劃缺乏對新能源發電接入和消納的分析研究[12-13]，已無法滿足當前基于“源-網-荷-儲”的電網發展要求，所采用的“先來先接、逐個接入”的分布式光伏并網管理模式缺乏對光伏并網的有效管控，在引發網架結構混亂、運行方式不合理等問題的同時，光伏并網項目的增加也將帶來新一輪的電網改造，大幅增加電網的冗余投資[14-15]。

（2）隨著光伏發電項目相關政策的落地，分布式光伏項目猛增，工作量超過服務承載，造成光伏配套電網工程實施周期無法滿足用戶需求，導致用戶光伏項目并網難，影響了光伏項目服務質量。

（3）分布式光伏發電大多采用就近接入方式，接入點多、分布面廣，接線形式復雜多變，自動化、信息化程度較低，特別在調度管理方面，與傳統的無源配電網相比，光伏發電系統的接入不僅使配電網變成有源網而更加復雜，需要協調控制的對象也大大增加，調度管理難度增大[16-18]。在運行檢修方面，分布式光伏發電系統接入公共電網，使配電網中電源點數量增加，電源點分散、單點規模小、電壓波動性大、具有不穩定性，將可能在電網調峰、安全備用、電壓穩定和頻率安全穩定等方面帶來一定影響，顯著增加了運行管理難度[19-20]。

本文提出的新型分布式光伏接入方法通過優化配置“插座”，結合區域內具體線路的可接入容量和分布式能源資源分布特點，應用聚類分析的數學方法選取最優分布式能源接入點位置，并結合建設投資、電壓質量、短路電流、線路損耗等指標參數的約束條件，對接入點的數量、可接入容量以及接入方案進行優化。該方法不需要再對光伏接入項目逐個進行接入檢驗，而可以直接根據“插座”預留的容量，提前打通各部門審核環節，簡化工作流程，大幅提高光伏并網工作效率和客戶服務效率及客戶滿意度。

2 “插座式”接入方法

本文在吸收法國、德國多年新能源和分布式電源接入管理經驗和實際案例的基礎上，提出“插座式”分布式光伏接入方法，從光伏資源評估分析、“插座”優化配置、引導靶向接入3個層面優化分布式光伏的接入，建立光伏并網如同插頭直接插進插座般的并網模式，確保光伏并網工作安全、經濟、有序、便捷。該方法的框架見圖1。

圖1 “插座式”光伏接入方法框架

“插座”作為一種功能性裝置，以現有電網設備為基礎，在光伏發電并網管理工作過程中通過分線箱、環網柜的功能形式發揮“即插即用”的作用。“插座”接入示意如圖2所示。

3 光伏資源評估

圖2 “插座”接入示意

本文利用配電網規劃中網格化分析方法，在電網發展規劃中網格劃分依據的基礎上，結合光伏特性，將若干個相鄰的區域分類等級相同或接近的、屋頂性質或對可靠性要求基本一致的地塊組成一個用電網格，以統一網格建設改造原則。通過高精度的衛星航拍地圖，對每個網格區域的現有屋頂資源逐個分析和模擬預測，精確統計每個屋頂的光伏發電規模，計算區域光伏裝機容量，分析屋頂式光伏接入與電網消納能力的匹配度。

在分析過程中，本方法結合目前行業常規屋頂光伏發電能力數據，通過網格化分析預測園區屋頂式光伏裝機容量高、中、低三個發展水平，準確統計預測園區屋頂式光伏資源總量，并同政府用地規劃、電網規劃保持一致，有益于未來各個網格內光伏項目的管理和維護運行。

本文選取建德市安仁工業園區作為試點區域，應用“插座式”接入方法將園區按區域分為A和B兩個網格。通過對網格內屋頂資源的分析計算，得出安仁工業園區屋頂式光伏總裝機容量在15～25 MW，計算結果如圖3所示。

4 “插座”優化配置

為解決大量光伏無序接入帶來的管理難題，本文提出提前設置“插座點”的方式，通過對多個小型系統聚集及接入位置的計算分析，科學設置“插座點”的位置和容量，并通過電網潮流分析優化“插座”的設置，實現屋頂式光伏發電項目統一上網和管理。

