有源配電網(wǎng)中分布式電源接入與儲能配置

劉建偉，李學斌，劉曉鷗

（中國能源建設集團天津電力設計院有限公司，天津市 河東區(qū) 300180）

0 引言

含分布式電源的配電網(wǎng)，亦稱為有源配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)[1-3]，作為分布式能源利用的主要手段，對緩解能源危機、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷峰谷差、改善電能質(zhì)量具有重要意義[4]。微網(wǎng)作為分布式電源接入電力系統(tǒng)的有效利用方式，能實現(xiàn)大規(guī)模、多類型的新能源就地消納和即插即用，正在成為有源配電網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)[5]。當微網(wǎng)在配電網(wǎng)中大量存在并發(fā)展成多微網(wǎng)系統(tǒng)(微網(wǎng)群)后，可以通過尋求微網(wǎng)之間的連接方案，即合理構(gòu)建基于微網(wǎng)的有源配電網(wǎng)，來構(gòu)建新型有源智能配電網(wǎng)[6]。

隨著有源配電網(wǎng)理念的提出和示范項目的廣泛開展，有源配電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置與協(xié)同調(diào)度成為國內(nèi)外專家學者關(guān)注的熱點[1-10]。目前，國內(nèi)外學者在有源配電網(wǎng)系統(tǒng)的建模仿真和優(yōu)化控制方面進行了諸多研究，但對于面向工程端的系統(tǒng)協(xié)調(diào)開發(fā)與整體方案設計研究還有待改善，亟須探索既符合國情又符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的有源配電網(wǎng)系統(tǒng)建設方案與應用研究，以便更好地促進清潔能源就地消納與源配電網(wǎng)的良性發(fā)展。為此，本文從工程實際出發(fā)，充分借鑒現(xiàn)有研究結(jié)果，參考相關(guān)規(guī)范設計，總結(jié)提煉有源配電網(wǎng)設計的一般規(guī)律，以期為有源配電網(wǎng)方案設計提供技術(shù)支撐。

1 有源配電網(wǎng)方案設計的基本原則

1.1 方案設計的內(nèi)容

確定有源配電網(wǎng)的設計內(nèi)容是設計有源配電網(wǎng)的首要任務，現(xiàn)有的規(guī)程規(guī)范中少有這方面的闡述。因此，本文在研究現(xiàn)有有源配電網(wǎng)示范工程的基礎上，參考電力系統(tǒng)相關(guān)設計規(guī)范，歸納了有源配電網(wǎng)方案設計的相關(guān)內(nèi)容，其中與常規(guī)配電網(wǎng)規(guī)劃設計的差異如下：

1）系統(tǒng)一次。確定有源配電網(wǎng)中分布式電源和逆變器類型、裝機容量和遠期規(guī)劃裝機容量，負荷類型、容量和遠期預測容量，儲能裝置類型、安裝容量和遠期規(guī)劃容量；確定有源配電網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、電壓等級，并進行相應電氣計算，對主要電氣設備選型提出要求。

2）系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置。根據(jù)系統(tǒng)一次有源配電網(wǎng)設計方案，提出系統(tǒng)繼電保護、安全自動裝置的配置原則方案，并且當有源配電網(wǎng)不具備穩(wěn)定功率輸出的能力，接入系統(tǒng)時需提出防孤島檢測配置方案，給出防孤島與備自投裝置、自動重合閘等自動裝置配合的要求。

3）系統(tǒng)調(diào)度自動化。結(jié)合用戶需求，分析配置有源配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的必要性，對于需配置的工程，需確定能量管理系統(tǒng)的配置方案，包括能量管理系統(tǒng)的功能、風功率、光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)，以及系統(tǒng)信息上傳、命令下發(fā)的方式等。

1.2 方案設計的基本技術(shù)原則

有源配電網(wǎng)設計應滿足國家、行業(yè)和企業(yè)現(xiàn)行技術(shù)標準的規(guī)定，認真貫徹執(zhí)行國家頒布的工程建設強制性條文。本文在總結(jié)相關(guān)標準基礎上，整理得出方案設計的基本技術(shù)原則如下：

1）電壓等級。有源配電網(wǎng)電壓等級的選擇應按照安全性、靈活性、經(jīng)濟性的原則，根據(jù)有源配電網(wǎng)中分布式電源和負荷的容量、并網(wǎng)線路載流量、大電網(wǎng)中上級變壓器及線路可接納能力、地區(qū)配電網(wǎng)情況綜合比選后確定。

