典型功能區(qū)分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)改造的影響
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貢曉旭，金強(qiáng)，王基，史梓男，馬唯婧
(1國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209;2．國家電網(wǎng)公司，北京 100031)
摘要：隨著分布式光伏大量接入，配電網(wǎng)電能質(zhì)量、短路容量、潮流分布等都受到一定的影響，光伏發(fā)電在就地消納的同時(shí)可能產(chǎn)生倒送，因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)面臨升級(jí)改造的新形勢。對(duì)于不同典型功能區(qū)的光伏發(fā)電接入．如何定量分析配電網(wǎng)建設(shè)改造工作量是一個(gè)亟待解決的問題。根據(jù)光伏最大盈余發(fā)用比指標(biāo)，對(duì)不同類型功能區(qū)負(fù)荷密度與發(fā)電功率密度進(jìn)行對(duì)比研究，分析不同類型功能區(qū)光伏消納及配電網(wǎng)改造情況，研究分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)改造影響，提出不同光伏最大盈余發(fā)用比下配電網(wǎng)工程改造及投資規(guī)模建議．為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接納分布式光伏改造提供指導(dǎo)和建議。
關(guān)鍵詞：典型功能區(qū)：分布式光伏；配電網(wǎng)建設(shè)改造；光伏消納能力
0引言
光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)了太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在歐美國家．以戶用光伏為主的建筑光伏高速發(fā)展。隨著同家一系列鼓勵(lì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的出現(xiàn)，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的得到進(jìn)一步發(fā)展。太陽能光伏建筑一體化( building integrated photovoltaic．BIPV)的應(yīng)用，在充分利用土地資源，緩解高峰用電需求都發(fā)揮重要作用，推動(dòng)了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展。
分布式光伏大量接入配電網(wǎng)后，導(dǎo)致配電網(wǎng)潮流發(fā)生變化．從原有的無源配電網(wǎng)變?yōu)橛性磁潆娋W(wǎng)，同時(shí)由于光伏發(fā)電出力具有波動(dòng)性，這就導(dǎo)致配電網(wǎng)電能質(zhì)量、短路電流等產(chǎn)生新的問題。同時(shí)，隨著分布式光伏發(fā)電大量安裝，局部發(fā)電超過用電需求，產(chǎn)生功率返送的情況，在潮流返送嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致變壓器和線路過載等問題，這就需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行改造，提高分布式光伏消納能力．目前分布式光伏接人對(duì)配電網(wǎng)的影響研究大多集中在接入方案設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[9]提出了分布式電源接人中壓配電網(wǎng)典型沒計(jì)方案，為規(guī)范分布式電源接人設(shè)計(jì)提供依據(jù)，文獻(xiàn)[10]對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目的國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，提出分布式電源發(fā)展路線。