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    廣義電源高壓配網(wǎng)替代容量的評估方法

    2018-10-25 01:18:16劉譯聰劉文霞劉宗歧韓璟琳
    現(xiàn)代電力 2018年5期
    關(guān)鍵詞:廣義接線儲能

    劉譯聰,劉文霞,劉宗歧,郭 靜,胡 平,韓璟琳

    (1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室(華北電力大學(xué)),北京 102206;2.國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,山西太原 030001;3.國網(wǎng)河北省電力公司,河北石家莊 050000)

    0 引 言

    主動配電網(wǎng)憑借智能化的調(diào)度和運(yùn)行手段,能夠有效整合需求側(cè)響應(yīng)(demand response,DR)負(fù)荷、分布式電源(distribution generation,DG)及儲能系統(tǒng)等分布式能源,顯著提升電網(wǎng)對綠色能源的接納能力及對已有資產(chǎn)的利用水平[1]。隨著分布式電源、儲能及需求側(cè)響應(yīng)資源滲透率的不斷提高,其可作為配電網(wǎng)中的電源代替高壓配網(wǎng)承擔(dān)部分負(fù)荷,因此將主動配電網(wǎng)中的分布式能源統(tǒng)稱之為廣義電源(generalized power source,GPS)。評估配電網(wǎng)中廣義電源對高壓配網(wǎng)的容量替代價值,不僅可以為主動配電網(wǎng)中變電站規(guī)劃提供支撐,而且可以有效評估廣義電源對電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn),為市場機(jī)制和電價政策的制定提供決策支持。

    在變電站規(guī)劃中,傳統(tǒng)處理DG的接入對變電站選址定容影響的等效模型主要有兩種。一種把DG看作一個功率消耗為負(fù)的動態(tài)負(fù)荷,將其出力乘以一定系數(shù)后計入總裝機(jī)容量[2]。雖然該種方法可計及DG出力的貢獻(xiàn),有效降低變電站的規(guī)劃容量,但未考慮DG出力的波動性和故障的隨機(jī)性。另一類僅計及DG的最小出力[3],該種方法計算結(jié)果較為保守,不能全面計及DG的容量價值。文獻(xiàn)[4]提出了一種考慮DG容量價值的變電站規(guī)劃方法:在變電站規(guī)劃中間環(huán)節(jié),一個變電站供電范圍內(nèi),將電力不足期望作為考察指標(biāo),在等發(fā)電可靠性前提下,考察分布式能源接入后能夠多增加的負(fù)荷量,將其定義為置信容量,并在變電站容量中扣除置信容量。

    目前,國內(nèi)外學(xué)者采用可信容量來評估間歇性能源對系統(tǒng)容量充裕度所做的貢獻(xiàn)[5],已經(jīng)取得了部分研究成果。文獻(xiàn)[6]指出風(fēng)電可信容量是指等可靠性前提下,風(fēng)電機(jī)組可以替代的常規(guī)機(jī)組容量的大小,并綜述了風(fēng)電容量可信度的定義與主要計算方法。文獻(xiàn)[7]提出一種基于序列運(yùn)算的風(fēng)電可信容量計算方法。文獻(xiàn)[8]提出一種風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可信容量計算方法。上述研究均是在輸電網(wǎng)層面考察間歇性能源替代常規(guī)發(fā)電機(jī)組的有效容量,可靠性不變是指發(fā)電系統(tǒng)充裕性不變。文獻(xiàn)[4,9]首次將可信容量的概念擴(kuò)展到配電網(wǎng)層面,研究了變電站供電范圍內(nèi)DG能夠替代的容量,并在此基礎(chǔ)上提出了一種僅計及DG的新型有源配電網(wǎng)變電站的選址定容方法。目前,在對高壓配網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃時,通常已知該地區(qū)的負(fù)荷密度和高壓接線模式,而在不同高壓接線模式下,單位變電容量對可靠性的貢獻(xiàn)是有差異的。為此,實際規(guī)劃中廣義電源能夠整體替代多少變電容量不僅與變電站分區(qū)下的用戶分布有關(guān),還與高壓配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

