計及配電網(wǎng)設(shè)備利用率的源荷匹配評價

楊磊，趙平，鐘浩，李振興，嚴(yán)小毛

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌清陽科技有限公司，湖北 宜昌 443005）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對能源需求日益增長，化石燃料大量使用帶來的環(huán)境污染問題愈演愈烈，在此背景下，國家出臺了推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、大力發(fā)展可再生能源的“雙碳”政策和推進(jìn)屋頂分布式光伏建設(shè)的“整區(qū)（縣）光伏”政策[1-3]。但隨著分布式光伏并網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大、配電網(wǎng)光伏滲透率上升，在帶來顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的同時，因分布式光伏出力波動性與隨機(jī)性和配電網(wǎng)自身負(fù)荷特征[4-5]，分布式光伏的接入對配電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性也帶來嚴(yán)重的影響[6-8]，考慮分布式光伏與負(fù)荷之間互補(bǔ)匹配具有現(xiàn)實意義。

文獻(xiàn)[9]基于現(xiàn)有包含源荷追蹤系數(shù)、源荷變化系數(shù)的源荷評價指標(biāo)加以改進(jìn)，提出可對風(fēng)光火耦合系統(tǒng)進(jìn)行評估的源荷匹配性指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[10]提出風(fēng)光總出力與負(fù)荷貼近程度的互補(bǔ)性指標(biāo)，可綜合考慮消納率與滲透率，為風(fēng)光容量優(yōu)化配置提供可參考結(jié)果；文獻(xiàn)[11]考慮電網(wǎng)側(cè)與電源側(cè)兩方面因素，建立源荷匹配模式，實現(xiàn)電源-電網(wǎng)的雙向信息交流，保證電力電量的穩(wěn)定供給與配電網(wǎng)安全運行。

上述文獻(xiàn)多是從風(fēng)光等分布式電源互補(bǔ)的角度進(jìn)行源荷匹配評估，但隨著光伏接入，配電網(wǎng)原有負(fù)荷特性發(fā)生變化，設(shè)備利用率隨之改變[12-13]，目前，從配電網(wǎng)設(shè)備利用率角度的源荷匹配研究還不夠深入。文獻(xiàn)[14]雖考慮了分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)饋線負(fù)載率的影響，并構(gòu)建源荷匹配指標(biāo)體系，從中找出影響負(fù)載率的主導(dǎo)因素與改善因素，但并未對光伏接入前后配電網(wǎng)負(fù)載率變化進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[15]雖然考慮分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)設(shè)備利用率影響，并以此建立有源配電網(wǎng)設(shè)備利用率的影響因子體系，但由于分布式光伏并網(wǎng)影響了配電網(wǎng)原有負(fù)荷特征，并未考慮分布式光伏出力特征與負(fù)荷特征之間匹配程度對設(shè)備利用率影響；文獻(xiàn)[16]雖考慮風(fēng)電自然特征，并且建立了風(fēng)電與電網(wǎng)交互特性評價指標(biāo)，反映風(fēng)電與負(fù)荷的匹配性、與電源的匹配性，但未對設(shè)備利用率情況進(jìn)行分析研究。

針對上述問題，本文考慮分布式光伏并網(wǎng)后對設(shè)備利用率的影響，選取具有代表性的設(shè)備利用率指標(biāo)，依據(jù)分布式光伏接入前后的設(shè)備利用率指標(biāo)變化并從分布式光伏出力特性、負(fù)荷特征出發(fā)，建立包含波動匹配度、電量匹配度、消納匹配度與負(fù)荷偏移度的源荷匹配評估模型，使用拉開檔次法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，得出源荷匹配綜合結(jié)果，判斷設(shè)備利用率情況。最后以江蘇省某10kV饋線“整區(qū)光伏”試點為算例，驗證源荷匹配指標(biāo)體系合理性。

1 指標(biāo)構(gòu)建分析

1.1 源荷特征分析

受用電模式、行為偏好以及生產(chǎn)方式等用戶自身因素與溫度、濕度、風(fēng)力等自然環(huán)境因素影響[17-18]，電力用戶用電習(xí)慣各不相同，以居民負(fù)荷與工業(yè)負(fù)荷為例，居民類負(fù)荷白天負(fù)荷數(shù)值較小，在19∶00左右達(dá)到負(fù)荷高峰，工業(yè)類負(fù)荷峰值集中在10∶00與16∶00左右，且工業(yè)類負(fù)荷在夜間仍維持較高的數(shù)值，因此各類用戶的最高負(fù)荷、平均負(fù)荷、峰谷差、日負(fù)荷率等負(fù)荷特征均不相同，借助各類用戶的日負(fù)荷曲線可以直觀看出負(fù)荷特征的差異。