2）并網(wǎng)聯(lián)絡線導線截面。有源配電網(wǎng)并網(wǎng)線路導線截面選擇需根據(jù)所需交換的容量、并網(wǎng)電壓等級選取，并考慮有源配電網(wǎng)運行控制策略的影響等因素；導線截面一般按持續(xù)極限輸送容量選擇。

3）開關(guān)設備。并網(wǎng)開關(guān)置于連接有源配電網(wǎng)與大電網(wǎng)間的公共連接點處。在發(fā)生大電網(wǎng)故障、電能質(zhì)量等事件時，靜態(tài)開關(guān)應該能自動地將有源配電網(wǎng)切換到孤島運行狀態(tài)；此后，當上述事件消失時，它也應自動實現(xiàn)有源配電網(wǎng)與大電網(wǎng)的重新連接。

4）繼電保護及自動裝置。有源配電網(wǎng)繼電保護及安全自動裝置配置應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求，其技術(shù)條件應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》、DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》和GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》的要求。

5）有源配電網(wǎng)運行控制。有源配電網(wǎng)系統(tǒng)應配置頻率、電壓控制裝置，孤島內(nèi)出線電壓、頻率異常時，可對發(fā)電系統(tǒng)進行控制。

6）并離網(wǎng)切換。按照當前有源配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展條件，先期推薦選用有縫切換方案，并具備試點開展無縫切換的試驗，技術(shù)成熟時可實現(xiàn)進行無縫切換。

7）電能質(zhì)量在線監(jiān)測。有源配電網(wǎng)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)需在公共連接點裝設電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至上級運行管理部門。

2 有源配電網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法

由有源配電網(wǎng)方案設計的內(nèi)容可以看出，在對方案進行設計時需確定有源配電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源和儲能系統(tǒng)的類型和容量，合理的容量規(guī)劃是保證有源配電網(wǎng)及大電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行，以及提高清潔電源利用效率的基礎[11]。本文從工程實用角度出發(fā)，分析了電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)程規(guī)范，提出了優(yōu)化配置分布式電源和儲能容量的具體方法。

2.1 風光資源數(shù)據(jù)的處理

風速、光照強度和氣溫對風機和光伏的出力至關(guān)重要，本文所述的容量優(yōu)化配置方法的基礎為小時級風光資源數(shù)據(jù)。然而在工程的規(guī)劃設計階段很難獲取安裝地的小時級風光資源歷史數(shù)據(jù)，大多數(shù)據(jù)為全年月均值，基于此，本次研究查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻，歸納總結(jié)了由風速、光照強度月均值合成全年每小時風速和光照強度的數(shù)學方法，解決了規(guī)劃設計階段獲取風光資源數(shù)據(jù)的難題。

2.1.1 風速數(shù)據(jù)的合成

大量研究[12-14]表明，風速的數(shù)據(jù)與兩參數(shù)的威布爾分布最為接近。本研究也是在此基礎上進行合成，利用反函數(shù)變換法和隨機數(shù)產(chǎn)生方法來生成相應的小時級風速數(shù)據(jù)。

2.1.2 光照強度數(shù)據(jù)的合成

光照強度受日地天文關(guān)系的影響，以年為周期變化[15-17]。本研究在此基礎上根據(jù)光照強度月均值計算出月均晴朗系數(shù)，并利用經(jīng)驗公式生成與月均晴朗系數(shù)相關(guān)的全年每小時晴朗系數(shù)，最后利用HDKR模型計算出傾斜面上可獲取的每小時光照強度數(shù)據(jù)。

2.2 優(yōu)化目標及約束條件

2.2.1 經(jīng)濟性

對于有源配電網(wǎng)運營商，經(jīng)濟性是其考慮的首要問題，本文全面考慮了各分布式電源全壽命周期內(nèi)初始投資、運行維護費用和設備替換費用。同時研究了現(xiàn)有分布式電源運行的相關(guān)政策，將政府的補貼作為輸入條件計入經(jīng)濟性目標之中。有源配電網(wǎng)的總成本現(xiàn)值表示為

式中：NDGj為第j個分布式電源的容量；PDGj為第j個分布式電源全壽命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值；Cg為從配電網(wǎng)購電的成本；Cs為有源配電網(wǎng)的發(fā)電補貼；K為有源配電網(wǎng)包含的分布式電源數(shù)量；FRF(i,N)為資金回收系數(shù)，其中i為年利率，N為工程壽命。

