分散式風(fēng)/光發(fā)電在邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)電能替代適應(yīng)性分析

國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 蘭國(guó)軍 許云飛 韓永強(qiáng) 孫天行

電能替代是促進(jìn)節(jié)能減排、大氣污染治理的有效途徑，邊遠(yuǎn)地區(qū)集中式風(fēng)/光發(fā)電存在消納困難、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。文中針對(duì)小容量、分散式風(fēng)/光發(fā)電接入邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)中壓配電網(wǎng)的適應(yīng)性展開(kāi)研究，分散式風(fēng)/光發(fā)電接入中壓配電網(wǎng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以有效實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的電能替代。

分散式風(fēng)/光發(fā)電；邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)；電能替代；適應(yīng)性

0 引言

為實(shí)現(xiàn)大氣污染治理、節(jié)能減排，積極推進(jìn)電能替代和清潔替代，深挖電網(wǎng)、建筑、工業(yè)、交通等領(lǐng)域的節(jié)能潛力，加快清潔能源替代，實(shí)現(xiàn)“煤改電”“油改電”“氣改電”是能源革命的主要方向[1]。我國(guó)能源與負(fù)荷呈現(xiàn)分布不對(duì)等的特點(diǎn)，陸上風(fēng)/光等清潔能源主要分布在“三北”地區(qū)，隨著近年來(lái)新能源發(fā)電站建設(shè)的推進(jìn)，該地區(qū)相對(duì)薄弱的電網(wǎng)難以接納大規(guī)模、集中式的風(fēng)、光隨機(jī)性電源[2][3]；為有效解決清潔能源的開(kāi)發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)電能替代，采用小規(guī)模、分散式發(fā)電形式接入中壓配電網(wǎng)就地消納，與當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)互為補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)供熱、供冷，可以降低輸配電線損率，提高供電可靠性。文獻(xiàn)[4]綜合分析了分布式電源接入配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性及影響；文獻(xiàn)[5]對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的位置、容量等對(duì)配電網(wǎng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。以上文獻(xiàn)均以宏觀的角度分析分布式電源的影響及適應(yīng)性，而未具體針對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)薄弱的中壓配電網(wǎng)開(kāi)展研究。

本文以邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)中壓配電網(wǎng)為背景，建立了結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的中壓配電網(wǎng)供電系統(tǒng)模型，將小容量風(fēng)/光發(fā)電分散式接入系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，利用清軟公司《全電壓等級(jí)智能化規(guī)劃軟件》進(jìn)行仿真計(jì)算；采用分布式電源適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 風(fēng)/光電源接入模型

邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)普遍較薄弱，中壓配電線路大多為單輻射線路且聯(lián)絡(luò)率??；區(qū)別于規(guī)模性風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、光伏電站，可將小容量、分散式風(fēng)/光電源接入中壓配電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。容量和電壓等級(jí)參考如表1-1所示。

建立簡(jiǎn)單的中壓配電網(wǎng)供電系統(tǒng)模型，如圖1-1所示。由上級(jí)電源站10 kV母線帶出2條10 kV主干線，一條分支線；系統(tǒng)包含10個(gè)供配電節(jié)點(diǎn)，10條中壓線路分段，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)是10 kV柱上配電變壓器、箱變或配電室；風(fēng)/光發(fā)電分散接入系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)中壓母線。

2 評(píng)價(jià)方法

適應(yīng)性評(píng)價(jià)是指評(píng)價(jià)某一區(qū)域電網(wǎng)對(duì)給定分布式電源規(guī)劃方案的適應(yīng)能力。本文適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取配電網(wǎng)可靠性、線路和變壓器負(fù)載率、節(jié)點(diǎn)短路電流、電能質(zhì)量[6]。評(píng)價(jià)體系如表2-1所示。

表1-1 分布式電源接入電網(wǎng)電壓等級(jí)

圖1-1 風(fēng)/光發(fā)電接入配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

表2-1 分布式電源適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系

評(píng)價(jià)流程如下：

(1)仿真計(jì)算電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)指標(biāo)變量值；

(2)根據(jù)評(píng)價(jià)體系計(jì)算各指標(biāo)評(píng)分值；

(3)計(jì)算區(qū)域電網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)分。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論，得分大于0分為“具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力”，0分為“具備適應(yīng)能力”，小于零為“不具備適應(yīng)能力”。

3 算例分析

以蒙東呼倫貝爾市貝爾鎮(zhèn)配電網(wǎng)供電系統(tǒng)為例，該地區(qū)供電電源是35 kV貝爾變電站，負(fù)荷主要為居民用電負(fù)荷，中壓配電網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)偏低，線路主要為單輻射，聯(lián)絡(luò)率低。風(fēng)/光發(fā)電分散接入中壓配電變壓器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)2臺(tái)，0.1 MW/臺(tái)；光伏電池3套，0.12 MW/套，重點(diǎn)分析風(fēng)/光電源對(duì)配電網(wǎng)的影響。