另一方面，分布式光伏出力水平與太陽輻射大小關(guān)系緊密，隨著太陽輻射變化，分布式光伏出力曲線呈現(xiàn)先上升后下降的“半包絡(luò)”形狀，并且在午時光伏出力達(dá)到全天峰值。季節(jié)、氣溫均會影響到光伏出力曲線高度與寬度。各類電力用戶典型日負(fù)荷曲線與光伏出力曲線如圖1所示。所以在分析負(fù)荷特征與分布式光伏出力特征時應(yīng)從二者波動曲線相似程度進(jìn)行考量。

圖1 各類電力用戶典型日負(fù)荷曲線與光伏出力曲線圖

1.2 光伏并網(wǎng)對設(shè)備利用率影響分析

分布式光伏并網(wǎng)示意圖如圖2所示，將光伏接入前流經(jīng)配變或?qū)＞€的負(fù)荷定義為原始負(fù)荷，將光伏接入后流經(jīng)配變或?qū)＞€的負(fù)荷定義為凈負(fù)荷，凈負(fù)荷為電力用戶原始負(fù)荷與分布式光伏出力的差值。

圖2 分布式光伏并網(wǎng)示意圖

傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)設(shè)備利用率指標(biāo)建立主要考慮負(fù)荷特征、安全準(zhǔn)則與負(fù)荷裕度要素，現(xiàn)有研究已構(gòu)建了含負(fù)載率、設(shè)備額定容量、設(shè)備故障率等指標(biāo)體系。光伏并網(wǎng)后，無源配電網(wǎng)過渡為有源配電網(wǎng)，負(fù)荷特征指標(biāo)開始由原始負(fù)荷特征和分布式光伏出力特性共同決定。

分布式光伏接入配電網(wǎng)后，受光伏出力影響，配電網(wǎng)凈負(fù)荷峰值將低于光伏接入前同時刻原始負(fù)荷峰值，原有負(fù)荷特性將隨之改變，設(shè)備利用率下降，故應(yīng)在現(xiàn)有的設(shè)備利用率指標(biāo)體系中選取可體現(xiàn)出分布式光伏對原有負(fù)荷特征影響的指標(biāo)進(jìn)行源荷匹配指標(biāo)構(gòu)建。本文選取設(shè)備利用率與負(fù)荷率指標(biāo)變化作為源荷匹配指標(biāo)體系構(gòu)建依據(jù)。

基于上述分析建立源荷匹配指標(biāo)體系，源荷指標(biāo)體系與設(shè)備利用率指標(biāo)體系關(guān)系如圖3所示。

圖3 指標(biāo)關(guān)系圖

2 設(shè)備利用率指標(biāo)

2.1 綜合負(fù)載率

綜合負(fù)載率M'定義為光伏出力期間設(shè)備負(fù)載率的整體情況，由各采樣時刻設(shè)備負(fù)載率加權(quán)得出。計算公式如式(1)所示：

式(1)中：Mt為間隔為t的采樣時間周期內(nèi)的設(shè)備負(fù)載率，Epv,t為相鄰采樣周期內(nèi)光伏發(fā)電量，t1、t2分別為光伏出力的始末時間；式(2)中：Pload,t、Ppv,t分別為在光伏出力期間的各時間周期內(nèi)原始負(fù)荷功率與光伏出力功率，S為設(shè)備額定容量。從式(2)也可看出相比較光伏接入前同時刻設(shè)備負(fù)載率，光伏接入后設(shè)備的負(fù)載率必定下降。

令綜合負(fù)載率指標(biāo)數(shù)值為x，其隸屬度函數(shù)如式(3)所示：

式中：μ1、μ2為專線或配變最佳經(jīng)濟(jì)運行區(qū)上下界限。取值范圍為(-∞,1]，越接近于1說明負(fù)載率越接近設(shè)備最佳經(jīng)濟(jì)運行區(qū)，小于0說明發(fā)生了潮流倒送現(xiàn)象。

2.2 負(fù)荷率

負(fù)荷率βload定義為設(shè)備在光照時間內(nèi)凈負(fù)荷平均值與凈負(fù)荷峰值的百分比，負(fù)荷率越大，則說明各時段凈負(fù)荷數(shù)值越平均，波動相對越小。

式中：T為光伏出力總時間，令負(fù)荷率指標(biāo)數(shù)值為x，其隸屬度函數(shù)為式(5)所示：

由式(2)與式(4)可以看出，負(fù)載率、負(fù)荷率受采樣時間周期內(nèi)負(fù)荷功率、光伏出力功率與設(shè)備容量直接影響。

3 源荷匹配指標(biāo)與賦權(quán)

