張興友，陳 濤，趙 帥，孔一惠，劉洪正

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.杭州世創(chuàng)電子技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

0 引言

近年來，以光伏為代表的分布式電源接入配電網(wǎng)容量飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年初，山東電網(wǎng)新能源接入電網(wǎng)容量達(dá)到29 000 MW，其中，以光伏為代表的分布式電源接入容量達(dá)到8 900 MW，占新能源接入容量的30%。

配電網(wǎng)消納分布式電源能力受分布式電源類型、接入位置、負(fù)荷類型、負(fù)荷大小等因素影響。目前已有相關(guān)學(xué)者在配電網(wǎng)消納分布式電源能力領(lǐng)域開展了相關(guān)研究工作。文獻(xiàn)［1］分析了影響配電網(wǎng)分布式電源消納能力的限制因素，歸納總結(jié)了有載調(diào)壓變壓器抽頭調(diào)整、無功補(bǔ)償、逆變器功率因數(shù)等多種配電網(wǎng)消納分布式電源能力提升技術(shù)。文獻(xiàn)［2］基于分布式電源出力波動(dòng)性特征和間歇性特征提出了基于魯棒優(yōu)化的配電網(wǎng)接納分布式電源能力評估方法。文獻(xiàn)［3］建立了分布式電源高滲透率配電網(wǎng)二維多分辨率模型，并提出了計(jì)及電壓、線路熱穩(wěn)定極限和網(wǎng)絡(luò)損耗等因素的配電網(wǎng)分布式電源接納能力評估方法。文獻(xiàn)［4］針對分布式電源和控制元件的性能差異建立了差異性詳細(xì)模型，提出了考慮分布式電源出力波動(dòng)性的實(shí)時(shí)運(yùn)行潮流分析模型，結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)的多樣性特征建立了基于蒙特卡洛隨機(jī)方法的改進(jìn)模式搜索算法。文獻(xiàn)［5］以開環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)為研究出發(fā)點(diǎn)，基于分布式電源出力波動(dòng)性特征和間歇性特征，分析了節(jié)點(diǎn)電壓、功率因數(shù)等因素約束下配電網(wǎng)接入分布式電源動(dòng)態(tài)模型要求，提出了考慮節(jié)點(diǎn)電壓、功率因數(shù)的配電網(wǎng)接入分布式電源的功率函數(shù)模型。文獻(xiàn)［6］從電能質(zhì)量角度以電壓畸變和電流畸變2 個(gè)維度分析了配電網(wǎng)分布式電源接納能力影響因素，分析了分布式電源和負(fù)荷分布對饋線電壓畸變率的作用規(guī)律以及考慮電流畸變率影響最不利條件下的滲透率計(jì)算方法。文獻(xiàn)［7］搭建了分布式電源并網(wǎng)仿真模型，并仿真分析分布式電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)運(yùn)行的影響，包括配電網(wǎng)的供電安全性、電能質(zhì)量及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面。文獻(xiàn)［8］基于自適應(yīng)二階段魯棒優(yōu)化方法和配電網(wǎng)三相不平衡特征，提出了考慮分布式電源最優(yōu)消納的兩階段配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法。文獻(xiàn)［9］分析分布式電源不同接入容量和不同接入位置對配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響規(guī)律，并結(jié)合DIgSILENT/Power Factory 驗(yàn)證了配電網(wǎng)電壓波動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)［10］以分布式電源出力波動(dòng)性和間歇性特征為基礎(chǔ)，采用ETAP 軟件構(gòu)建了評估配電網(wǎng)分布式電源接納能力的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［11-12］分析了配電網(wǎng)最大分布式電源接入能力。

近年來，受利好政策影響，以分布式光伏為代表的分布式電源呈現(xiàn)出“點(diǎn)多面廣、局部高密度并網(wǎng)”的高速發(fā)展態(tài)勢，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行面臨著大規(guī)模、高比例分布式電源并網(wǎng)帶來的巨大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有研究中，多從局地性、區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)著手，分析了配電網(wǎng)分布式電源接納能力對電能質(zhì)量、電壓波動(dòng)等的影響。實(shí)際上，分布式電源發(fā)展具有政策推動(dòng)性，表現(xiàn)在省域范圍內(nèi)分布式電源出現(xiàn)階段性大發(fā)展。為此，針對上述趨勢采用升尺度視角提出了描述區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)分布式電源接納能力的指標(biāo)體系，并結(jié)合指標(biāo)體系提出了配電網(wǎng)分布式電源接納能力評估方法。

1 配電網(wǎng)分布式電源發(fā)展趨勢及對電網(wǎng)影響分析

近年來，我國分布式光伏呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。截至目前，山東電網(wǎng)分布式光伏裝機(jī)容量接近8 900 MW。圖1 給出了國網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)歷年分布式光伏裝機(jī)容量發(fā)展趨勢［13］。