4.1 聚類分析布局

圖3 安仁工業園區光伏資源評估結果

為了增強“插座”位置選取的科學合理性，在網格化區域的衛星航拍圖基礎上，利用數學方法對圖中網格多個分散型屋頂進行聚類分析，實現對屋頂資源的統計整合。

考慮到目前尚無可參考借鑒的歷史數據，故選擇K-均值的分散性算法。該算法簡潔快速，在分類性聚集過程中，采用泰森多邊形算法構建德洛內三角網進行聚類，并通過繪制沃羅諾伊圖更加直觀地展示聚類結果。通過對選取區域屋頂位置的分析，以屋頂為中心確定K個中心點，根據泰森多邊形算法的約束條件，對周圍區域向最近中心點進行聚類靠攏。通過對安仁工業園區可能的光伏屋頂進行聚類分析，得出優化不同光伏屋頂之間的線路連接，從而初步計算出每塊區域內屋頂式光伏資源理想接入點，得到初步的“插座”布局模式。

4.2 “插座”位置和容量優化

初步的“插座”布局建立在純粹的數學方法上，但實際“插座”的布局不僅要考慮其最優位置，還要考慮其容量，考慮是否能夠被電網有效消納。因此，需要結合“插座”接入點的最大光伏容量、接入線路或變電站的消納能力等因素，進一步優化4.1中的“插座”布局，協調分布式光伏接入和電網運行。

為避免線路或分布式光伏故障對其他系統可靠性造成影響，結合10 kV線路的消納能力，建議每條線路每個“插座”接入點的最大容量應控制在4～6 MW。此外，考慮“插座”建設的有效使用面積和線路間隔使用率，建議對于就近接入工業園區“插座”接入點的單個光伏電站，其裝機容量應不低于100 kW，總數量不超過12個，最佳數量控制在 5～12。

4.3 接入并網優化

在確定設置“插座”數量后，結合現有線路和目標網架的規劃以及線路的負載水平，分析接入滿載分布式光伏的“插座”后，各線路的可靠性水平、負載平衡、電壓質量和短路電流的影響等多方面因素，對“插座”接入電網的方式進行優化，保證電網的安全可靠運行，同時減少后續光伏項目并網的方案設計工作量。

聚類分析方法下的接入點分布只是基于地理特點的最優解，實際接入點選取需要考慮更多的約束條件，如建設投資、電壓質量、短路電流、線路損耗等，其函數表示如下：

式中：f1，f2，f3，f4分別代表光伏接入引起的電網建設投資、電壓質量、短路電流和線路損耗；L代表線路長度；p代表單位線路長度投資；ΔV為電壓偏差；U為光伏接入點電壓；UN為10 kV線路標準電壓；Ik指光伏接入后的10 kV線路短路電流；US，ZS分別表示短路電壓和短路阻抗；ΔP為光伏接入引起的損耗增加值；R為光伏接入后增加的電阻；UN，P分別表示光伏接入的系統電壓和功率。

對以上目標函數進行歸一化處理，消除量綱，結果如式（2）所示：

式中：Ar，Pr分別表示光伏“插座式”接入前的電網投資和電網損耗。

上述各項指標的目標函數值越小，“插座式”接入點的設置越趨于合理。因此，最終優化的接入點在聚類分析方法的基礎上，還要滿足以上約束的目標函數之和最小，最終的目標函數可表示為：

式中：λ1，λ2， λ3，λ4分別為各個目標函數的加權系數，均大于等于0，可以通過賦予其不同的值來表示接入點的選取對某一目標函數的重視程度， 滿足 λ1+λ2+λ3+λ4=1。

5 引導靶向接入

本文基于“插座”的優化配置結果提出分布式光伏并網“插座”地圖的概念，主要目的是將“插座式”光伏接入方法的成果進行可視化轉化，引導分布式光伏靶向接入。一方面主動介入光伏項目接入管理工作，將傳統的光伏接入模式由“無序被動”變成“有序主動”；另一方面主動對接政府，為政府新能源發展規劃工作提供輔助支撐。

建德市安仁工業園區的分布式光伏并網“插座”地圖如圖4所示。

圖4 安仁工業園區分布式光伏并網插座地圖

6 結語

本文提出一種新型基于聚類技術的“插座式”分布式光伏接入方法，為分布式光伏安全、經濟、有序、便捷接入構建科學有效的技術基礎，可有效促進電網公司對分布式光伏接入進行主動的全局安排和規劃，大大提高了分布式光伏接入管理的工作效率。

隨著分布式能源的發展，“插座式”接入方案理念還可結合有源電網規劃，從分布式能源和電網協調發展的更高層面出發，識別選取全局角度下的最優接入點，更好地促進分布式能源的發展。