基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)分布式電源布置分析

朱 慧 周 艷 吳文龍 戚思源

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區(qū)供電分公司）

0 引言

全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注帶動(dòng)了新能源發(fā)電與分布式電源的廣泛應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)集中式電源，分布式電源可為可再生能源和不可再生能源獲取提供便利，直接接入配電網(wǎng)為電網(wǎng)輸送能量。然而，分布式電源運(yùn)行期間也面臨著使用頻率過(guò)高與電力用量過(guò)多的問(wèn)題，一定程度上增加了配電網(wǎng)負(fù)荷，導(dǎo)致難以完全滿足分布式能源電網(wǎng)接入需求。針對(duì)這一情況，有必要對(duì)電網(wǎng)分布式電源布置展開(kāi)深入研究，保證配電網(wǎng)的有效運(yùn)營(yíng)。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)分布式電源的促進(jìn)作用

我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的發(fā)展帶動(dòng)了電力能源技術(shù)創(chuàng)新，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是其中的典型代表。根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)與分布式電源互動(dòng)規(guī)范 （GB／T41236-2022），能源互聯(lián)網(wǎng)以電能為核心，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的深度融合，將集中式及分布式可再生能源作為主要能量單元，對(duì)多能源生產(chǎn)、傳輸、分配、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)，逐漸構(gòu)建起多元化、多形態(tài)的新型能源利用體系［1］。在可再生能源技術(shù)、通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用下，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廣義上的 “源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)調(diào)互動(dòng)，達(dá)成生產(chǎn)供給協(xié)調(diào)優(yōu)化與資源優(yōu)化配置的目的［2］。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)理念、方法和技術(shù)推動(dòng)能源基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的變革，其具體表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是通過(guò)光伏、風(fēng)能等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展新能源發(fā)電，確保電力開(kāi)發(fā)利用與發(fā)電技術(shù)需求相適應(yīng)；二是大力發(fā)展大容量輸電技術(shù)和電網(wǎng)安全控制技術(shù)，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性；三是將電網(wǎng)與信息通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的智能化處理。由此可見(jiàn)，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用有效實(shí)現(xiàn)了能源行業(yè)、通信行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)領(lǐng)域的融合，為分布式可再生能源大規(guī)模利用、共享提供途徑，在保證電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)一步提高對(duì)分布式可再生電源的利用消納能力［3］。

2 分布式電源運(yùn)行現(xiàn)狀及約束條件

2.1 分布式電源運(yùn)行現(xiàn)狀

分布式電源指的是由用戶自行配置的容量較小的發(fā)電項(xiàng)目，主要包括分布式光伏、風(fēng)能等。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年，我國(guó)主要分布式能源累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)19989.94萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)19.99%，且分布式能源市場(chǎng)將持續(xù)保持高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

對(duì)于分布式光伏來(lái)說(shuō)，根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，2022 年上半年，全國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)30.88GW，同比增長(zhǎng)137%，其中分布式光伏新增裝機(jī)19.65GW，占比達(dá)63%；2023年上半年，全國(guó)戶用光伏新增裝機(jī)容量8.914GW，同比增長(zhǎng)52%。隨著“十四五”能源規(guī)劃的提出，分布式光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)將進(jìn)一步朝向規(guī)范化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展［4］。

針對(duì)分布式風(fēng)電國(guó)家能源局連續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策措施，發(fā)揮風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測(cè)的引領(lǐng)作用，有序開(kāi)展風(fēng)電基地建設(shè)，推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年，中國(guó)分布式風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)996.3萬(wàn)kW，隨著分布式發(fā)電與供能技術(shù)發(fā)展，2023年中國(guó)分布式風(fēng)電新增裝機(jī)量可同比增長(zhǎng)66.6%。分布式風(fēng)電作為可再生能源的重要組成部分，具有廣泛的發(fā)展前景。

2.2 分布式電源運(yùn)行約束條件

基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可得到分布式電源布置過(guò)程中的約束條件。

（1）反向潮流約束

電網(wǎng)分布式電源反向潮流約束表達(dá)式為：

（2）系統(tǒng)功率平衡約束

系統(tǒng)功率平衡約束可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源優(yōu)化計(jì)算中的等效計(jì)算，表達(dá)式為：

其中，ZLD表示的是接入節(jié)點(diǎn)LD負(fù)荷；ZDR表示的是接入節(jié)點(diǎn)DR負(fù)荷；ZDG表示的是接入節(jié)點(diǎn)DG負(fù)荷；s、t、i分別表示的是電網(wǎng)場(chǎng)景、時(shí)間與電流；分別表示接入節(jié)點(diǎn)LD有功功率負(fù)荷與無(wú)功功率負(fù)荷；分別表示接入節(jié)點(diǎn)DR、G、DG的有功功率；分別表示接入節(jié)點(diǎn)DR、G、DG的無(wú)功功率。