以分布式光伏為代表的分布式電源點(diǎn)多面廣，規(guī)模巨大，增加調(diào)度對象數(shù)量。分布式光伏廠站管理水平和運(yùn)維力量普遍不足，民營資本經(jīng)營特征明顯，網(wǎng)絡(luò)安全問題突出，調(diào)度運(yùn)行管理難度較大。分布式光伏主要通過無線采集終端將信息上傳至調(diào)度系統(tǒng)，上傳信息僅包括發(fā)電量、電流、電壓等，不能支撐調(diào)度機(jī)構(gòu)開展精細(xì)化管理。380 V／220 V 低壓接入的非調(diào)度管轄分布式電源規(guī)模龐大，且數(shù)量持續(xù)快速增長，對配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)影響不容忽視，但其并網(wǎng)情況和運(yùn)行信息難以及時(shí)有效掌握，不僅加大負(fù)荷預(yù)測和方式安排難度，而且調(diào)度機(jī)構(gòu)不掌握的潛在電源點(diǎn)將越來越多，危險(xiǎn)系數(shù)增加，對電網(wǎng)運(yùn)行和檢修安排產(chǎn)生較大影響，不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。具體而言，其對配電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

1）配電網(wǎng)由“無源網(wǎng)”變?yōu)椤坝性淳W(wǎng)”。配電網(wǎng)接入分布式電源后，改變了電源從高壓到低壓單向流動(dòng)的形式，配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度愈加復(fù)雜。局部分布式電源高滲透率條件下存在倒送可能性，部分時(shí)間段負(fù)荷低谷甚至出現(xiàn)在中午時(shí)段。

圖1 分布式光伏裝機(jī)歷年發(fā)展趨勢

2）配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率下降。由于分布式電壓不配置功率預(yù)測系統(tǒng)，其對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行直接體現(xiàn)在負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確度上。分布式電源高滲透率下負(fù)荷預(yù)測精度難以保證，對電力平衡計(jì)劃造成一定影響。

3）加劇配電網(wǎng)電壓波動(dòng)水平。集中式新能源配置了無功補(bǔ)償裝置，而分布式電源在故障期間僅依靠電網(wǎng)提供無功電壓支撐，容易造成事故擴(kuò)大。分布式電源位于線路末端時(shí)，電壓波動(dòng)更加劇烈。另外，分布式電源采用的電力電子器件質(zhì)量參差不齊，容易導(dǎo)致諧波、電壓閃變等電能質(zhì)量問題。

2 配電網(wǎng)分布式電源接納能力評估指標(biāo)體系

2.1 區(qū)域類指標(biāo)

1）區(qū)域分布式電源滲透率。該指標(biāo)描述了區(qū)域內(nèi)（如省級電網(wǎng)）分布式電源裝機(jī)占區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的比例。區(qū)域分布式電源滲透率為

式中：n 為區(qū)域內(nèi)分布式電源數(shù)量；Di為分布式電源i 的裝機(jī)容量；m 為負(fù)荷數(shù)量；Pj為負(fù)荷j 的功率。

2）區(qū)域分布式電源發(fā)電量占比。該指標(biāo)描述了區(qū)域內(nèi)（如省級電網(wǎng)）分布式電源一定時(shí)間內(nèi)發(fā)電量占區(qū)域負(fù)荷電量的比例。區(qū)域分布式電源發(fā)電量占比為

式中：t 為時(shí)間；Di（t）為分布式電源i 在t 時(shí)刻的功率；Pj（t）為負(fù)荷j 在t 時(shí)刻功率。

3）區(qū)域分布式電源利用率。該指標(biāo)描述了區(qū)域內(nèi)（如省級電網(wǎng)）分布式電源消納整體情況。區(qū)域分布式電源利用率為

式中：Pri（t）為分布式電源i 在t 時(shí)刻的可用發(fā)電功率。

2.2 局域類指標(biāo)

1）局域分布式電源滲透率。該指標(biāo)描述了局域內(nèi)分布式電源裝機(jī)占負(fù)荷的比例。計(jì)算方法同式（1）。

2）局域分布式電源發(fā)電量占比。為描述局域配電網(wǎng)分布式電源發(fā)電貢獻(xiàn)，該指標(biāo)描述了分布式電源總發(fā)電量占局域電網(wǎng)負(fù)荷電量的比例。計(jì)算方法同式（2）。

