光伏电源智能电网研究

引言

近几年，世界光伏发电市场迅速发展［1］，其中，以分布式电源形式接入配电网的并网光伏系统占主导地位，并有大规模发展的趋势［2］。在我国，依靠政府财政补助和优先并网政策的激励，光伏并网安装容量不断增加［3］。而支持大量分布式电源的合理接入是智能配电网的重要特征之一［2］，因此，有必要研究大规模光伏并网对配电网的影响，并结合智能配电网条件对该影响进行分析和评估。受光资源时间分布不均衡和气象变化的影响，光伏电源的输出具有随机性、波动性、间歇性的特点，因此其可调可控性较差，属于不可调度的发电机组。随着分布式光伏电源并网容量的迅速增加，光伏发电将对电网带来很大影响，涉及电力平衡、电能质量、保护配置、供电可靠性、发电规划等规划设计和调度运行的各个方面［4-6］。但目前对于电网接纳光伏渗透率极限的研究较少。文献［7-8］针对过云暂态效应，分别考虑配电网的局部电压调节能力和传统调节机组的暂态负荷跟随能力，对系统内的光伏渗透率极限进行了评估。文献［9］研究发现，光伏分散布置产生的平滑效应可以在很大程度上削弱过云暂态效应，当光伏电源由集中的光伏电站接入转变为分散接入时，光伏渗透率极限将大幅提高。文献［1，10］根据传统发电机组调节范围的限制对光伏渗透率极限进行评估。文献［11］在文献［1］的基础上研究了提高光伏渗透率极限的措施。本文分析了配电网中的最小负荷限制，在该限制下对某地区配电网接纳光伏电源的能力（光伏容量渗透率极限）进行评估，分析了提高光伏容量渗透率极限的主要措施。此外，考虑未来光伏发电预测与控制技术在配电网中的应用，从能量角度对光伏发电接入智能配电网的渗透率进行了分析，并对各种提高光伏接纳能力措施的影响进行了研究。

1光伏接入对配电网的影响

光伏过云暂态效应和低压退网等考虑极端条件下（天气或电网电压）系统暂态对光伏渗透率极限的限制，而传统发电机组调节能力主要从电力平衡的稳态要求出发，研究发电系统负荷跟随能力对光伏渗透率极限的限制。本文从配电网的角度考虑，分析配电网内部的限制因素，对配电网的最小允许负荷进行评估，并计算配电网中的光伏渗透率极限。

1.1光伏并网对净负荷的影响在配电网中，需要通过短期和长期的负荷分析和预测合理安排机组开机方式，进行电源规划。当光伏系统并网后，考虑到光伏发电的不可调节性，通常将其视为一种特殊的负荷，传统负荷减去该负荷就得到系统的净负荷。图1是某一实际地区2009年7月1日负荷和光伏输出采样数据的小时平均值，反映了接入光伏后系统的日净负荷（标幺值）曲线变化情况，图中所有结果均按2009年负荷峰值进行了标幺化处理。其中容量渗透率CP（CapacityPenetration）表示光伏的年最大小时发电量和年峰荷的比值。从图1可以看出，集中于午间时段的光伏出力可以有效降低系统日峰荷的大小，但随着光伏容量的增加，如本例中光伏容量渗透率达到17%时，系统的日峰荷已经转移至晚高峰时段（23:00左右），光伏电源容量的增长不再能降低系统峰荷。当系统中光伏容量继续增加，日间的净负荷可能低于该日最小负荷。如当接入光伏的容量渗透率达到25%时，午间时段就成为日净负荷曲线的低谷。考虑到光伏系统出力的随机性，日峰荷仍将以一定的概率出现在午间时段。随着光伏容量的继续增加，净负荷降到零值以下，导致配电网向上级电网供电。如当光伏容量渗透率达到89%时，系统的净负荷在正午时段降至零值以下。分析上述结果可知，随着光伏容量渗透率的增加光伏发电对系统净负荷的影响逐渐增强。由于光伏发电的随机性和波动性，大量光伏电源并网不仅会增加净负荷的波动范围，还会降低负荷预测的准确性使净负荷的波动具有较大的不确定性。准确的光伏发电预测将对每日的发电调度产生重要影响，同时也对系统备用容量提出了更高的要求［12-13］。

1.2容量渗透率极限由前面净负荷的分析可知，随着系统中光伏接入容量的不断增加，净负荷可能降到零值以下，导致配电网中出现功率倒送，这将打破现有辐射型配电网保护配置的原则［12］，并引发电压调节和继电保护的很多问题［13］。在配电网保护配置的原则作出相应调整或光伏发电的控制和调节装置安装之前，反向潮流是不允许发生的。为防止馈线出现反向潮流，各馈线最小负荷为0即接入馈线光伏电源发电功率不超过同时刻馈线负荷。从这个角度分析，整个配电网也存在一个最小允许（净）负荷，理想情况下该最小允许负荷就是各馈线最小负荷之和。因此，本文将配电网的最小允许负荷下限取为0，上限取为全年实际负荷的最小值。据此，可以对配电网中的光伏渗透率极限进行评估。根据某地区2009年实测数据计算系统净负荷，当系统中的光伏接入容量渗透率达到9%时，系统的最小净负荷降到全年负荷最小值（0.16p.u.）以下；当系统中的光伏接入容量渗透率达到33%时，系统的最小净负荷小于0，对应配电网中出现反向潮流。根据配电网最小允许负荷的限制，计算得到该地区接纳光伏的容量渗透率极限在9%~33%之间。需要指出的是，由于光伏容量渗透率极限是基于负荷和光照历史数据而计算得到的，光伏容量渗透率极限范围9%~33%具有一定的随机性，为保证配电网安全，应限制光伏系统的输出。可采取的主要措施包括安装逆功率继电器RPR（ReversePowerRelay）、最小输入功率继电器MIR（MinimumImportRelay）或动态控制逆变器DCI（DynamicControlledInverter）。装设光伏发电控制或切除设备，增加对光伏系统的控制和调节能力，是发展大规模光伏电源对未来智能配电网提出的要求。

