CN109245170B - 一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法，包括确定接入的分布式电源技术类型、分布式电源并网运行的影响因素；确定分布式电源并网初步接入方案；安全校验；计算分布式电源渗透率极限，并根据分布式电源运行方式，确定不同运行时段接入的分布式电源限电成本或改造成本；确定分布式电源并网最佳接入方案。本发明分布式电源并网运行方式的选取受诸多因素影响，考虑分布式电源的技术类型、装机容量，以及所接入分布式电源并网运行的影响因素，确定分布式电源并网运行方案，一方面具有较好的实际操作性，另一方面也便于更好地适应未来配电网中不同分布式电源渗透率、网架结构和负荷水平下的典型应用场景，方便基层工作人员进行实际接入方案设计。

Description

一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网技术领域，具体涉及一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法。

背景技术

随着我国分布式电源大规模快速发展，分布式电源规模化接入配电网成为一种趋势。分布式电源的容量大小及接入方案正影响着配电网的安全稳定运行，尤其是在未来高渗透率分布式电源接入局部配电网时，地市供电公司在确定分布式电源并网方案时面临选址定容、接入方案等方面新业务的挑战。

当前分布式电源规模化接入配电网的研究主要考虑高渗透率分布式电源接入对配电网的影响，从宏观的角度重点关注分布式电源或者配电网的规划、运行和控制等，较少有针对分布式电源具体接入方案的研究，但不同的接入方式以及运行方式对电网系统的影响不同，考虑技术、经济等多重因素,选择合理的分布式电源并网运行方式，对实现分布式电源乃至配电网稳定、经济、高效的运行至关重要，且目前供电公司在应对此类问题时面临诸多协调困难，在未来高渗透率分布式电源接入局部地区配电网时，情况将会变得更加复杂，对电力企业基层的实际工作指导性不强。

有鉴于此，急需提供一种在分析分布式电源并网运行的制约条件和关键影响因素的基础上，优化分布式电源并网运行方式，方便工作人员确定实际接入方案设计的一种基于配电网接纳能力的分布式电源并网接入规划方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法，包括以下步骤：