    為此,本文首先給出配電網(wǎng)中廣義電源的可信容量的定義,以配電區(qū)域為研究對象,在規(guī)劃水平年GPS滲透率預(yù)測值一定且分散分布情況下,考慮GPS的不確定性和內(nèi)部控制策略,研究其能夠替代高壓配網(wǎng)容量的計算方法,為后續(xù)一定高壓接線模式下變電站選址定容奠定基礎(chǔ)。

    1 廣義電源可信容量定義

    主動配電網(wǎng)的主動性體現(xiàn)在對分布式能源的主動調(diào)節(jié),傳統(tǒng)的對分布式能源的處理是即發(fā)即用,而主動配電網(wǎng)可通過加入儲能消納環(huán)節(jié)、改變功率因數(shù),從而實現(xiàn)大量分布式電源接入、增加配電系統(tǒng)的電源容量、提高系統(tǒng)的可靠性的目的[10],因此可在一定程度上替代上級電源負(fù)擔(dān)部分負(fù)荷,由于間歇性DG具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動性,難以進(jìn)行有效控制,因此等容量的DG遠(yuǎn)小于上級電源所帶負(fù)荷量。儲能系統(tǒng)通過設(shè)定合理的運(yùn)行策略能夠平抑間歇性DG出力的波動性,可在一定程度上提高DG的載荷能力;需求側(cè)響應(yīng)資源是主動配電網(wǎng)的重要組成部分,可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需求靈活改變負(fù)荷用電。

    綜上,DG、儲能系統(tǒng)及需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的接入提高了系統(tǒng)的可靠性,可替代高壓配網(wǎng)承擔(dān)部分負(fù)荷,統(tǒng)一稱為配電網(wǎng)中的廣義電源(generalized power source,GPS)。為評估廣義電源在配電網(wǎng)中的容量價值,沿用可信容量的概念,將主動配電網(wǎng)中廣義電源對高壓配網(wǎng)產(chǎn)生容量替代作用的可信容量定義為:在高壓配電網(wǎng)層面,根據(jù)等可靠性原則,配電網(wǎng)中接入的廣義電源能夠等效的容量的大小,可應(yīng)用于一定接線模式下變電站容量的整體規(guī)劃。

    本文采用一定負(fù)荷水平下的有效載荷能力(effective load carrying capability,ELCC)指標(biāo)評估GPS的高壓配網(wǎng)可信容量。此時的可靠性是指考慮110kV線路和變壓器隨機(jī)故障下,高壓配網(wǎng)對10kV供電的可靠性。由于高壓配網(wǎng)的開環(huán)運(yùn)行,可靠性計算中需考慮站內(nèi)轉(zhuǎn)接和站間轉(zhuǎn)接時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化和線路過載問題。高壓配網(wǎng)可信容量與發(fā)電可信容量計算的不同之處在于,變電站的上級電源和GPS都可能對新增負(fù)荷產(chǎn)生貢獻(xiàn),當(dāng)變壓器負(fù)載率不同時,GPS的可信容量也將不同[4]。本文計算中把變電站基礎(chǔ)負(fù)荷設(shè)為滿足N-1安全準(zhǔn)則下的最大值,并將負(fù)荷和廣義電源都等效到10kV母線。

    目前,國內(nèi)電網(wǎng)根據(jù)負(fù)荷密度劃分為6類供電分區(qū),每類分區(qū)均規(guī)定了可用接線模式,圖1為廣義電源等效接入變電站的示意圖。

    圖1 廣義電源等效接入示意圖Fig.1 Generalized power source equivalent access diagram

    綜上,主動配電網(wǎng)中GPS的可信容量表達(dá)式如下:

    R(CT,L0)=R(CT,CGPS,L0+ΔL)

    (1)

    式中:R(·)為高壓配電網(wǎng)可靠性估算函數(shù),其可靠性指標(biāo)可以取系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間SAIDI或電量不足期望值EENS;CT、CGPS分別為一定接線模式下變電站容量、廣義電源接入容量;L0、ΔL分別為供電分區(qū)內(nèi)各變電站10kV原始負(fù)荷總和與新增負(fù)荷總和。當(dāng)式(1)成立時,對應(yīng)的ΔL,即為供電分區(qū)內(nèi)各變電站廣義電源CGPS的高壓配網(wǎng)可信容量。