本文暫未考慮儲(chǔ)能裝置的對(duì)電源的平衡作用。該區(qū)域配變供電負(fù)荷合計(jì)1.44 MW,負(fù)荷功率因數(shù)為0.9,風(fēng)/光電源并網(wǎng)類型均采用恒功率因數(shù)控制方式。風(fēng)/光電源、配變及線路參數(shù)如表3-1、表3-2所示。

表3-1 貝爾地區(qū)配電網(wǎng)配變參數(shù)

表3-2 貝爾地區(qū)配電網(wǎng)線路參數(shù)

采用北京清軟《全電壓等級(jí)智能化規(guī)劃軟件》平臺(tái)搭建仿真模型，如圖3-1所示。風(fēng)/光電源、配變、線路等參數(shù)按照上述給定。分別對(duì)風(fēng)/光發(fā)電未接入、分散接入2種情況下進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

3.1 風(fēng)/光發(fā)電未接入

如表3-3(a)(b)所示，風(fēng)/光發(fā)電接入前，中壓配電網(wǎng)是單輻射結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)10臺(tái)配變(10個(gè)節(jié)點(diǎn))，其中4臺(tái)滿足N-1要求，N-1通過(guò)率為40%，中壓線路均不滿足N-1要求，N-1通過(guò)率為0。

3-1 風(fēng)/光發(fā)電分散接入配電網(wǎng)仿真模型

風(fēng)/光發(fā)電接入前，系統(tǒng)10個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓均在合理范圍內(nèi)，但其中有4個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓低于10 kV，不存在母線孤島狀態(tài)。由于貝爾地區(qū)屬于農(nóng)牧區(qū)，系統(tǒng)短路電流限定值[7]取20 kA；風(fēng)/光發(fā)電接入前，節(jié)點(diǎn)短路電流較小，且均在合理范圍內(nèi)。

3.2 風(fēng)/光發(fā)電分散接入

風(fēng)/光發(fā)電接入后，由于增加了電源支撐，系統(tǒng)10臺(tái)配變?nèi)縉-1通過(guò)，N-1通過(guò)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(guò)率為90 %。中壓母線電壓升高，達(dá)到10 kV以上，如表3-4所示。

風(fēng)/光發(fā)電接入后，節(jié)點(diǎn)短路電流整體增大，3個(gè)節(jié)點(diǎn)短路電流超標(biāo)，分別為春蕾變臺(tái)、貝爾西北變臺(tái)和蔬菜基地變臺(tái)短路電流超過(guò)限定值[7]（20 kA），如表3-5所示。

3.3 風(fēng)/光電源接入適應(yīng)性評(píng)價(jià)

根據(jù)文中評(píng)價(jià)體系，風(fēng)/光電源接入后，配變未N-1通過(guò)率比例增加- 60%，線路未N-1通過(guò)比例增加-90%。由于系統(tǒng)負(fù)荷較小，風(fēng)/光電源接入前后，配變、線路均未過(guò)載，指標(biāo)取0。短路電流超標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例70%。貝爾地區(qū)供電半徑較小，風(fēng)/光電源接入前后，節(jié)點(diǎn)電壓均未超標(biāo)，且風(fēng)/光電源具有提高或維持節(jié)點(diǎn)電壓的作用，本指標(biāo)取0。根據(jù)評(píng)分規(guī)則，風(fēng)/光電源分散接入配電網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)分= - (- 0.6) × 0.15 - (-0.9) × 0.15 + （- 0.7 × 0.15）= 0.12 > 0，即具邊遠(yuǎn)地區(qū)配電網(wǎng)對(duì)小容量風(fēng)/光電源分散接入備較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

綜上分析，風(fēng)/光發(fā)電并網(wǎng)能夠優(yōu)化個(gè)別設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)，維持中壓母線電壓，降低線路負(fù)載率，降低容載比等，這是因?yàn)樨?fù)荷對(duì)能源的就地消納使得線路和變壓器中流過(guò)的功率減少。為更好地適應(yīng)該類電源的接入，在配電網(wǎng)建設(shè)、改造中針對(duì)電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行繼電保護(hù)的改造和更新，保證電源并網(wǎng)后設(shè)備的運(yùn)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(jié)點(diǎn)電壓情況

表3-5 接入后短路電流情況

4 結(jié)論

本文針對(duì)邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，將風(fēng)/光發(fā)電分散接入中壓配變并網(wǎng)發(fā)電，仿真分析風(fēng)/光發(fā)電未接入、分散式接入2種情況對(duì)配電網(wǎng)的影響，分析邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)對(duì)分散式風(fēng)/光發(fā)電的適應(yīng)性。結(jié)果表明，邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)配電網(wǎng)對(duì)小容量、分散式風(fēng)/光發(fā)電具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且風(fēng)/光電源對(duì)配電網(wǎng)有較好的補(bǔ)充作用。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，將風(fēng)/光發(fā)電分散式接入中低壓配電網(wǎng)，優(yōu)化發(fā)電布局，可以大力推動(dòng)邊遠(yuǎn)地區(qū)電能替代和風(fēng)、光等清潔能源的因地制宜及開(kāi)發(fā)利用。

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《電力設(shè)備管理》雜志社編輯部2017.7.15