2.2.2 可靠性

保證對用戶供電的高可靠性是體現(xiàn)有源配電網(wǎng)優(yōu)越性的關(guān)鍵。本文引入有源配電網(wǎng)系統(tǒng)全年失負荷概率PALL來表征有源配電網(wǎng)的供電可靠性[18]：

式中：Ploss(t)為切除負荷功率；PL(t)為負荷在線功率。

2.2.3 可再生能源利用率

可再生能源利用率是反映有源配電網(wǎng)中分布式電源容量設計是否合理的指標，本次研究也引入該指標作為目標參與優(yōu)化。有源配電網(wǎng)全年可再生能源利用率表示為

式中：Pwaste(t)為滿足有源配電網(wǎng)安全運行而減少的光伏或風機的出力；Ppv(t)為光伏可用出力；Pwt(t)為風電可用出力。

2.2.4 分布式電源容量

由于風力發(fā)電機、光伏組件以及蓄電池等在安裝的過程中通常受到安裝場地的限制或用戶自身需求的影響，因此本文將各分布式電源容量的上下限作為輸入條件參與到優(yōu)化過程中。

2.2.5 儲能系統(tǒng)可靠運行

為保證有源配電網(wǎng)的安全可靠運行，本文研究考慮儲能系統(tǒng)在運行過程的充放電功率限制、荷電狀態(tài)限制以及循環(huán)使用次數(shù)等約束[19-21]。

2.2.6 其他約束

本文分析了《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導則》《電能質(zhì)量——電壓波動和閃變》《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》和《工業(yè)與民用配電設計手冊》等相關(guān)規(guī)程規(guī)范，確定有源配電網(wǎng)規(guī)劃設計過程中考慮極限輸送功率、電壓損耗、電壓波動以及有源配電網(wǎng)友好接入等約束。

3 方案設計

3.1 有源配電網(wǎng)系統(tǒng)設計

有源配電網(wǎng)內(nèi)的電源包括分布式發(fā)電裝置和分布式儲能裝置，儲能系統(tǒng)的配置功率和配置容量需要根據(jù)有源配電網(wǎng)內(nèi)可再生能源的接入情況和負荷的變化情況設計[22]。根據(jù)分布式電源接入方式不同[23-25]，有源配電網(wǎng)有低壓用戶微網(wǎng)、配電支線微網(wǎng)、饋線級微網(wǎng)和變電站級微網(wǎng)4種模式。

3.1.1 低壓用戶微網(wǎng)模式

低壓用戶微網(wǎng)模式將分布式電源直接接入配電變壓器的0.4 kV側(cè)，由0.4 kV低壓負荷就地消耗，不允許向電網(wǎng)反送潮流，在并網(wǎng)點處裝設并網(wǎng)斷路器和逆功率保護。

該模式適用于規(guī)模適當、供電可靠性要求較高的低壓0.4 kV用戶側(cè)，系統(tǒng)由風機、光伏、儲能、微型燃氣輪機、燃料電池、家庭集群負荷等構(gòu)成，容量一般小于2 MW。低壓用戶微網(wǎng)模式如圖1所示。

圖1 低壓用戶微網(wǎng)模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-voltage user microgrid mode

3.1.2 配電支線微網(wǎng)模式

配電支線微網(wǎng)模式將分布式電源接入配電變壓器0.4 kV側(cè)或配電支線上，由配電支線區(qū)域負荷就地消耗，最終通過斷路器接入配電主干。由于受分布式電源電力方向和大小的影響，需在并網(wǎng)點處調(diào)整常規(guī)保護配置。

該模式適用于容量中等、供電可靠性要求較高、用戶較為集中的配電區(qū)域，由10～110 kV配電支線和0.4 kV用戶2個層級組成，容量通常在2～5 MW。配電支線微網(wǎng)模式如圖2所示。

圖2 配電支線微網(wǎng)模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution branch line microgrid mode

3.1.3 饋線級微網(wǎng)及變電站級微網(wǎng)模式

有源配電網(wǎng)組網(wǎng)如圖3所示。饋線級微網(wǎng)由一條10～110 kV配電干線及其所帶的支線和0.4 kV用戶3個層級組成，最終通過斷路器接入變電站配電母線，容量通常在5～10 MW。變電站級微網(wǎng)由變電站所帶的多條饋線組成，容量通常大于10 MW。

圖3 有源配電網(wǎng)組網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of active distribution network