    2 廣義電源出力模型與控制策略

    配電網(wǎng)中廣義電源的運(yùn)行策略與各電源出力和電價機(jī)制密切相關(guān)。主動配電網(wǎng)調(diào)動廣義電源的運(yùn)行控制策略大體分為兩類:集中控制決策和分散控制決策。集中控制決策中,配電網(wǎng)根據(jù)采集和預(yù)測的信息對廣義電源的時序出力進(jìn)行控制,控制目標(biāo)包括網(wǎng)損最小、電壓偏差小、分布式能源出力最大等,控制范圍有單條饋線、多條饋線和變電站幾種;分散控制是單個分布式資源根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略和并網(wǎng)點(diǎn)檢測信息,決策各自的有功和無功出力,也可以通過選擇重要的廣義電源(對其他點(diǎn)電壓敏感),對其進(jìn)行控制以實現(xiàn)對整體區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)的控制,該種方式可有效節(jié)省電網(wǎng)通信和自動化的投資。本文采用分散式控制策略,考慮現(xiàn)階段國家采用各種分布式資源單獨(dú)定價的方式,廣義隨機(jī)電源的出力為滿足約束下的最大出力,儲能的出力則依賴其在配網(wǎng)中的功能定位[11]。

    2.1 分布式電源建模

    風(fēng)力發(fā)電(wind turbine generator,WTG)和光伏發(fā)電(photovoltaic,PV)是現(xiàn)有新能源發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛的兩類,文中不對這兩類隨機(jī)電源進(jìn)行控制,其時序出力模型參見文獻(xiàn)[12-13],不再贅述。

    2.2 儲能系統(tǒng)建模

    儲能系統(tǒng)的出力模型與其運(yùn)行策略有關(guān)。本文中儲能配置在饋線首端,其主要任務(wù)是盡可能實現(xiàn)就地消納,減少損耗,并提高供電可靠性。文中將負(fù)荷需求與DG出力的差值定義為凈交換功率pex,儲能系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時的運(yùn)行策略設(shè)定為:當(dāng)pex小于0時,儲能放電;當(dāng)pex大于等于0時,則過剩的出力為儲能系統(tǒng)充電,儲能充放電功率可由下式計算:

    (2)

    式中:pc,BES,t、pd,BES,t分別為t時刻儲能電池的充放電功率;ηc、ηd分別為儲能系統(tǒng)的充放電效率;γc、γd分別為單位時間內(nèi)充、放電的最大功率與儲能電池額定容量Snom的比值。

    為兼顧儲能系統(tǒng)保持較高的荷電狀態(tài)為系統(tǒng)故障時備用,同時減少充放電之間頻繁的狀態(tài)改變以保障儲能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命,本文規(guī)定正常運(yùn)行狀態(tài)下,儲能系統(tǒng)一旦開始充電,即需充至某一規(guī)定的荷電水平。

    與系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時不同,故障時停電區(qū)域內(nèi)的凈交換功率pex需考慮轉(zhuǎn)供負(fù)荷量,如式(3)所示。

    (3)

    式中:pload,t、ploss,t、pDG,i,t分別為t時刻停電負(fù)荷點(diǎn)的功率,網(wǎng)損功率以及第i組DG的上網(wǎng)功率;pT,t為停電負(fù)荷點(diǎn)可轉(zhuǎn)供的負(fù)荷功率;NDG為停電區(qū)域內(nèi)DG的總數(shù)量。

    故障時儲能系統(tǒng)的充放電功率由式(2)和式(3)共同決定。

    此外,儲能系統(tǒng)充放電功率及荷電狀態(tài)應(yīng)滿足式(4)約束[14]。

    (4)