配電網(wǎng)負(fù)載率、負(fù)荷率在光伏并網(wǎng)后會出現(xiàn)不同程度的降低，為更好把握變化趨勢并分析源荷匹配程度，本文依據(jù)波動匹配度、電量匹配度與消納匹配度分析光伏實際消納情況，并對照新設(shè)定的負(fù)荷偏移度指標(biāo)判斷設(shè)備利用率變化程度。

3.1 波動匹配度

波動匹配度Mwave定義為在光伏出力期間負(fù)荷曲線與光伏出力曲線波動趨勢的匹配程度，用于定量分析二者之間的相關(guān)程度，計算公式如式(6)所示：

式中：Pload,ave、Ppv,ave分別原始負(fù)荷功率、光伏出力功率均值。

波動匹配度取值范圍為[-1,1]，源荷曲線相關(guān)程度與波動匹配度取值范圍對應(yīng)如表1所示。

表1 饋線各接入點源荷信息

表1 |Mwave|取值范圍與相關(guān)程度對應(yīng)關(guān)系表

根據(jù)皮爾遜系數(shù)相關(guān)性程度區(qū)間，令波動匹配度指標(biāo)數(shù)值為x，設(shè)置源荷曲線相關(guān)性的隸屬度函數(shù)如式(7)所示，當(dāng)μ(x)＞0.5時說明源荷曲線至少具有中等相關(guān)性，即波動趨勢已基本一致，當(dāng)μ(x)＜0.25說明源荷曲線負(fù)相關(guān)，即波動趨勢相反，負(fù)荷谷期與光伏出力峰期近似重合。

3.2 電量匹配度

電量匹配度We定義為在光伏出力期間，光伏總發(fā)電量與負(fù)荷總用電量匹配程度。計算公式如式(8)所示：

We取值范圍為[0,+∞)，越接近1表示光伏總發(fā)電量與負(fù)荷總用電量匹配程度越高，當(dāng)We超過1時說明光伏總發(fā)電量超出負(fù)荷總用電量需求，令電量匹配度指標(biāo)數(shù)值為x，其隸屬度函數(shù)為：

3.3 消納匹配度

消納匹配度Ma定義為在光伏出力期間，可消納光伏電量占光伏總發(fā)電量比值。

因消納匹配度Ma取值范圍為[0,1]，當(dāng)Ma=1時說明可消納光伏電量等于光伏總發(fā)電量。令消納匹配度指標(biāo)數(shù)值為x，其隸屬度函數(shù)如式(11)所示：

消納匹配度Ma隸屬度函數(shù)取值范圍為[0,1]，越接近于1說明光伏消納越完全。

3.4 負(fù)荷偏移度

負(fù)荷偏移度Sload定義為光伏接入后，凈負(fù)荷較原始負(fù)荷數(shù)值偏移程度。

因負(fù)荷偏移度取值范圍為[0,+∞)，負(fù)荷偏移度越小說明凈負(fù)荷大小越等于原始負(fù)荷，所以令負(fù)荷偏移度指標(biāo)數(shù)值為x，負(fù)荷偏移度的隸屬度函數(shù)如式(13)所示：

負(fù)荷偏移度Sload隸屬度函數(shù)取值范圍為[0,1]，Sload越大說明凈負(fù)荷越小于電力用戶原始負(fù)荷，Sload等于1時說明光伏接入后凈負(fù)荷等于電力用戶原始負(fù)荷，即未接入光伏。

3.5 指標(biāo)賦權(quán)

基于上述指標(biāo)得分?jǐn)?shù)值并經(jīng)過指標(biāo)賦權(quán)，得到源荷匹配綜合得分，根據(jù)得分結(jié)果評判源光伏接入點荷匹配整體效果，第i個評價對象的綜合得分如式(14)所示：

式中：w=(w1,w2,w3,…,wm)T是m個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)向量，xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)T為第i個評價對象的指標(biāo)得分。

為整體上拉開各評價對象之間的差異，使之盡量拉開檔次，以利于對其排序，本文使用基于“差距驅(qū)動”原理的拉開檔次法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重確定。

確定權(quán)系數(shù)向量w的準(zhǔn)則是能最大限度地體現(xiàn)被評價對象之間的差異，即式(15)最大值，使得n個被評價對象取值的分散程度盡可能大。

式(16)中：H=ATA為實對稱矩陣，xnm為第n個評價對象的第m個指標(biāo)得分。若對w不加限值，式(15)可取任何大的值，故此處限定，即滿足式(17)中約束條件求得w。