分布式光伏發(fā)電接人不同區(qū)域會(huì)帶來不同的配電網(wǎng)建設(shè)改造情況，需要對(duì)其配電網(wǎng)建設(shè)改造工程量及投資規(guī)模進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn)[11]提出一種考慮分布式光伏接入的大用戶供電方案設(shè)計(jì)方法，但未對(duì)分布式光伏接人配電網(wǎng)可能引起的電網(wǎng)改造進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[12]對(duì)分布式光伏接入配電網(wǎng)改造方法進(jìn)行研究，但未考慮光伏發(fā)電和本地負(fù)荷的匹配問題，改造方法具有一定的局限性。
本文針對(duì)不同類型功能區(qū)分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的建設(shè)改造影響進(jìn)行分析，研究分布式光伏發(fā)電與負(fù)荷匹配問題，提出分析指標(biāo)及方法，結(jié)合典型功能區(qū)對(duì)光伏接入典型功能區(qū)后對(duì)配電網(wǎng)的影響及配電網(wǎng)改造工程量進(jìn)行定量研究，并提出相關(guān)配電網(wǎng)建設(shè)改造措施和建議。
1 分析指標(biāo)和方法
在不同功能區(qū)中，分布式光伏接人會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不同影響．在研究該區(qū)域內(nèi)光伏的發(fā)電能力的同時(shí)，還要研究該區(qū)域負(fù)荷特性，然后將兩者進(jìn)行對(duì)比分析，從而評(píng)估典型區(qū)域內(nèi)光伏接人后配電網(wǎng)受到的影響和改造工作量，進(jìn)而提出兩者協(xié)調(diào)發(fā)展策略。考慮到儲(chǔ)能增加所帶來的投資規(guī)模大幅增加的問題，為簡化研究，本文結(jié)合配電網(wǎng)實(shí)際改造情況僅考慮配電網(wǎng)容量約束，未涉及考慮增加儲(chǔ)能裝置及電壓約束，無功補(bǔ)償裝置可根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行配置。
為了分析功能區(qū)域的最大返送功率，按照典型功能區(qū)域發(fā)電功率密度、功能區(qū)域負(fù)荷密度，采用光伏最大盈余發(fā)用比指標(biāo)進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為
式中：P：為光伏發(fā)電即時(shí)功率；P1為負(fù)荷即時(shí)功率；H。為負(fù)荷最大功率；該比值即光伏發(fā)電功率與本地負(fù)荷功率的最大差的標(biāo)么值（以負(fù)荷最大功率為基準(zhǔn)）。
為進(jìn)一步分析功能區(qū)域光伏接入所引起的配電網(wǎng)改造工程量，對(duì)配變和線路改造進(jìn)行分析，利用光伏最大盈余發(fā)用比指標(biāo)，建立光伏最大盈余負(fù)載比指標(biāo)，其計(jì)算公式為
式中：pT和Pi分別為光伏接入配電網(wǎng)配變和線路光伏最大盈余負(fù)載比；S。、為配電變壓器容量，該比值可表示光伏接入配電網(wǎng)配變和線路最大負(fù)載比。
對(duì)于公式如果BT和BL均小于等于1，則配電網(wǎng)配變和線路容量均可滿足光伏倒送最大功率，不需要進(jìn)行擴(kuò)容改造；如果pT或pL大于1，則需要進(jìn)行配電網(wǎng)擴(kuò)容改造，其改造工作量估算為
式中：A，，和A-i分別為配變和線路改造量占原工程量的比值．該比值可表示配電變壓器和線路改造工程量。
考慮到功能區(qū)配電網(wǎng)中配變和線路投資規(guī)模，假設(shè)不考慮上一級(jí)配電網(wǎng)改造情況，引入配電網(wǎng)改造投資規(guī)模估算指標(biāo)，其計(jì)算公式為
式中：CLfr和C．．分別為配變和線路改造投資規(guī)模；C，，和C．．分別表示配變和線路原建設(shè)投資規(guī)模。
根據(jù)上述指標(biāo)，對(duì)于不同功能區(qū)，其光伏接入配電網(wǎng)改造分析方法流程如下：
(1)選擇典型功能區(qū)域。在城市區(qū)域內(nèi)，典型功能區(qū)域主要有普通居民住宅、高層居民住宅、商業(yè)區(qū)和辦公區(qū)。