    2.3 可控負(fù)荷建模

    一般而言,需求響應(yīng)存在兩種基本形式:基于價格的需求響應(yīng)和基于激勵的需求響應(yīng)?;趦r格的需求響應(yīng)是指用戶為響應(yīng)電價變化而做出的避峰就谷等用電行為;基于激勵的需求響應(yīng)是指用戶愿意以中斷電力使用換取經(jīng)濟(jì)激勵的行為,這一般是電網(wǎng)運(yùn)行者為了維持系統(tǒng)可靠性而實施的中斷供電行為,在系統(tǒng)運(yùn)行備用缺乏時,也稱為緊急需求響應(yīng)[15]?;诩畹男枨髠?cè)響應(yīng)主要有:直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷、需求側(cè)競價、緊急需求響應(yīng)和容量/輔助服務(wù)計劃。其中,關(guān)于負(fù)荷控制的模型主要為前兩種。本文的可控負(fù)荷為可中斷負(fù)荷,指在系統(tǒng)高峰時段由負(fù)荷控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過遠(yuǎn)端控制裝置關(guān)閉或者循環(huán)控制用戶的用電設(shè)備,提前通知時間一般在15min以內(nèi)。假設(shè)同一個變壓器下的負(fù)荷屬于一個分區(qū),當(dāng)故障出現(xiàn)停電時對同一供電分區(qū)內(nèi)的可控負(fù)荷具有直接控制能力,能夠及時削減。

    本文設(shè)定系統(tǒng)中單個負(fù)荷點(diǎn)的可控負(fù)荷的最大可用量與該點(diǎn)負(fù)荷功率成比例關(guān)系,如下式:

    pD,i,t=α×pload,i,t

    (5)

    式中:pD,i,t為t時刻負(fù)荷點(diǎn)i可以削減的可控負(fù)荷功率;α為該點(diǎn)可控負(fù)荷與該點(diǎn)負(fù)荷功率的比例;pload,i,t為負(fù)荷點(diǎn)i在t時刻的負(fù)荷功率。

    故障恢復(fù)機(jī)制決定了故障過程中的供電次序,并可確定故障過程的負(fù)荷缺供電量:優(yōu)先保證DG供電,其次考慮可轉(zhuǎn)供的負(fù)荷大小,當(dāng)該兩項措施仍無法滿足故障區(qū)域的全部負(fù)荷用電時,儲能執(zhí)行上文公式(3)故障運(yùn)行策略。計算系統(tǒng)需削減的可控負(fù)荷總量pIL,t具體如下:

    (6)

    式中:Tout為停電時間。

    當(dāng)該區(qū)域的可控負(fù)荷總量大于pIL,t時,不會造成負(fù)荷停電,即系統(tǒng)停電負(fù)荷pout,t=0;反之,當(dāng)該區(qū)域可控負(fù)荷總量小于pIL,t時,即所有可控負(fù)荷實施負(fù)荷控制削減負(fù)荷后將仍存在部分負(fù)荷失電,系統(tǒng)停電負(fù)荷為

    (7)

    式中:ND為停電負(fù)荷點(diǎn)可控負(fù)荷的總組數(shù);pD,i.t為t時刻可控負(fù)荷i可以削減的負(fù)荷總量。

    3 可靠性評估方法

    由于單個變壓器下的供電負(fù)荷屬于同一供電分區(qū),根據(jù)國網(wǎng)公司《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》,當(dāng)高壓配電網(wǎng)發(fā)生故障造成負(fù)荷失電時,失電負(fù)荷首先由高壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供;轉(zhuǎn)供線路故障或轉(zhuǎn)供負(fù)荷越限時,通過中壓側(cè)站間聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供。高壓轉(zhuǎn)供與中壓轉(zhuǎn)供共同決定了系統(tǒng)的可靠性水平。下面舉例分析高壓配網(wǎng)在正常運(yùn)行情況下的運(yùn)行方式及故障時的負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式。

    3.1 高壓配電網(wǎng)典型接線模式及轉(zhuǎn)供方式分析

    高壓配電網(wǎng)主要有以下幾種接線模式:直接接線、單側(cè)電源T型接線、雙電源T型接線、雙電源π型接線。其中,圖2以單側(cè)電源T型的電氣接線圖為例對正常運(yùn)行方式以及故障后的處理方式進(jìn)行說明,其他3種模式的電氣接線圖見文獻(xiàn)[16]。每個變壓器負(fù)責(zé)供給一個負(fù)荷分區(qū)。