這2種模式適用于覆蓋范圍更廣、電能質(zhì)量影響較大的配電區(qū)域，隨著接入容量的增加，對配電自動化控制和保護的要求更高、更復雜。

3.2 接入模式對比

分布式電源的接入對配電網(wǎng)會產(chǎn)生明顯的影響，且不同的位置和容量產(chǎn)生的影響也會不同[26]。分布式電源接入時遵循“安全可靠、資源節(jié)約、運行高效”的原則，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定接入系統(tǒng)設計方案：首先，應充分考慮電網(wǎng)的調(diào)峰能力、上級變電站或者線路的可接納能力等；其次，應綜合考慮近期及遠期裝機規(guī)模、配電網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃情況等因素；最后，還要考慮不同接入方式對電能質(zhì)量、經(jīng)濟性、運行、管理維護難度等因素的影響。接入模式具體可分為集中接入和分散接入2種方式，其優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 集中接入和分散接入對比Tab.1 Comparison between centralized access and decentralized access

3.3 儲能系統(tǒng)容量配置

3.3.1 儲能系統(tǒng)的定容原則

有源配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)容量配置時應以需求為導向，考慮削峰填谷、跟蹤計劃出力、緊急支撐電源、需求響應等典型應用場景，按照綜合應用需求進行容量配置[27]。在項目規(guī)劃設計階段，可以通過建立全生命周期內(nèi)的目標函數(shù)和約束條件，將儲能系統(tǒng)容量作為優(yōu)化變量，采用遺傳算法、粒子群算法等進行優(yōu)化求解。在實際工程中，通常應用針對分布式電源開發(fā)的規(guī)劃設計軟件，如美國能源部可再生能源實驗室的HOMER和Hybrid2軟件。

3.3.2 基于風/光功率及負荷預測的儲能容量配置

對于同時具有風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入的有源配電網(wǎng)，并網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，該模型包含風電機組、光伏發(fā)電機組、本地負荷、燃氣輪機、儲能系統(tǒng)、無功補償裝置，它們直接或間接地連接到升壓變壓器T的低壓側(cè)母線B0，通過(并網(wǎng)裝置)高壓側(cè)母線B1并入電網(wǎng)。

圖4 接入風電和光伏的有源配電網(wǎng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)Fig.4 Typical structure of active distribution network system connected to wind power and photovoltaic

風能、太陽能都屬于不可控電源，其并網(wǎng)會對系統(tǒng)故障率及暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；負荷的波動性也會對系統(tǒng)故障率及暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，需要同時考慮三者隨機變化對儲能配置的影響。

首先統(tǒng)計有源配電網(wǎng)系統(tǒng)快速反應的啟動時間tr，結(jié)合風電場、光伏電場的功率預測數(shù)據(jù)以及負荷功率預測數(shù)據(jù)，計算在任意Δt時間段內(nèi)微電網(wǎng)系統(tǒng)的不平衡功率波動ΔP(Δt≤tr)，考慮容量安全裕度系數(shù)η，則可計算該微電網(wǎng)系統(tǒng)的最小儲能容量配置w。含風電場和光伏電場有源配電網(wǎng)儲能配置最小容量可表示為

式中：tj-ti≤Δt，j＞i；Pwti、Pwtj分別為Δt時間段內(nèi)時刻i、j風力發(fā)電隨機出力；Ppvi、Ppvj分別為Δt時間段內(nèi)時刻i、j光伏發(fā)電隨機出力。

4 案例分析

為運用新技術(shù)推動科學技術(shù)進步，保護自然資源和生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化區(qū)域電源和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，發(fā)揮分布式電源與儲能效能，國家電網(wǎng)以天津中新生態(tài)城為試點開展了智能電網(wǎng)示范工程。

4.1 總體架構(gòu)

天津中新生態(tài)城示范項目中，以微網(wǎng)的形式實現(xiàn)了冷/熱/電高效利用，具有了綜合能源的雛形。以能源站為核心，以動漫園4棟樓的光伏發(fā)電系統(tǒng)為基礎，構(gòu)成了能源站+10 kV能源微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)冷/熱/電的梯階高效利用。中新生態(tài)城能源供給方式如圖5所示。

圖5 中新天津生態(tài)城能源供給方式Fig.5 Energy supply method of China-Singapore Tianjin eco-city

生態(tài)城智能電網(wǎng)項目中，分布式電源項目主要考慮污水處理廠光伏、停車場光伏、園區(qū)三聯(lián)供機組、公路光伏、附近風電等分布式電源的接入及部分分布式電源微網(wǎng)運行方式，同時根據(jù)分布式電源特點合理配置儲能裝置[28]。中新天津生態(tài)城分布式電源接入方式如表2所示，多微網(wǎng)系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表2 中新天津生態(tài)城分布式電源接入方式Tab.2 Distributed power supply access modes of China-Singapore Tianjin eco-city

