與光伏并網(wǎng)相關(guān)的地區(qū)電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

國網(wǎng)合肥供電公司 唐慶鵬

合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 張 楠

國網(wǎng)合肥供電公司 談 韻 陳 晨 萬 順

光伏發(fā)電并網(wǎng)容量快速增加，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷性質(zhì)、電能質(zhì)量、輸電安全、有功平衡等，影響越來越大，迫切需要建立定量評(píng)估指標(biāo)。本文基于某地區(qū)電網(wǎng)，針對(duì)光伏發(fā)電出力，定義了滲透率、削峰率、調(diào)峰出力比、區(qū)域調(diào)峰穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)光伏并網(wǎng)安全，定義了并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)潮流反向比、并網(wǎng)點(diǎn)潮流反向時(shí)間、并網(wǎng)線路/主變重/過載時(shí)間等評(píng)估指標(biāo)。給出了各指標(biāo)的時(shí)間尺度、適用范圍和計(jì)算公式。研究結(jié)果對(duì)地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行安全和健康發(fā)展，有一定參考價(jià)值。

引言：隨著傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，綠色可再生能源的利用在中國得到了迅猛的發(fā)展，而太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗?。近十年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了各國的高度關(guān)注，其對(duì)于緩解能源和環(huán)境問題、改善能源消耗結(jié)構(gòu)，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義（王振杰.淺談電氣自動(dòng)化在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2018(4):37;邵瑞.光伏發(fā)電逆變技術(shù)探究[J].電子世界,2018(4):164-167）。

影響光伏發(fā)電出力的因素有很多，主要有太陽輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等（許世偉,王檑,胡穎慧.基于模糊控制的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究[J].電子世界,2017(3):52-55）。光伏電池輸出功率隨輻照強(qiáng)度增大而增大，其開路電壓和峰值功率都隨溫度的升高而降低（陳煌林.太陽能光伏技術(shù)的原理、現(xiàn)狀及展望[J].電子技術(shù)與軟件工程,2018(11):111）。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)主要在白天8至17點(diǎn)時(shí)間段輸出電能，大部分時(shí)段和電力負(fù)荷有較好的相重性，在每日負(fù)荷高峰時(shí)段能提供相當(dāng)數(shù)量的電能，起到一定的調(diào)峰作用。

另一方面，光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，可調(diào)可控性較差（周忠成.新能源接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析[J].電子世界,2018(3):81+83）。隨著光伏滲透率的不斷提高，可能出現(xiàn)電網(wǎng)功率不平衡、電能質(zhì)量惡化、局部薄弱地區(qū)的變電及輸電設(shè)備重載甚至過載等一系列問題，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)安全及穩(wěn)定性造成影響（吳峰,李瑋.含高滲透率分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)等值分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(9):65-70）。目前，對(duì)光伏并網(wǎng)合理性和安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不全面，評(píng)價(jià)過于依賴峰值，缺乏定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目標(biāo)電網(wǎng)擁有5縣1市，轄區(qū)面積約一萬km2，人口約900萬。近年來，光伏發(fā)電發(fā)展迅速，部分區(qū)域光伏裝機(jī)接近甚至超過供區(qū)主變?nèi)萘?，?duì)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，需要定量評(píng)估電網(wǎng)消納光伏能力。本文對(duì)目標(biāo)電網(wǎng)光伏的并網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從光伏對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰及削峰的參與程度、光伏并網(wǎng)安全性、光伏接納能力等方面，定義光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出各指標(biāo)時(shí)間尺度、適用范圍和計(jì)算公式。研究結(jié)果可以定量評(píng)估地區(qū)電網(wǎng)光伏并網(wǎng)現(xiàn)狀，合理指導(dǎo)電網(wǎng)改造升級(jí)，有利于地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行安全和健康發(fā)展。

1 目標(biāo)電網(wǎng)光伏發(fā)電及并網(wǎng)水平現(xiàn)狀

光伏出力相較其安裝容量的比例反映了區(qū)域光伏發(fā)電設(shè)施的利用水平。對(duì)目標(biāo)電網(wǎng)六個(gè)區(qū)域(以下簡記為S1-S6)及其整體的光伏并網(wǎng)發(fā)電水平進(jìn)行評(píng)估。將每日光伏發(fā)電出力最大值相較安裝容量的比例視作峰值出力水平，表1與表2分別給出了春季3-4月和夏季6-7月各區(qū)域及目標(biāo)電網(wǎng)整體光伏發(fā)電峰值出力水平月最大值與月均值。