    圖2 單側(cè)電源T型接線Fig.2 T-type connection mode of single-side power supply

    實際中變電站站內(nèi)高壓側(cè)接線模式主要有線變組接線、橋型接線和T型接線,低壓側(cè)接線模式主要有環(huán)入環(huán)出、單母線分段等,根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則及編制說明》,本文站內(nèi)高壓側(cè)采用進(jìn)線與主變的連接中省去母線的線路變壓器組接線方式,低壓側(cè)采用單母線分段接線方式。在不考慮短時超負(fù)荷情況下,假定變壓器容量為40MW,每個變壓器最大可帶負(fù)載25MW,站內(nèi)聯(lián)絡(luò)線的轉(zhuǎn)供上限為40MW,站間聯(lián)絡(luò)線的轉(zhuǎn)供上限為10MW。由于線路極限輸送容量一般大于變電分區(qū)內(nèi)的最大安全負(fù)荷總和,因此,不考慮線路容量對轉(zhuǎn)供負(fù)荷的限制。

    圖2中,正常運(yùn)行時,干線I為A、B兩變電站的2#變壓器下負(fù)荷供電,干線Ⅱ為A、B兩變電站的1#變壓器下負(fù)荷供電。如果干線I上110kV斷路器發(fā)生故障,110kV變電站A和B的2#變壓器所接分區(qū)失電且無法從高壓線路側(cè)轉(zhuǎn)供,負(fù)荷可通過兩個途徑轉(zhuǎn)移:站內(nèi)轉(zhuǎn)供和中壓側(cè)站間轉(zhuǎn)供。本文僅考慮單元接線方式內(nèi)部之間有聯(lián)絡(luò),即站間聯(lián)絡(luò)僅考慮A站與B站之間存在聯(lián)絡(luò),受限于變壓器的容量,50MW的失電負(fù)荷中,有30MW的負(fù)荷能通過站內(nèi)另一個無故障變壓器的低壓側(cè)轉(zhuǎn)供恢復(fù)供電,該停電時間為轉(zhuǎn)供時間,剩余20MW的負(fù)荷通常一部分或全部可通過中壓轉(zhuǎn)移,鑒于本文研究的是高壓配電網(wǎng)的可靠性,此時可視高壓對10kV負(fù)荷的服務(wù)中斷,其停電時間視為故障時間。

    由此可見,不同的接線模式在元件故障后的負(fù)荷轉(zhuǎn)移有差異,導(dǎo)致可靠性各不相同。

    3.2 計及高壓網(wǎng)架的配電網(wǎng)可靠性評估

    目前配電網(wǎng)可靠性評估方法主要有解析法和模擬法2種。在考慮光伏的時序性和儲能的時序控制特征,以及高壓線路和變壓器隨機(jī)故障情況下,本文采用基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣的序貫蒙特卡洛可靠性評估方法,建立了包含廣義電源的高壓配網(wǎng)可靠性計算時序模型。選用年期望缺供電量作為可靠性評估指標(biāo)[17],對系統(tǒng)中的電源元件和非電源元件同時進(jìn)行抽樣模擬,將電源元件和非電源元件的故障缺供電量指標(biāo)統(tǒng)一,其表達(dá)式為

    (8)

    式中:RG為年期望缺供電量;N代表總模擬年數(shù);Ens代表一次故障狀態(tài)下的缺供電量;q為電源元件故障狀態(tài)模擬次數(shù);p為非電源元件故障狀態(tài)模擬次數(shù)。

    具體計算步驟如下:

    步驟1:生成時序變化序列。根據(jù)WTG及PV出力模型,在模擬總時長T范圍內(nèi),生成WTG、PV的時序變化序列。并根據(jù)儲能正常運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行策略,生成儲能系統(tǒng)SOC的時序變化序列。負(fù)荷序列恒定,設(shè)定恒為最大安全負(fù)荷。

    步驟2:生成故障狀態(tài)序列。對系統(tǒng)中的電源元件和非電源元件同時進(jìn)行序貫?zāi)M,不考慮雙重及以上故障,當(dāng)非電源元件故障狀態(tài)出現(xiàn)時,進(jìn)行步驟3故障評估時選擇(a),p加1;當(dāng)電源元件故障狀態(tài)出現(xiàn)時,步驟3故障評估時選擇(b),q加1。