3）局域分布式電源反送概率。該指標(biāo)描述了分布式電源功率反送時(shí)間總和占有效發(fā)電時(shí)間的比例。

式中：Δta為第a 個(gè)反送時(shí)段時(shí)長；tb為第b 個(gè)待評估時(shí)段時(shí)長。

4）局域分布式電源反送電量占比。該指標(biāo)描述了分布式電源功率反送電量與總發(fā)電量的比例。

式中：ΔPi（t）為分布式電源i 潮流反送功率。

5）局域分布式電源線損增量。配網(wǎng)中分布式電源裝機(jī)容量如果過大，超過了本級消納能力，則存在電能反送的需求。電能從低壓環(huán)節(jié)到高壓環(huán)節(jié)客觀上增加了線損水平。該指標(biāo)力圖評估分布式電源高滲透率下線損變化水平。

式中：Li（t）為分布式電源i 在t 時(shí)刻線損功率。

6）局域分布式電源利用率。該指標(biāo)描述了區(qū)域內(nèi)（如省級電網(wǎng)）分布式電源消納整體情況。計(jì)算方法同式（3）。

3 配電網(wǎng)分布式電源接納能力評估算法

配電網(wǎng)分布式電源消納影響因素不僅限于局地，也受全網(wǎng)影響。局地影響因素主要包括變壓器、線路容量約束，電壓波動(dòng)約束，若反送容量過大，也需要考慮電能從低壓到高壓的線損變化情況約束。區(qū)域影響因素主要為負(fù)荷水平、火電等其他電源裝機(jī)水平等因素。為此，提出了兩階段算法評估配電網(wǎng)分布式電源接納能力評估方法。

3.1 局域分布式電源接納能力評估

局域分布式電源消納影響因素主要有變壓器、線路容量約束，電壓波動(dòng)約束和反送造成的線損變化約束等。其中，變壓器、線路容量約束可通過查閱變壓器、線路參數(shù)手冊通過熱穩(wěn)定極限測算、容量計(jì)算等方法計(jì)算得出。電壓波動(dòng)約束和線損變化約束受負(fù)荷波動(dòng)、線路類型等因素影響。線路有功損耗及電壓波動(dòng)計(jì)算方法為

式中：ΔW 為網(wǎng)損；ΔWk為各條線路網(wǎng)損；ΔUk為線路k 的壓降；l 為線路條數(shù)；Pk為線路k 的有功功率；Qk為線路k 的無功功率；Uk為線路k 的電壓；Rk為線路k 的電阻；Xk為線路k 的電抗。

3.2 區(qū)域分布式電源接納能力評估

區(qū)域分布式電源接納能力影響因素主要為負(fù)荷水平、火電等其他電源裝機(jī)水平等因素。圖2 給出了分布式電源高滲透率對負(fù)荷曲線的影響。

由圖2 可見，隨著分布式電源裝機(jī)增長，負(fù)荷曲線在中午時(shí)段發(fā)生顯著變化。為描述區(qū)域分布式電源消納能力，建立了基于時(shí)序模型的區(qū)域分布式電源接納能力評估算法，如圖3 所示。

4 算例分析

為評估本文提出的兩階段算法在評估配電網(wǎng)分布式電源接納能力的有效性，采用如下算例評估配電網(wǎng)分布式電源接納能力。配網(wǎng)所在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電源配置如表1 所示。該算例中，負(fù)荷電量130 億kWh，聯(lián)絡(luò)線送入電量40 億kWh。

圖3 基于時(shí)序模擬的兩階段區(qū)域分布式電源接納能力評估算法流程

配電網(wǎng)所在局域電網(wǎng)分布式電源情況如表2所示。

圖2 高滲透率分布式電源影響下日負(fù)荷鴨型曲線對比

表1 區(qū)域電網(wǎng)電源配置

表2 局域電網(wǎng)分布式電源配置

表3 給出了區(qū)域配電網(wǎng)不同裝機(jī)條件下分布式電源消納指標(biāo)。由表3 可見，在臨界范圍內(nèi)分布式電源裝機(jī)對消納影響顯著。

表3 區(qū)域電網(wǎng)分布式電源消納指標(biāo)

表4 給出了局域配電網(wǎng)分布式電源消納指標(biāo)體系。由表4 可見，在饋線較長、反送容量較大等場景下，相關(guān)指標(biāo)顯著變化。

表4 局域電網(wǎng)分布式電源消納指標(biāo) %

5 結(jié)語

分布式電源規(guī)?；尤敫淖兞藗鹘y(tǒng)配電網(wǎng)潮流特性，對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、網(wǎng)損等產(chǎn)生了一定的影響。受負(fù)荷大小、設(shè)備容量等因素約束，配電網(wǎng)分布式電源接納能力有限。分析了分布式電源不同接入容量對配電網(wǎng)影響，從區(qū)域和局域兩個(gè)層次提出了刻畫配電網(wǎng)接納分布式電源能力的指標(biāo)體系，提出了分布式電源接入配電網(wǎng)容量的評估方法，并通過算例驗(yàn)證了所提算法有效性和評估指標(biāo)體系的有效性。