圖6 區(qū)域多微網(wǎng)分布式能源接入形式Fig.6 Regional multi-micro grid distributed energy access form

4.2 效果分析

4.2.1 企業(yè)效益

分布式電源、儲能系統(tǒng)的接入及微網(wǎng)運行方式的引入具有巨大的企業(yè)效益，具體如下：

1）節(jié)約電網(wǎng)建設投資。分布式電源及儲能的合理接入可以降低峰荷時配電系統(tǒng)對電網(wǎng)輸送容量的需求。電網(wǎng)公司在進行規(guī)劃時將分布式電源建設納入電網(wǎng)建設規(guī)劃的內(nèi)容，可以利用微電網(wǎng)滿足負荷增長的需要，減少相應的輸配電建設投資，優(yōu)化電力公司的資產(chǎn)管理。

2）降低線路損耗。由于分布式電源及其配套的儲能系統(tǒng)配置在負荷的附近，在送電過程中的電能損耗必然比通過遠距離輸電輸送同等容量電能的損耗要小，因此分布式電源及儲能系統(tǒng)的合理配置可以降低輸配電網(wǎng)的損耗。

3）提高供電可靠性。分布式電源及儲能以微網(wǎng)形式接入電網(wǎng)，可起到配電系統(tǒng)中備用電源的作用，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障，尤其是在電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障的情況下能夠支撐重要負荷，體現(xiàn)了智能電網(wǎng)堅強可靠、抵抗災害的特征，是有源配電網(wǎng)綜合效益中非常重要的部分。

4.2.2 社會效益

天津市中新生態(tài)城規(guī)劃建設的智能電網(wǎng)綜合示范工程在環(huán)境保護、資源配置等方面具有重要的社會效益：

1）節(jié)約化石能源的消耗。分布式電源采用光伏發(fā)電、沼氣發(fā)電等可再生清潔能源，可以減少化石能源的消耗。

2）減少溫室氣體排放。光伏發(fā)電在電能生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生任何溫室氣體，而沼氣發(fā)電以生物質(zhì)為發(fā)電原料，與燃煤火電機組相比，能大大減少溫室氣體的排放。

5 結(jié)論

隨著分布式新能源的開發(fā)與利用，“源網(wǎng)荷儲”良性協(xié)調(diào)互動，使得配電網(wǎng)勢必與分布式能源、儲能、可調(diào)負荷間高效融合。研究有源配電網(wǎng)中分布式能源接入與儲能配置，對支撐有源配電網(wǎng)科學發(fā)展具有十分重要的意義。從技術(shù)層面提出了有源配電網(wǎng)方案設計的原則和一般方法，確定了有源配電網(wǎng)方案設計的內(nèi)容、分布式電源的設計原則以及有源配電網(wǎng)整體設計的技術(shù)原則，提出了分布式電源接入與儲能容量優(yōu)化配置的一般方法，為有源配電網(wǎng)方案設計提供了技術(shù)支撐。有關(guān)結(jié)論如下：

1）有源配電網(wǎng)在系統(tǒng)一次、繼電保護及安全自動裝置、調(diào)度自動化方面與常規(guī)配電網(wǎng)規(guī)劃設計存在差異，基本技術(shù)原則應特別關(guān)注。

2）分布式電源和儲能容量的優(yōu)化配置是有源配電網(wǎng)建設的基礎，應在經(jīng)濟性、可靠性、可再生能源利用率、分布式電源容量限值、儲能系統(tǒng)可靠運行等方面進行目標優(yōu)化和條件約束。

3）分布式電源和儲能容量配置有源配電網(wǎng)系統(tǒng)接入方式有低壓微網(wǎng)模式、配電支線微網(wǎng)模式、饋線級微網(wǎng)和變電站級微網(wǎng)模式，相應地，分布式電源接入可以采用分散接入、支線接入、專線接入等模式，儲能系統(tǒng)可以采用基于風/光功率及負荷預測的方式進行容量配置。

4）有源配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，具有網(wǎng)絡架構(gòu)更堅強、供電可靠性更高、消納新能源能力更強、擴展靈活性更高和更易實現(xiàn)電力市場化等諸多優(yōu)點。進行有源配電網(wǎng)新型拓撲與相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，是今后的研究方向。