(2)計(jì)算典型功能區(qū)域光伏發(fā)電功率。結(jié)合不同功能區(qū)特點(diǎn)，考慮建筑面積、樓頂面積等因素分析光伏發(fā)電功率。
(3)計(jì)算典型功能區(qū)域負(fù)荷。根據(jù)功能區(qū)負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，分析該建筑功能區(qū)域的最大負(fù)荷。
(4)進(jìn)行發(fā)電與負(fù)荷對(duì)比分析。對(duì)不同功能區(qū)的光伏發(fā)電功率和負(fù)荷進(jìn)行比較，進(jìn)行典型日特性曲線對(duì)比分析。
(5)計(jì)算分析配電網(wǎng)建設(shè)改造工作量。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，計(jì)算現(xiàn)有配網(wǎng)建設(shè)改造工作量和投資規(guī)模。
2發(fā)電功率與用電負(fù)荷對(duì)比分析
2.1 典型功能區(qū)域發(fā)電功率密度
對(duì)于不同功能區(qū)域，其負(fù)荷性質(zhì)、大小都有所不同，又由于其地塊容積率、建筑面積、樓頂面積不同．同樣占地面積內(nèi)光伏安裝容量也不盡相同。測算典型功能區(qū)域內(nèi)光伏最大安裝容量，與區(qū)域總占地面積做比，得到該功能區(qū)域發(fā)電功率密度，其計(jì)算公式為
式中：Upv為功能區(qū)光伏發(fā)電功率密度；S：為功能區(qū)占地面積；σ，為屋頂光伏功率密度；S1為建筑物樓面面積；σ。為側(cè)墻光伏功率密度；S。為建筑物側(cè)墻面積。
通過測算．不同類型功能區(qū)分布式光伏發(fā)電功率密度如表1所示。
2.2 典型功能區(qū)域負(fù)荷密度
根據(jù)不同類型建筑負(fù)荷的典型負(fù)荷指標(biāo)，計(jì)算各類功能區(qū)域的最大負(fù)荷，與區(qū)域總占地面積做比，得到“功能區(qū)域負(fù)荷密度”，其典型功能區(qū)最大負(fù)荷功率密度為
式中：σ，為功能區(qū)最大負(fù)荷功率密度；S。，為功能區(qū)建筑面積；σ。為單位面積負(fù)荷；6為負(fù)荷同時(shí)系數(shù)。
通過測算，不同類型功能區(qū)最大負(fù)荷功率密度如表2所示。
2.3光伏發(fā)電及負(fù)荷對(duì)比分析
根據(jù)某地夏季居民、商業(yè)、辦公建筑負(fù)荷曲線及其光伏發(fā)電情況，得到其光伏發(fā)電曲線及負(fù)荷曲線，圖1為居民住宅光伏發(fā)電與日負(fù)荷曲線。圖2為商業(yè)、辦公功能區(qū)域光伏發(fā)電與日負(fù)荷曲線。
利用公式(1)，分別計(jì)算居民住宅（普通、高層）、商業(yè)和辦公功能區(qū)光伏最大盈余發(fā)用比指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。
根據(jù)上表測算結(jié)果，對(duì)于商業(yè)和辦公功能區(qū)，其光伏最大盈余發(fā)用比小于0．光伏發(fā)電可完全消納：對(duì)于高層居民住宅，其光伏最大盈余發(fā)用比位于0~1.2．存在光伏發(fā)電功率反送情況，部分剩余電力返送：對(duì)于普通居民住宅，其光伏最大盈余發(fā)用比最高，光伏發(fā)電功率大量反送到電網(wǎng)。
3配電網(wǎng)改造分析
根據(jù)2.3節(jié)分析結(jié)果，不安裝分布式光伏時(shí)，配電網(wǎng)按照預(yù)測負(fù)荷的最大值選擇配電容量和線路截面。在安裝分布式光伏情況下，可以通過光伏最大盈余發(fā)用比判斷光伏發(fā)電向系統(tǒng)返送的情況．進(jìn)而近似分析配電網(wǎng)改造工作量，詳細(xì)改造工作量可結(jié)合實(shí)際工程具體情況進(jìn)行計(jì)算和分析。近似分析結(jié)果如下。
(1)光伏最大盈余發(fā)用比<0：光伏發(fā)電功率完全白發(fā)自用，不出現(xiàn)逆向的潮流。
(2)0<光伏最大盈余發(fā)用比<1：光伏發(fā)電功率部分時(shí)段向系統(tǒng)返送．但逆向潮流不大于最大負(fù)荷。