S1、确定接入的分布式电源技术类型、分布式电源并网运行的影响因素；

S2、确定分布式电源并网初步接入方案；

S3、根据步骤S1与步骤S2对接入后的分布式电源并网安全校验；

S4、根据步骤S3的校验结果，计算分布式电源渗透率极限，并根据分布式电源运行策略与电网改造措施，确定不同运行时段接入的分布式电源限电成本或改造成本；

S5、确定分布式电源并网最佳接入方案。

在上述方法中，所述步骤S1中，所述分布式电源技术类型包括旋转电机类分布式电源与逆变器类分布式电源；

所述分布式电源并网运行的影响因素包括电源装机容量、配电网类型与负荷分布条件；

配电网类型可划分为城市电网、农村电网；

负荷分布条件包括配电网负荷分布集中于线路首段、均匀分布线路上、集中于线路末端。

在上述方法中，所述步骤S2包括：

S21、根据步骤S1，确定并网点的接入电压等级；接入电压等级包括220/380V、10kV、35kV；

S22、确定初步接入位置，获取接入位置附近电力设备，根据接入电压等级、接入电源装机容量的选择，确定分布式电源并网初步接入方案；

接入方案包括接入方式包括专线接入、T接接入；

接入位置可选择接入变电站/配电室/箱变、开闭站/配电箱、环网柜和线路。

在上述方法中，所述步骤S3中，安全校核的约束条件包括：电压越限、设备过载或短路电流超标。

在上述方法中，所述步骤S4中计算分布式电源渗透率极限具体包括：

分布式电源渗透率为分布式电源装机容量占所接入配电网区域最大负荷的比值；

S41、计算分布式电源渗透率，结合安全校核的结果，判断系统是否满足安全校核的约束条件，若不满足，转S42；若满足，转S43；

S42、保持其他条件不变，包括接入的分布式电源技术类型和装机容量、负荷分布条件和配电网条件，增加分布式电源的容量，转步骤S3，重复安全校核操作；

S43：获取满足安全校核条件的最大分布式电源容量，得到对应的分布式电源的渗透率极限；

所述分布式电源运行方式包括主动模式或被动模式。

在上述方法中，所述步骤S5包括：

S51：根据分布式电网技术类型，确定相对容量比或短路电流剩余比；

相对容量比：通过接入电源装机容量与接入电压等级线路的经济最大传输容量比值；

短路电流剩余比：确定短路电流剩余比，通过接入的分布式电源提供的短路电流和需接入的配电网剩余短路电流空间的比值；

S52：根据步骤S51，与变电台区的渗透率，配电网类型和负荷分布条件，确定分布式电源并网最佳接入方案。

本发明分布式电源并网运行方式的选取受诸多因素影响，考虑分布式电源的技术类型、装机容量，以及所接入分布式电源并网运行的影响因素，确定分布式电源并网运行方案，一方面具有较好的实际操作性，另一方面也便于更好地适应未来配电网中不同分布式电源渗透率、网架结构和负荷水平下的典型应用场景，方便基层工作人员进行实际接入方案设计。

附图说明

图1为本发明提供的流程图；

图2为本发明提供的分布式电源并网运行优化思路框架图；

图3为本发明提供的逆变器类型分布式电源的并网选择案例图；

图4为本发明提供的旋转电机类型分布式电源的并网选择案例图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供了一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法，包括以下步骤：

S1、确定接入的分布式电源技术类型、分布式电源并网运行的影响因素；其中，

按照我国分布式电源的定义，分布式电源包括小水电、风电、太阳能发电、生物质发电、海洋能发电、地热发电、资源综合利用发电、煤层气发电以及天然气热电冷联供等多种类型。不同类型分布式电源运行特性和控制方式不同，对电网的影响也不同。

本实施例分布式电源技术类型包括旋转电机类分布式电源与逆变器类分布式电源；逆变器类型分布式电源(inverter-type distributed resources)，逆变器类型分布式电源经逆变器接入电网，主要包括光伏、全功率逆变器并网风机等。

旋转电机类型分布式电源(rotating-machine-type distributed resources)，旋转电机类型分布式电源分为同步电机和感应电机两类，同步电机类型分布式电源主要包括天然气三联供、生物质发电等，感应电机类型分布式电源主要包括直接并网的感应式风机等。

本实施例分布式电源并网运行的影响因素包括电源装机容量、配电网类型与负荷分布条件；

配电网类型可划分为分为城市电网、农村电网；电网供电区域按照行政级别进行划分，其对电网结构、负荷密度、电压合格率、配变容量以及线路参数等影响较大。

电网供电区域可划分为城市电网(A+类、A类、B类或C类供电区)、农村电网(D类或E类供电区)。其中，农村电网(D类或E类供电区)多采用架空线，配变容量较小，线路较长，因此阻抗相对较大，容易出现电压升高问题，同时线路载流量较小也容易引起设备过载问题，线路和变压器等改造成本相对要大，但是由于现有短路电流水平普遍不高，允许分布式电源在故障时提供的短路电流相对较大，因此，断路器的改造成本相对要小。

而市中心电网通常采用电缆，配变容量大，长度也较短，因此阻抗相对较小，相对不容易出现电压越限和设备过载的问题，线路和变压器等改造成本相对要小，但是由于现有短路电流水平可能较高，允许分布式电源在故障时提供的短路电流相对较小，因此，断路器的改造成本相对要大。

负荷分布条件包括配电网负荷分布集中于线路首段、均匀分布线路上、集中于线路末端。不同的负荷分布条件对分布式电源的接纳能力不同。一般而言，负荷分布在线路末端时，线路首末两端电压差最大，此时分布式电源在末端接入可缓解电压跌落问题，同时避免线路末端电压受分布式电源接入抬升幅度过大造成电压越限。理论上，分布式电源接入位置和负荷分布一致性越好，对电网影响也越小。

S2、确定分布式电源并网初步接入方案；具体包括：

S21、根据步骤S1，确定并网点的接入电压等级；接入电压等级包括220/380V、10kV、35kV；其中，

对单个并网点而言，接入的电压等级应按照安全、可靠、经济的原则，根据分布式电源的装机容量、导线载流量以及上一级变压器及线路可接纳能力、短路电流、供电区电压偏差范围、区域内配电网综合情况等进行考虑。

一般，如果单个并网点容量为(0,8kW]，以220V电压等级单相接入；(8kW,400kW]以380V电压等级三相接入；(400kW,6MW]以10kV电压等级接入；(6MW,20MW]考虑35kV电压等级接入。以多个并网点接入的项目，总容量原则上不超出变电台区的允许容量。