（3）電源出力約束

分布式電源DG出力約束表達(dá)式為：

3 分布式電源出力特性及優(yōu)化路徑

3.1 分布式電源出力特性

（1）分布式光伏

分布式光伏出力主要受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大小影響，而一定時(shí)間段內(nèi)的太陽(yáng)光照強(qiáng)度可通過(guò)Beta分布隨機(jī)變量表示，進(jìn)而分布式光伏出力也與Beta分布規(guī)律相符，其表達(dá)式為：

其中，α表示的是Beta分布函數(shù)形狀參數(shù)；β表示的是Beta分布函數(shù)尺寸參數(shù)；Rm表示的是光伏最大出力值；M表示的是光伏電池板數(shù)量；η表示的是光電轉(zhuǎn)換效率；rmax表示的是最大光照強(qiáng)度。

（2）分布式風(fēng)電

分布式風(fēng)電出力特征主要受到風(fēng)機(jī)出力特性與風(fēng)速的影響，風(fēng)電有功出力與風(fēng)速之間的關(guān)系式為：

其中，k1、k2表示的是形狀系數(shù)；Pe表示的是發(fā)電機(jī)額定功率；vci表示的是風(fēng)速切入值；vco表示的是風(fēng)速切出值；vr表示的是風(fēng)速額定值［5］。

3.2 分布式電源布置優(yōu)化路徑

（1）安裝位置

結(jié)合分布式光伏、風(fēng)電出力特性，在進(jìn)行電源安裝時(shí)，應(yīng)考慮其位置不同所受到的影響，若安裝位置具有充足的光伏和風(fēng)電資源，那么一定周期內(nèi)的饋線損耗表達(dá)式為：

其中，Pi表示的是第i條饋線損耗功率；t0表示的是原始時(shí)刻；n表示的是饋線數(shù)量；Ri表示的是饋線電阻；分別表示饋線有功功率與無(wú)功功率；Ui，t表示的是支路電壓。

（2）發(fā)電成本

分布式電源發(fā)電成本計(jì)算公式為：

其中，fw表示的是風(fēng)力發(fā)電成本；fPV表示的是光伏發(fā)電成本；x表示的是發(fā)電機(jī)數(shù)量；ax、by分別是發(fā)電機(jī)及光伏發(fā)電價(jià)格；Pwx、PPV為發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電功率容量；r表示的是貼現(xiàn)率；L（Pwx）、L（PPV）表示的是發(fā)電機(jī)及光伏發(fā)電折舊費(fèi)用。

4 對(duì)比試驗(yàn)分析

IEEE37節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)構(gòu)架如圖所示。

配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓為35kV，基準(zhǔn)容量為15MV，采用最大滲透率為0.4的分布式電源，接入1000個(gè)用電設(shè)備，共計(jì)35個(gè)接入節(jié)點(diǎn)。電網(wǎng)投資成本、運(yùn)行成本、購(gòu)電成本以及補(bǔ)償成本分別為1200元／kW、1800元／kW、0.5元／（kW·h）、200元／kW，現(xiàn)提出發(fā)電成本最小的電源安裝方案1與各指標(biāo)較為均衡的方案2，兩種方案的數(shù)據(jù)對(duì)比情況如表所示。

圖 IEEE37節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)構(gòu)架示意圖

表 分布式電源布置參數(shù)對(duì)比

根據(jù)表可知，方案2可以在減少電費(fèi)損失和發(fā)電成本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)收益，是最優(yōu)的分布式電源布置方案。在此技術(shù)上，基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比。將電網(wǎng)分別引入低負(fù)荷與高負(fù)荷線路，低負(fù)荷環(huán)境下方案1的線損最低，而高負(fù)荷環(huán)境下，兩種方案的線路損耗都有所提升，但相較之下方案1受到的影響較小，這主要是因?yàn)樵谶M(jìn)行分布式電源布置前，先獲取其約束條件導(dǎo)致電網(wǎng)線路損耗減少，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為解決分布式電源運(yùn)行期間配電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)大的問(wèn)題，可以對(duì)分布式電源布置展開(kāi)優(yōu)化研究，在能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，可以獲取電源布置的約束條件，進(jìn)而根據(jù)分布式電源的出力特性提出優(yōu)化函數(shù)，為電網(wǎng)分布式電源布置優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。