表1 光伏發(fā)電峰值出力水平月最大值

表2 光伏發(fā)電峰值出力水平月均值

峰值出力水平反映了光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)電功率對(duì)其安裝容量的最大利用效率?？紤]到光伏出力在日間不同時(shí)間段內(nèi)差異較大，計(jì)算光伏出力日平均小時(shí)數(shù)以評(píng)估光伏日整體發(fā)電量大小。圖1給出了春季3-4月和夏季6-7月各區(qū)域及地區(qū)整體的光伏日平均利用小時(shí)數(shù)。兩者最大和最小利用小時(shí)數(shù)差別不大。春季利用小時(shí)數(shù)波動(dòng)更大，而夏季利用小時(shí)數(shù)相對(duì)較為平穩(wěn)，整體發(fā)電效率也高一些。

圖1 光伏日平均利用小時(shí)數(shù)

目標(biāo)電網(wǎng)6個(gè)區(qū)域夏季某日光伏出力與負(fù)荷曲線的對(duì)比，如圖2所示。對(duì)比光伏與負(fù)荷曲線可見，光伏出力對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響，取決于光伏出力與區(qū)域負(fù)荷水平。區(qū)域S1負(fù)載較大，區(qū)域S3光伏出力較小，故光伏出力對(duì)區(qū)域負(fù)荷平衡影響較小。其他四個(gè)區(qū)域光伏占比較大，在峰荷時(shí)段能滿足較大比例的區(qū)域負(fù)荷。但是由于光伏無法提供晚峰支撐，對(duì)于整天負(fù)荷曲線峰值的削弱作用不夠顯著。

圖2 目標(biāo)電網(wǎng)光伏出力與負(fù)荷曲線對(duì)比

2 考慮光伏并網(wǎng)后地區(qū)電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了深入分析目標(biāo)電網(wǎng)光伏的并網(wǎng)現(xiàn)狀，針對(duì)光伏對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰及削峰的參與程度、光伏并網(wǎng)安全性以及光伏接納能力，定義相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出各指標(biāo)的時(shí)間尺度、適用范圍和計(jì)算公式。

2.1 指標(biāo)框架

考慮到光伏電站一般并網(wǎng)至10kV，少數(shù)并網(wǎng)至110kV和220kV，以下從光伏出力和光伏并網(wǎng)兩個(gè)角度，計(jì)及時(shí)間尺度、適用范圍等，建立光伏發(fā)電評(píng)價(jià)指標(biāo)與光伏并網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別如表3與表4所示。與傳統(tǒng)電廠相近的一些指標(biāo)，如最大利用小時(shí)數(shù)等，在此不再重復(fù)。

表3 光伏發(fā)電評(píng)價(jià)指標(biāo)

表4 光伏并網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 指標(biāo)計(jì)算公式

以下逐一給出光伏發(fā)電評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體定義。

(1)光伏滲透率ηPV和最大利用小時(shí)數(shù)TPV

式中，PPV,install為光伏裝機(jī)容量，PL,max為電網(wǎng)最大負(fù)荷。隨著時(shí)間變化，上式分子和分母都可能增加或下降，因此ηPV可能增加或減小。

式中，EPV為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)光伏發(fā)電量。

(2)光伏削峰率rpc和最大削峰率rpc,max

式中，PLc為日最大負(fù)荷中需要光伏補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷，PLd,max為日最大負(fù)荷。

(3)光伏調(diào)峰出力比rpo和平均調(diào)峰出力比rpo,a

式中，PPV為最大負(fù)荷對(duì)應(yīng)時(shí)刻的光伏出力。

將區(qū)域日負(fù)荷曲線與光伏日出力曲線相減得到一條曲線，該曲線上日最大負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，與日最大負(fù)荷的比值即為rpo。其反映了光伏出力對(duì)峰值負(fù)荷的支持能力，該比值越小，光伏出力最大值越接近負(fù)荷峰值，光伏參與調(diào)峰效果的越好。