S22、确定初步接入位置，获取接入位置附近电力设备，根据接入电压等级、接入电源装机容量的选择，确定分布式电源并网初步接入方案；

接入方案包括接入方式包括专线接入、T接接入；

接入位置可选择接入变电站/配电室/箱变、开闭站/配电箱、环网柜和线路。

其中，专线接入原则上送出线路应进入变电站或开关站间隔，且变电站或开关站间隔内一、二次设备齐全；T接线接入直接从线路上或者环网柜中引出一个分支线进行供电，分支点没有断路器、TA等电气设备。专线接入方式没有改变配电网潮流单向流动的特征；而T接接入方式可能产生反送功率，引起电压越限和电流过载等问题，可能违反原负载线路上保护装置的整定要求。

一般而言，接入方式的选取需要考虑多种因素，包括分布式电源消纳方式、接入位置及附近电力设备布置情况等。用户内部电网接入的主要是自发自用余电上网模式的分布式电源，如园区和居民住宅的屋顶光伏；公共电网接入的主要是集中接入、全部上网的分布式电站，一般按照路径短、投资少的原则就近接入，具体选择T接还是专线接入需根据实际电网条件进行技术经济综合比较确定。本实施例接入方案具体如下表：

表1分布式电源接入系统方式

实际选择时，不仅需要考虑分布式电源接入电压等级和装机容量，还要根据实际配电网条件选择接入点位置，包括考虑分布式电源接入点距离、消纳方式等。以宁夏地区分布式光伏为例，采用公共电网10kV母线专线接入方式更为常见，这种方式也是分布式光伏接入的主要方式，低压分布式光伏受到场所制约大多采用用户配电室380V侧接入电网。

S3、根据步骤S1与步骤S2对接入后的分布式电源并网安全校验；

分布式电源并网对配电网运行带来潮流、电压、电能质量、供电可靠性等多方面影响，安全校核主要考虑配电网线路的电压越限、设备过载或短路电流超标3项约束条件，是制约分布式电源并网的关键因素；

旋转电机类型分布式电源主要分布于城市，电网通常采用电缆，配变容量大，长度也较短，因此阻抗相对较小，相对不容易出现电压越限和设备过载的问题，线路和变压器等改造成本相对要小，但是由于现有短路电流水平可能较高，因此考虑的约束条件是短路电流的约束。

逆变器类型分布式电源主要分布于农村，电网通常采用架空线，配变容量较小，线路较长，因此阻抗相对较大，容易出现电压升高问题，同时线路载流量较小也容易引起电流过载问题，因此主要考虑的约束条件是电压越限与设备过载的约束。

S4、根据步骤S3的校验结果，计算分布式电源渗透率极限，并根据分布式电源运行策略与电网改造措施，确定不同运行时段接入的分布式电源限电成本或改造成本；具体包括：

S41、计算分布式电源渗透率，结合安全校核的结果，判断系统是否满足运行约束，若不满足，转S42；若满足，转S43；

分布式电源渗透率用于衡量指定区域内分布式电源接入水平，通常用台区分布式电源接入容量和变电容量或最大年负荷的比值表示。本实施例中分布式电源渗透率为分布式电源装机容量占所接入配电网区域最大负荷的比值。

两种分布式电源渗透率的定义方式都是瞬时功率的表示方式，差别在于和变压器总容量还是峰值负荷相比，两者的差别也正好是容载比，就目前我国电网来看，取值多在2左右。与标幺值的方法类似，分布式电源渗透可以简单直观地反映分布式电源装机容量和负荷水平的关系，体现两者的关联性。

一般而言，分布式电源渗透率越高，发生电压越限和潮流倒送的风险越大，通常用准许渗透率来衡量一个配电网区域接纳分布式电源的能力。实际准许渗透率还受分布式电源接入位置和出力特性等影响，当分布式电源与负荷时空分布特性匹配良好时，对电网的影响更小，准许渗透率更高。以用户光伏扶贫项目为例，用户多为日间发电、夜间用电，更易出现电压越限和潮流倒送问题。

美国国家可再生能源实验室(NREL)利用大量典型测试案例和西部电网实际案例进行了分布式电源并网影响的仿真计算。研究表明：分布式电源对配电网的影响主要包括电能质量和保护两大类；分布式电源渗透率超过20％时通常会对电网产生显著影响，难以满足分布式电源和电网互联标准；分布式电源渗透率小于15％基本不会对电网产生明显影响。