4 算例分析

4.1 算例概況

江蘇某工業(yè)園區(qū)110 kV變電站饋線建設(shè)情況如圖4所示，饋線總長20 kM，線路容量為8 MVA，功率因數(shù)為0.9，專變、公變共10臺，總?cè)萘繛?.3 MVA，居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷在光伏出力期間用電量占比分別為37.23%、62.76%。饋線均接入光伏，光伏總裝機(jī)容量為2.6 MW。

圖4 饋線實際建設(shè)情況

居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷與光伏標(biāo)幺值波動曲線如圖5所示，光伏出力時間設(shè)定為7∶00-19∶00，具體負(fù)荷數(shù)據(jù)、光伏裝機(jī)容量與出力數(shù)據(jù)如附錄表1與表2所示。

表2 指標(biāo)得分與綜合得分表

表2 源荷波動標(biāo)幺值

圖5 饋線各類電力用戶日負(fù)荷曲線及光伏出力曲線

4.2 源荷匹配指標(biāo)分析

對各接入點源荷匹配指標(biāo)進(jìn)行計算，指標(biāo)得分如表2所示，并使用縱向拉開檔次法得到指標(biāo)權(quán)重分別為0.13、0.42、0.12與0.33，依據(jù)權(quán)重賦權(quán)得到綜合得分。

根據(jù)表2可以看出，在居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷中居民1#、工業(yè)1#的綜合得分最高。

居民類負(fù)荷與工業(yè)類負(fù)荷波動匹配度均小于0.25，說明二者負(fù)荷曲線與光伏出力曲線呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即負(fù)荷谷期與光伏出力峰期近似重合，居民1#與工業(yè)1#電量匹配度較低，消納匹配度為1，說明在光伏出力期間無潮流反向現(xiàn)象，光伏消納完全，并且負(fù)荷偏移度得分較高，說明光伏接入后設(shè)備利用率未有明顯的變化。

居民2#―5#、工業(yè)2#―5#外電量匹配度指標(biāo)數(shù)值較高，且消納匹配度均小于1，這表明光伏將無法消納完全，會產(chǎn)生潮流反向，并且負(fù)荷偏移度得分低，說明光伏接入后設(shè)備利用率下降幅度大，設(shè)備利用率低。以居民2#、工業(yè)2#為例，源荷曲線如圖6所示。

圖6 居民2#與工業(yè)2#源荷曲線圖

4.3 設(shè)備利用率指標(biāo)分析

因各接入點均為通過配變接入配電網(wǎng)，故負(fù)載率隸屬度函數(shù)依據(jù)配變處于經(jīng)濟(jì)運行區(qū)時的負(fù)載率進(jìn)行設(shè)定，各配變具體區(qū)間如附錄表3所示。

表3 綜合負(fù)載率與負(fù)荷率指標(biāo)情況

表3 設(shè)備經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間

基于源荷匹配指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，居民2#―5#、工業(yè)2#―5#無法完全消納光伏，配變處于低載或潮流反向現(xiàn)象，設(shè)備利用率指標(biāo)下降幅度較大。對比表3可知上述接入點在接入光伏后，綜合負(fù)載率、負(fù)荷率下降幅度不低于40%，最高分別可達(dá)77%與85%。其中居民2#在光伏接入后綜合負(fù)載率得分只有0.230，遠(yuǎn)低于1，即在光伏出力期間設(shè)備大部分時間處于輕載或潮流倒送狀態(tài)，各時刻負(fù)載率得分如附錄表4所示，表中可以看出，在9∶00―16∶00期間負(fù)載率得分處于全天最低值，較光伏接入前均明顯下降，即在光伏出力期間設(shè)備大部分時間處于輕載或潮流倒送狀態(tài)。

表4 居民2#光伏接入前后各時刻負(fù)載率得分

居民1#、工業(yè)1#因其消納匹配度較好且負(fù)荷偏移度得分高，對照表3可知光伏接入后綜合負(fù)載率、負(fù)荷率均未發(fā)生較大變化，綜合負(fù)載率均接近或等于1，即光伏接入后仍處于經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)，設(shè)備利用率高。

5 總結(jié)

本文提出了一套判斷分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)設(shè)備利用率影響程度的評估方法，得出如下主要結(jié)論：

1)基于源荷特性、綜合負(fù)載率與負(fù)荷率建立了源荷匹配評估指標(biāo)，依據(jù)拉開檔次法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，可直觀看出設(shè)備利用率下降程度以及影響下降的主要因素。

2)借助江蘇某工業(yè)園區(qū)實際算例，將評估方法應(yīng)用于分布式光伏對配電網(wǎng)設(shè)備利用率影響評估，通過計算設(shè)備利用率指標(biāo)進(jìn)行對照，驗證了評估方法的合理性和有效性，具有一定的工程實踐價值。