式中，d為統(tǒng)計(jì)期日數(shù)。

(4)區(qū)域調(diào)峰穩(wěn)定性sps

式中，vd為光伏出力下降速率，ηc為區(qū)域參與調(diào)峰的傳統(tǒng)機(jī)組爬坡率，PW為機(jī)組額定容量。

sps表示光伏因非正常原因（設(shè)備故障、天氣突變）出力下降時(shí)，區(qū)域內(nèi)能夠參與調(diào)峰的機(jī)組能否及時(shí)增加出力，滿足區(qū)域內(nèi)負(fù)荷需求。比值越接近1，說明區(qū)域調(diào)峰穩(wěn)定性較好，不會(huì)出現(xiàn)因光伏出力減小而造成的負(fù)荷損失；比值過小，說明光伏參與調(diào)峰的程度不高；比值超過1，說明區(qū)域調(diào)峰穩(wěn)定性差，存在切負(fù)荷隱患。

光伏電站有功出力調(diào)節(jié)速度，與變流器控制特性有關(guān)。向上調(diào)節(jié)的可行性，取決于預(yù)定備用策略。一般來說向下調(diào)節(jié)速度一般快于向上調(diào)節(jié)速度。火電/水電調(diào)峰機(jī)組爬坡率根據(jù)自身類型而定。

(5)光伏最大盈余發(fā)用比rsu,max

光伏存在時(shí)變性，負(fù)荷隨著類型不同體現(xiàn)了一定的時(shí)變周期規(guī)律。利用“光伏最大盈余發(fā)用比”指標(biāo)，在時(shí)變周期內(nèi)分析配電網(wǎng)對(duì)光伏的消納能力，測(cè)算線路、變壓器等設(shè)備可能承受的最大潮流。該指標(biāo)為：

式中，PG為光伏發(fā)電即時(shí)功率，PL為負(fù)荷即時(shí)功率，SL為線路極限傳輸功率。

光伏最大盈余發(fā)用比反映了光伏并網(wǎng)點(diǎn)的光伏與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的動(dòng)態(tài)消納關(guān)系，表征電網(wǎng)可能承受的最嚴(yán)苛的運(yùn)行情況。當(dāng)光伏發(fā)電功率大量盈余時(shí)將產(chǎn)生返送功率，電網(wǎng)設(shè)備可能出現(xiàn)反向倒送大量電力，甚至反向送電導(dǎo)致設(shè)備和線路過載的情況。此時(shí)需要對(duì)已建電網(wǎng)增容，增加規(guī)劃電網(wǎng)裕度，預(yù)留光伏接入能力。

在光伏最大盈余發(fā)用比測(cè)算中，對(duì)于建設(shè)運(yùn)營時(shí)間較長的供電區(qū)，其測(cè)算值可以取的保守以充分暴露電網(wǎng)和設(shè)備承受的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于外送能力較強(qiáng)(雙回路供電、容量裕度較大等)區(qū)域，則可適當(dāng)放寬。當(dāng)測(cè)算值明顯超過區(qū)域電網(wǎng)接納能力時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行電網(wǎng)增容改造。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的主變?nèi)萘恳约肮夥娬境鼍€線路載流量，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的光伏接納能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(6)光伏電站出線線路接入能力coa

式中，Ior,max為光伏電站最大出力電流，Il為出線線路載流量。

如果比值大于0.8，即出線線路負(fù)載率大于80%，線路重載，其中一條出線故障或檢修，需要相應(yīng)的光伏電站陪停。說明局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，不具備接納新增光伏的能力。

(7)區(qū)域主變光伏接入能力cpa

式中，PW,N-1為區(qū)域內(nèi)N-1臺(tái)主變額定容量。

當(dāng)比值大于1時(shí)，區(qū)域內(nèi)任意一臺(tái)主變故障或檢修停運(yùn)時(shí)，其余主變?nèi)萘啃∮诠夥b機(jī)容量，需要相應(yīng)的光伏電站陪停。說明該區(qū)域不具備接納新增光伏的能力。

(8)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)平均功率因數(shù)ηp,a

式中，ηi為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)每時(shí)刻功率因數(shù)，n為考核點(diǎn)數(shù)。