    步驟3:故障評估。根據(jù)故障元件不同,有兩種方式,其中:

    a.根據(jù)非電源元件故障情況,查詢故障模式分析表庫,確定失負(fù)荷區(qū)域,進(jìn)而根據(jù)步驟1所得DG出力序列,確定失負(fù)荷區(qū)域內(nèi)DG在系統(tǒng)故障期間的出力情況。確定需轉(zhuǎn)供的負(fù)荷大小及轉(zhuǎn)供路徑;無法完成轉(zhuǎn)供時,失負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的儲能實施故障運(yùn)行策略,供給部分負(fù)荷;仍無法滿足所有負(fù)荷用電時,確定需削減用電的可控負(fù)荷量。實施了上述所有措施后仍無法實現(xiàn)供電的負(fù)荷即為此次故障的失電負(fù)荷,記錄該次故障狀態(tài)的缺供電量Ens,n。

    b.根據(jù)電源元件故障情況,確定故障區(qū)域,除去故障電源,根據(jù)步驟1所得DG出力序列,確定故障區(qū)域剩余DG在故障過程中的出力情況。其余處理過程同a。

    步驟4:指標(biāo)評估。將電源元件及非電源元件故障狀態(tài)計算指標(biāo)統(tǒng)一,如式(8),求得廣義電源接入后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

    4 廣義電源可信容量評估方法

    目前,可信容量評估方法主要有中點(diǎn)分割法[18-19]、牛頓法[6]和弦截法[20]等,文獻(xiàn)[7]利用中點(diǎn)分割法調(diào)節(jié)機(jī)組容量,使實際系統(tǒng)與等效系統(tǒng)可靠性指標(biāo)相差在一定誤差范圍內(nèi),這時機(jī)組容量即為風(fēng)電機(jī)組的可信容量,但此種方法效率較低。因無具體解析式,不能求導(dǎo),因此本文也無法采用牛頓迭代法。本文采用弦截法,弦截法是牛頓迭代法的一種變形,無需求導(dǎo),是一個數(shù)值計算求根問題,計算速度較快。任取兩個負(fù)荷值L1、L2,分別求得對應(yīng)可靠性水平R1、R2,若R1與R2同時大于或小于R0,重新選取,直到R1與R2一個大于R0,一個小于R0。連接(L1,R1)與(L2,R2),形成一條直線,與縱坐標(biāo)為R0的平行于橫軸的直線相交于一點(diǎn)L,求得對應(yīng)的可靠性水平R,若R比R0大,則L為新的L1,再將新的(L1,R1)與(L2,R2)連接,如此循環(huán)。

    在此基礎(chǔ)上,求解主動配電網(wǎng)中廣義電源可信容量的具體步驟如下:

    步驟1:輸入系統(tǒng)高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及變電站站間聯(lián)絡(luò)約束,設(shè)定變電站最大安全負(fù)荷。通過計算機(jī)自動遍歷,建立所有非電源元件的故障模式影響分析表庫并確定轉(zhuǎn)供方式。

    步驟2:計算未配置廣義電源時原始系統(tǒng)中的可靠性水平R0。

    步驟3:采用蒙特卡洛模擬法計算配置廣義電源后的配電網(wǎng)可靠性水平RG,即3.2小節(jié)所述。

    步驟4:利用弦截法,不斷調(diào)整負(fù)荷大小,使得配置了廣義電源后系統(tǒng)的可靠性水平RG等于原始系統(tǒng)可靠性水平R0,求得此時的最大安全負(fù)荷Lp與初始最大安全負(fù)荷L0兩者的差值即系統(tǒng)增加的負(fù)荷大小ΔL,根據(jù)前文ELCC的指標(biāo)定義,ΔL即為廣義電源對高壓網(wǎng)起到容量替代作用的可信容量。