本实施例变电台区的渗透率划分为小于15％、(15％,30％]、大于30％。

S42、保持其他条件不变，包括接入的分布式电源技术类型和装机容量、负荷分布条件和配电网类型，增加分布式电源的容量，转步骤S3，重复安全校核操作。

S43：获取满足安全校核的约束条件的最大分布式电源容量，得到对应的分布式电源的渗透率极限；本实施例对不同类型的分布式电源分别计算渗透率；

S44、根据所选择的分布式电源运行策略，可以判断不同运行时段分布式电源的限电或电网改造措施；其中，分布式电源运行策略包括主动模式或被动模式。

在被动模式下，配电网不对分布式发电系统进行出力控制，出力的多少完全由分布式电源自身决定；在主动模式下，根据电网实际运行情况对分布式电源进行出力控制，从而优化电网运行，保障电网运行的安全。

a.被动模式。

在被动模式下，分布式电源接入配电网后的运行、控制和管理模式都不受配电网影响，在分布式电源渗透率非常低的情况下，无需采取电网改造措施，投入任何配电网改造成本对线路改造升级。

b.主动模式。

随着分布式电源的规模越来越大，电网对分布式电源不仅是被动地提出电能质量的要求，而且要对其进行积极的调控和管理。在分布式电源出力较大时适当限制其有功出力，提供一定的无功支撑，形成大范围的资源优化配置，或者实施其他电网改造措施，实现整体经济效益的最大化。

S5、确定分布式电源并网最佳接入方案；

将电压越限、载流能力和短路电流作为约束条件，分布式电源技术类型、装机容量、接入位置(只考虑单点接入的情况)、负荷分布条件及配电网类型(区分农网和城网)等作为输入条件，接入方案、分布式电源运行策略、电网改造措施等作为可变条件，渗透率极限和经济性分析作为最后的输出结果，采用优化(比选更为合适)的方法确定最佳的接入电压等级和接入方案。

具体包括：

S51：根据分布式电源技术类型，确定相对容量比或短路电流剩余比；

相对容量比：通过接入电源装机容量与接入电压等级线路的经济最大传输容量比值；

短路电流剩余比：通过接入的分布式电源提供的短路电流和需接入的配电网剩余短路电流空间的比值；

本实施例，引入相对容量比参数，用以衡量不同接入电压等级下接入电源装机容量的相对关系。

接入电源装机容量和接入电压等级密切相关，但是需要注意的是，接入电源装机容量绝对值难以简单反映对电网的影响，还受到接入电压等级因素影响，这样将形成两个影响要素，增加并网运行方案(接入方案)选择的难度。从简化的角度出发，引入接入电源装机容量和电压等级典型经济传输容量上限比(简称相对容量比)这个参数，将容量和电压两个参数合并考虑。

结合380V和10kV常用典型线路的经济传输容量，将400kW作为380V典型线路经济传输容量，将6MW作为10kV典型线路经济传输容量。

本实施例，相对容量划分为小于0.15、[0.15,1]、(1,5]、大于5。

短路电流剩余比划分为小于0.2、[0.2,0.5]、大于0.5。

考虑到旋转电机类型分布式电源容量不会很小，不会接入380V电压等级，通常为10kV以上，引入短路电流剩余比参数(即分布式电源提供的短路电流和该配电网剩余短路电流空间的比值)，用以衡量不同电网等级下短路电流的相对关系，作为分布式电源并网的划分标准。

从继电保护的角度讲，分布式发电可以等效用一个电源串联电抗的模型表示，对于不同类型的分布式发电，其电抗值也不同，因此故障电流的注入能力差别较大。例如，感应电机类的分布式电源在故障时最大的故障电流注入能力可以达到1000％。

选取典型城市10kV配电网作为典型案例进行研究，由于城市电网通常采用低阻抗电缆，基本没有电压升高问题，但是短路电流问题较为突出，结果表2所示，由于旋转电机类型分布式电源的短路电流和额定电流相差不大，因此对短路电流的贡献不大，并网渗透率受电网约束较小，分布式天然气发电能够提供较大的短路电流。因此，城市电网应重点关注短路电流，主要受断路器遮断电流影响。

表2城市电网准许渗透率分析

S52：根据步骤S51，与变电台区的渗透率，配电网类型和负荷分布条件，确定分布式电源并网最佳接入方案。

下面通过具体案例说明本实施例：

案例1。

如图3所示，为分布式光伏等逆变器类型分布式电源的并网选择案例，当分布式电源所在变电台区渗透率小于15％，相随容量比小于0.15，配电网类型为农村电网且负荷分布集中在线路末端时，分布式电源并网运行方案(接入方案)选择T接接入；