(9)光伏并網(wǎng)點(diǎn)潮流反向比rpr

式中，Qpr為光伏并網(wǎng)點(diǎn)潮流無功反向值，Ql為線路無功載荷。

以年度均值(本質(zhì)是電量)比例表示時(shí)，為：

式中，Qpr,a為光伏并網(wǎng)點(diǎn)潮流無功反向均值，Ql,a為線路無功載荷均值。

(10)光伏并網(wǎng)點(diǎn)潮流反向時(shí)間tpr

式中，tQr為光伏并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)無功反向的時(shí)長，tr為統(tǒng)計(jì)期時(shí)長。

(11)光伏并網(wǎng)線路重載時(shí)間tph和光伏并網(wǎng)線路過載時(shí)間tpo

式中，tl,75%為每次線路負(fù)載率超過75%的持續(xù)時(shí)間。

式中，tl,100%為每次線路負(fù)載率超過100%的持續(xù)時(shí)間。

(12)主變線路繞組重載時(shí)間twh和主變線路繞組過載時(shí)間two

式中，tw,75%為主變線路繞組負(fù)載率超過75%的持續(xù)時(shí)間。

式中，tw,100%為主變繞組負(fù)載率超過100%的持續(xù)時(shí)間。

(13) 光伏向上(下)調(diào)峰收益pp,u(d)

光伏電站可以減少出力；如果配備儲(chǔ)能裝置，或在非MPPT方式下運(yùn)行，光伏電站有可能增加出力。光伏機(jī)組增減出力，有助于調(diào)節(jié)峰谷負(fù)荷，減小火電機(jī)組壓力。因此定義光伏向上(下)調(diào)峰收益pp,u(d)：

式中，Qp,u(d)為單位時(shí)間內(nèi)光伏機(jī)組增發(fā)(減發(fā))電量，Jl,u(d)為峰荷(谷荷)電價(jià)。

2.3 指標(biāo)意義

(1)光伏滲透率，結(jié)合光伏出力和發(fā)電量占所有電源出力和發(fā)電量的比例，可以綜合評(píng)價(jià)光伏在整個(gè)電網(wǎng)中的占比與出力水平。光伏滲透率越高，出力水平越高；光伏利用小時(shí)數(shù)越大，光伏發(fā)電的效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。

(2)光伏削峰率越大，說明光伏參與削峰的程度越高；光伏調(diào)峰出力比越小，說明光伏參與調(diào)峰的效果越好，能緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。區(qū)域調(diào)峰穩(wěn)定性的比值越接近1，說明區(qū)域的調(diào)峰備用能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)性越好，不會(huì)因備用過多而降低機(jī)組利用率。

(3)光伏最大盈余發(fā)用比如果較大，說明光伏并網(wǎng)點(diǎn)可能出現(xiàn)潮流倒送的情況，過大則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備和線路過載的情況，表明區(qū)域的光伏接入能力較弱，需要對(duì)已建電網(wǎng)增容，增加規(guī)劃電網(wǎng)裕度。區(qū)域光伏出線線路限額和區(qū)域主變?nèi)萘恳餐瑯酉拗屏藚^(qū)域的光伏接入能力，如果不能滿足N-1檢驗(yàn)要求，區(qū)域就不能繼續(xù)接納光伏。

(4)光伏并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)、潮流反向比和反向頻率、光伏并網(wǎng)線路和并網(wǎng)側(cè)主變線路繞組重/過載時(shí)間，反映了光伏并網(wǎng)的安全性：如果功率因數(shù)過低，說明無功電量較多，會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行效率，需要就地安裝無功補(bǔ)償裝置，以降低無功功率。如果潮流反向比較大，反向頻率高，并網(wǎng)線路和并網(wǎng)側(cè)主變繞組重/過載時(shí)間長，說明并網(wǎng)點(diǎn)存在安全隱患，光伏超過了允許的接入量。

3 結(jié)論

本文根據(jù)對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)分析，從光伏發(fā)電出力和并網(wǎng)路徑兩個(gè)角度，定義了光伏發(fā)電出力與并網(wǎng)安全定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)各指標(biāo)的時(shí)間尺度、適用范圍和計(jì)算公式進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立便于地區(qū)電網(wǎng)在規(guī)劃光伏并網(wǎng)時(shí)，合理評(píng)估光伏接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，有望促進(jìn)光伏出力的平穩(wěn)、就地消納。