(3)1<光伏最大盈余發(fā)用比<2：光伏發(fā)電功率部分時(shí)段大量送出．逆向潮流絕對(duì)值大于最大正向潮流。對(duì)已建成電網(wǎng)，如為單輻射供電模式，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞，必須進(jìn)行增容改造；如為雙輻射供電模式，電網(wǎng)裕度略大，但仍需要進(jìn)行局部改造。
(4)光伏最大盈余發(fā)用比>2:光伏發(fā)電返送功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常負(fù)荷。對(duì)已建成電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)阻塞較為嚴(yán)重，必須進(jìn)行大規(guī)模增容改造。
對(duì)于安裝分布式光伏發(fā)電的新建配電網(wǎng)，當(dāng)光伏最大盈余發(fā)用比小于1時(shí)，配電網(wǎng)可按照用電負(fù)荷測算進(jìn)行建設(shè)：當(dāng)光伏最大盈余發(fā)用比大于1時(shí)，配電網(wǎng)應(yīng)按照分布式光伏發(fā)電最大功率進(jìn)行建設(shè)。
針對(duì)不同的光伏最大盈余發(fā)用比和配電網(wǎng)改造需求，進(jìn)一步進(jìn)行配電網(wǎng)改造定量分析，以某地區(qū)典型普通居民住宅為例，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目安裝分布式光伏發(fā)電的情況進(jìn)行測算，假設(shè)該居民區(qū)初始配電網(wǎng)投資規(guī)模中，對(duì)于單輻射網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)配電室投資為900萬元，線路投資1 600萬元；對(duì)于雙輻射網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)配電室投資為1 600萬元，線路投資2 500萬元。
當(dāng)最大盈余發(fā)用比u為1.5時(shí)，對(duì)于單輻射和雙輻射分別計(jì)算光伏最大盈余負(fù)載率、配電網(wǎng)改造工作量及投資規(guī)模。如表4所示。
單輻射配電網(wǎng)50%以上線路潮流越限．80%以上變壓器過載．改造投資達(dá)到項(xiàng)目初始投資的60%．改造方案如圖3所示。
雙輻射配電網(wǎng)10%左右線路潮流越限．20%左右變壓器過載．改造投資約為初始投資的14%,改造方案如圖4所示。
當(dāng)最大盈余發(fā)用比p為2.0時(shí)，對(duì)于單輻射和雙輻射分別計(jì)算光伏最大盈余負(fù)載率、配電網(wǎng)改造工作量及投資規(guī)模。如表5所示。
單輻射配電網(wǎng)70%以上線路潮流越限．100%變壓器過載，改造投資達(dá)到項(xiàng)目初始投資的80%,改造方案如圖5所示。
雙輻射配電網(wǎng)300/0左右線路潮流越限．50%左右變壓器過載．改造投資約為初始投資的40%,改造方案如圖6所示。
結(jié)合大量實(shí)際丁程進(jìn)行分析．計(jì)算出配電網(wǎng)改造投資與初始規(guī)模對(duì)比情況．可以為配網(wǎng)建設(shè)改造規(guī)模提供參考，如表6所示。
4結(jié)語
隨著分布式光伏的大量接入．傳統(tǒng)配電網(wǎng)建設(shè)改造需要滿足一定的分布式光伏發(fā)電消納能力。對(duì)于不同功能區(qū)．其負(fù)荷密度和光伏發(fā)電功率密度都有各自的特點(diǎn)，為了提升配電網(wǎng)工程建設(shè)改造合理性和經(jīng)濟(jì)性，避免過度建設(shè)．需要結(jié)合實(shí)際接人情況對(duì)配套的配電網(wǎng)工程建設(shè)改造工作量進(jìn)行定量分析，提出相應(yīng)建議。
本文利用最大盈余發(fā)用比指標(biāo)．通過進(jìn)行不同典型功能區(qū)負(fù)荷與發(fā)電對(duì)比分析．研究分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)改造影響，提出不同最大盈余發(fā)用比情況下配電網(wǎng)改造投資規(guī)模。為分布式光伏接入的配電網(wǎng)建設(shè)改造工作量提供依據(jù)，對(duì)開展分布式光伏發(fā)電投資效益分析也具有一定的參考價(jià)值。