    5 算例分析

    5.1 數(shù)據(jù)說明

    本文以位于青海格爾木地區(qū)的開發(fā)區(qū)為例,規(guī)劃占地面積為8.41km2,將其劃分為4個小區(qū)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。假設(shè)該區(qū)域110kV/10kV變電站的容量均為2×40MVA,負(fù)荷在4個小區(qū)平均分配。站內(nèi)聯(lián)絡(luò)約束為40MVA,站間聯(lián)絡(luò)約束為10MVA。按配電網(wǎng)最大安全負(fù)荷的定義,一個變電分區(qū)的最大供電負(fù)荷為50MVA。正常運(yùn)行情況下,每臺變壓器所帶負(fù)荷峰值為25MVA。故設(shè)定初始年負(fù)荷峰值為25MVA。站內(nèi)轉(zhuǎn)供若采用備自投,則轉(zhuǎn)供時間可忽略不計。受限于計算精度,為使計算結(jié)果更具可觀性,將站間轉(zhuǎn)供時間設(shè)置為1h。

    本文算例對比分析4種接線模式的可信容量:模式一為直接接線、模式二為單側(cè)電源T型接線、模式三為雙電源T型接線、模式四為雙電源π型接線。4種接線模式中,220kV和110kV共計4座變電站按照圖3的地理位置進(jìn)行線路連接,以保證每個接線模式的線路長度基本相等。110kV線路選用型號為LGJ-120/20的架空線。

    圖3 變電站地理位置示意圖Fig.3 Substation location diagram

    規(guī)劃本區(qū)域光伏發(fā)電額定裝機(jī)容量為100MW,風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量為358臺,額定容量均為335kW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為:2、12、25m/s;根據(jù)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,青海格爾木地區(qū)的平均風(fēng)速為13.75km/h。儲能系統(tǒng)以新興的鈉硫電池為例,其特點(diǎn)為能量密度高、循環(huán)效率高且環(huán)保[1],儲能電池的初始額定容量Snom為配套負(fù)荷的10%,充放電效率為90%,儲能系統(tǒng)物理允許的荷電狀態(tài)上下限分別為0.9和0.2,最大充放電功率為1MW。另外,下述GPS的滲透率,均以負(fù)荷25MW為基準(zhǔn)。

    非電源元件分為4類:110kV架空線、10kV斷路器、110kV斷路器、110/10kV變壓器,其故障率分別設(shè)定為0.01次·(a·km)-1、0.005次·(a·臺)-1、0.02次·(a·臺)-1、0.005次·(a·臺)-1;其故障后修復(fù)時間分別為12、4、7.5、48h。

    5.2 廣義電源可信容量評估結(jié)果

    首先在負(fù)荷水平變化情況下,初步對比分析無GPS接入(R0)和有GPS接入(RG)兩種情況下,配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)EENS隨負(fù)荷大小變化的趨勢結(jié)果,如圖4所示。

    圖4 不同載荷水平下R0和 RG對比示意圖Fig.4 Comparison diagram of R0 and RG under different load levels

    可見,GPS的接入可減少系統(tǒng)的缺供電量,提高系統(tǒng)的可靠性,且隨負(fù)荷增加,GPS接入前后的可靠性差距增大,說明GPS的可信容量隨負(fù)荷的增加呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)負(fù)荷小于25MW時,隨負(fù)荷增加,R0和RG雖有上升趨勢但變化幅度不大,這是由于此時負(fù)荷未達(dá)到系統(tǒng)最大安全負(fù)荷,增加的負(fù)荷可由系統(tǒng)線路容量裕度和變電容量裕度分擔(dān),因此缺供電量基本不變。將計算R0的初始負(fù)荷容量設(shè)定為此時該配電網(wǎng)滿足N-1約束的最大容量,應(yīng)用提出的方法,評估廣義電源可信容量,結(jié)果如下所述。

    5.3 不同高壓配網(wǎng)接線模式的可信容量結(jié)果

    以模式二單側(cè)電源T型接線在不含GPS,負(fù)荷為25MW時的可靠性指標(biāo)R0為基準(zhǔn),計算不同GPS滲透率下,各模式對應(yīng)的可信容量變化情況。同時,風(fēng)電、光伏、儲能,每種電源滲透率迭代計算的步長均為0.5%。本文中GPS滲透率的定義為風(fēng)電、光伏、儲能額定容量之和占系統(tǒng)最大負(fù)荷的比例,考慮到可控負(fù)荷的影響較大,且現(xiàn)實生活中占比較小,故取可控負(fù)荷為定值2%,不計入總滲透率。