若变电台区渗透率与相随容量比不变，电网类型(配电网类型)为农村电网且负荷分布(负荷分布条件)不是集中在线路末端时，则分布式电源并网运行方案(接入方案)选择接入开关站或配电室，即根据图中条件，分布式电源并网运行方案向右移动一个方案，但是，若并网运行方案为“必须提高接入电压等，否则不让接入”，且配电网类型为农村电网且负荷分布不是集中在线路末端时，无法往右移动一个方案，此时并网运行方案只能是“必须提高接入电压等，否则不让接入”。

本案例中，重点考虑了技术类型、分布式电源所在变电台区渗透率现状、相对容量比、电网类型和负荷分布等情况，确定了分布式电源并网运行方案，此外，关于接入电压等级的选择可以直接根据接入系统设计要求确定。

案例2。

如图3所示，为分布式天然气发电等旋转电机类型分布式电源的并网选择案例，本案例中，重点考虑了技术类型、分布式电源所在变电台区渗透率现状、短路电流剩余比、电网类型(配电网类型)和负荷分布(负荷分布条件)等情况，确定了分布式电源并网运行方案，例如，当分布式电源所在变电台区渗透率大于30％，短路电流剩余比[0.2,0.5]，电网类型为城市电网且断路器遮断容量较小，需要提高电压等级接入的短路电流剩余比时，分布式电源并网运行方案向左以一个，即分布式电源并网运行方案通过案例1来重新确定接入的变电台区渗透率、相随容量比、配电网类型与负荷分布，确定分布式电源并网运行方案；

当分布式电源所在变电台区渗透率小于15％，短路电流剩余比[0.2,0.5]，确定分布式电源并网运行方案运用案例1的选择方式实现。

当分布式电源所在变电台区渗透率大于30％，短路电流剩余比[0.2,0.5]，电网类型为农村电网，断路器遮断容量较小或较大时，则确定分布式电源并网运行方案为“必须提高接入电压等，否则不让接入”。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种配网友好的分布式电源并网案例库设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定接入的分布式电源技术类型、分布式电源并网运行的影响因素；

S2、确定分布式电源并网初步接入方案；

S3、根据步骤S1与步骤S2对接入后的分布式电源并网安全校核；

S4、根据步骤S3的校验结果，计算分布式电源渗透率极限，并根据分布式电源运行策略与电网改造措施，确定不同运行时段接入的分布式电源限电成本或改造成本；

S5、确定分布式电源并网最佳接入方案；

S51：根据分布式电网技术类型，确定相对容量比或短路电流剩余比；

相对容量比：通过接入电源装机容量与接入电压等级线路的经济最大传输容量比值；

短路电流剩余比：确定短路电流剩余比，通过接入的分布式电源提供的短路电流和需接入的配电网剩余短路电流空间的比值；

S52：根据步骤S51，与变电台区的渗透率，配电网类型和负荷分布条件，确定分布式电源并网最佳接入方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述分布式电源技术类型包括旋转电机类分布式电源与逆变器类分布式电源；

所述分布式电源并网运行的影响因素包括电源装机容量、配电网类型与负荷分布条件；

配电网类型可划分为城市电网、农村电网；

负荷分布条件包括配电网负荷分布集中于线路首段、均匀分布线路上、集中于线路末端。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、根据步骤S1，确定并网点的接入电压等级；接入电压等级包括220/380 V 、10kV、35kV；

S22、确定初步接入位置，获取接入位置附近电力设备，根据接入电压等级、接入电源装机容量的选择，确定分布式电源并网初步接入方案；

接入方案包括接入方式包括专线接入、T 接接入；

接入位置可选择接入变电站/配电室/箱变、开闭站/配电箱、环网柜和线路。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安全校核的约束条件包括：电压越限、设备过载或短路电流超标。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算分布式电源渗透率极限具体包括：

分布式电源渗透率为分布式电源装机容量占所接入配电网区域最大负荷的比值；

S41、计算分布式电源渗透率，结合安全校核的结果，判断系统是否满足安全校核的约束条件，若不满足，转S42；若满足，转S43；

S42、保持其他条件不变，包括接入的分布式电源技术类型和装机容量、负荷分布条件和配电网条件，增加分布式电源的容量，转步骤S3，重复安全校核操作；

S43：获取满足安全校核条件的最大分布式电源容量，得到对应的分布式电源的渗透率极限；

分布式电源运行方式包括主动模式或被动模式。

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