    圖5 4種接線模式的可信容量對比Fig.5 The credit capacity comparison of four connection modes

    4種接線模式在不同GPS滲透率下的可信容量仿真結(jié)果對比如圖5所示。列表對比如表1。

    表1 4種模式在不同GPS滲透率下可信容量的大小

    根據(jù)表1和圖5顯示結(jié)果可知,廣義電源對高壓配網(wǎng)有容量替代作用且不同的接線模式對應(yīng)的GPS可信容量曲線不同。其中,模式二的單側(cè)電源T型接線對應(yīng)的GPS可信容量最大,廣義電源能夠替代高壓配網(wǎng)承擔(dān)容量的能力大;模式四中的雙側(cè)電源π型接線對應(yīng)的GPS可信容量最小,這證明了接線模式會對可信容量的結(jié)果產(chǎn)生影響,而且高壓側(cè)轉(zhuǎn)移能力越強(qiáng),對中壓及廣義電源的依賴就越小。此外,隨著GPS滲透率的進(jìn)一步提高,4種接線模式的可信容量差距變小,增長趨勢變緩,說明GPS容量增加至一定水平時,對系統(tǒng)容量的提高作用趨于飽和。

    5.4 廣義電源類型對可信容量結(jié)果的影響

    為進(jìn)一步分析不同類型的廣義電源對可信容量的影響,現(xiàn)于其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上,分別單獨(dú)改變間歇性DG(風(fēng)電和光伏)、儲能和需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的滲透率,不同場景下對應(yīng)的可信容量如圖6所示。

    圖6 不同類型廣義電源滲透率變化下的可信容量Fig.6 Credit capacities under different types of GPS penetration

    如圖6所示,在只考慮單一廣義電源滲透率增長的情況下,可控負(fù)荷滲透率的增大對可信容量的貢獻(xiàn)最為明顯。儲能系統(tǒng)較可控負(fù)荷的影響小,且隨著滲透率的增大,其對應(yīng)的可信容量趨于不變。

    圖7 風(fēng)電或光伏滲透率單獨(dú)變化時對應(yīng)的可信容量Fig.7 The corresponding credit capacity when the wind power or photovoltaic penetration changes independently

    在圖中還可見,單獨(dú)改變風(fēng)電和光伏的滲透率時,所對應(yīng)的可信容量變化幅度較小,為放大顯示風(fēng)電和光伏滲透率對可信容量的影響,在圖7中對僅有風(fēng)電和光伏滲透率變化數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合,可見,隨風(fēng)電和光伏滲透率的增大,GPS的可信容量總體呈現(xiàn)上升趨勢,對于提高可信容量的效果,風(fēng)電比光伏作用顯著,但由于可再生能源固有的間歇性和波動性,僅裝配間歇性DG機(jī)組,對電網(wǎng)可靠性的提高影響依舊較小,因此,GPS可信容量變化不大。

    綜上所述,可控負(fù)荷和儲能系統(tǒng)滲透率的增大將顯著提高系統(tǒng)的可靠性,GPS的可信容量也將提高。而風(fēng)電和光伏由于其本身的間歇性和波動性,單獨(dú)接入對系統(tǒng)的可靠性提高效果不甚明顯,需要有儲能系統(tǒng)的配合,才能最大程度提高配網(wǎng)的可靠性,提高GPS的可信容量。

    6 結(jié) 論

    本文把主動配電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏、儲能以及可控負(fù)荷統(tǒng)稱為廣義電源,提出了計及高壓接線模式的廣義電源高壓配網(wǎng)可信容量的計算方法,通過仿真分析得出以下結(jié)論:

    ① 配電網(wǎng)中廣義電源的接入能夠降低系統(tǒng)的缺供電量,提高系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備利用率,具有一定的變電容量替代價值。

    ② 在不同高壓接線模式下,相同廣義電源的替代容量具有差異性,高壓轉(zhuǎn)移能力差的網(wǎng)架對其依賴性更強(qiáng)。

    ③ 可控負(fù)荷對可信容量的貢獻(xiàn)最為明顯,儲能系統(tǒng)較可控負(fù)荷的影響略小,光伏和風(fēng)電由于其間歇性和波動性,需要有儲能系統(tǒng)的配合,才能最大程度提高廣義電源的可信容量。

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