2分析方法根据未来智能配电网适应大量光伏电源接入的发展趋势，本节重点研究在突破当前配电网容量渗透率极限条件下的光伏电源并网情况。

2.1基本概念本文首先对以下概念进行说明。a.容量渗透率［13］：分布式光伏电源全年最大小时发电量与系统负荷全年最大小时用电量的百分比。b.能量渗透率［13］EP（EnergyPenetration）：分布式光伏电源全年提供的电量占系统负荷全年耗电总量的百分比。c.光伏利用率：光伏电源全年实际发电量与实际光照条件下允许的最大发电量的比值。d.光伏利用小时数：光伏电源在一年中发出的可用电量与峰值安装容量的比值。e.光伏成本：考虑光伏利用率后的光伏成本，用光伏利用率的倒数表示。

2.2基本假设研究中对计算条件作如下假设。a.研究系统为典型配电网，考虑保护配置等因素，净负荷应满足配电网最小负荷的要求。b.在研究配电网接纳光伏的能力时，仅考虑配电网局部的限制因素，不考虑发电系统调节能力和光照资源分布等限制因素；同时只从技术上（对配电网的光伏渗透率极限）进行分析，暂不考虑光伏成本等经济性因素的限制。c.光伏电源对出力大小具有一定的调节能力，必要时通过减少出力来维持配电网中的最小允许负荷。d.分布式光伏的分散布置可以减弱过云暂态等现象对配电网的影响，不考虑光伏出力的暂态影响，分析的最小时间尺度为1h。

2.3计算内容由于光伏出力的大小受配电网最小允许负荷的限制，在光伏能量渗透率较高的情况下，光伏发电对系统的贡献不再与安装容量成正比，如图2所示，容量渗透率和能量渗透率呈非线性关系，图中ML表示配电网的最小允许负荷。为此，本文从能量渗透率的角度出发，分析高渗透率下光伏接入系统的利用率和相对成本，并对提高光伏接纳能力措施的影响进行率进行研究。随着系统中光伏安装容量的不断增加，能量渗透率会逐渐升高，但升高的速度会随着光伏利用率的改变而发生变化。图4反映了该地区净负荷持续时间曲线随能量渗透率变化的情况。从图4可知，若配电网最小允许负荷为0.1p.u.，即满足净负荷在系统年峰荷10%以上条件的光伏出力为可用光伏出力，随着光伏能量渗透率的增加，系统的净负荷低于最小允许负荷的时间段越来越长，即增加的光伏电源在更长的时间内被迫减少甚至停止出力，大幅降低了光伏利用率。以某地区2009年5月1日的数据为例，假设该地区配电网最小允许负荷为年峰荷的10%（即0.1p.u.），光伏容量渗透率为40%和80%时的光伏利用情况如图3所示（图中负荷为标幺值，后同）。图中负荷曲线下的空白区域为光伏发电符合系统最小运行负荷要求的部分，即可用光伏发电量；容量渗透率为40%、80%时的净负荷曲线与ML曲线相交的深色阴影部分分别为相应条件下不满足系统调节要求的光伏发电量，即不可用的光伏发电量，是需要通过控制减少光伏出力废弃的部分；浅色阴影部分为常规机组所带的负荷。从图中可知，当光伏容量渗透率较高时，随着系统光伏容量的增加，光伏发电废弃率会快速上升，对应图中的深色阴影部分面积显著增加，而空白区域的可利用光伏发电部分只是在两侧的面积略有增加。图5描绘了不同最小允许负荷情况下的光伏利用率-能量渗透率曲线。图5与图4分析的结论一致，光伏利用率随系统中能量渗透率的增加不断下降。此外，从图5可知，在相同能量渗透率下，最小允许负荷越低，分布式光伏电源的平均利用率和边际利用率越高，同时系统能量渗透率极限也越高。因此，降低配电网的最小允许负荷可以减少相同能量渗透率下光伏并网安装容量，同时增强系统接纳光伏的能力。图5右侧为光伏年利用小时数，反映了该地区光伏时间利用情况。从图中可以看出，该地区光伏利用小时数随着光伏利用率的降低同比下降。1009003光伏能量渗透率分析根据第2节的假设和分析，对该地区的能量渗透当光伏利用率下降时，光伏发出的单位电量成本会随之上升，图6为光伏成本随光伏能量渗透率变化的曲线（图中光伏成本为标幺值，后同），随着能量渗透率的增加，光伏成本不断上升。由光伏利用率和光伏成本的分析可知，在相同能量渗透率下，降低最小允许负荷可以有效提高分布式光伏电源的平均利用率和边际利用率，大幅降低光伏成本。此外，降低最小允许负荷还可以进一步提高系统中的光伏渗透率极限，更好地利用光伏发电的开发潜能。综上所述，对于光伏长期发展而言，要提高智能配电网中的分布式光伏电源能量渗透率水平，除增加分布式光伏电源安装容量外，降低最小允许负荷水平也是非常有效的措施。

4提高系统接纳光伏能力的措施

从第3节的分析可知，降低最小允许负荷可以在一定程度上提高光伏的渗透率水平，提高系统接纳光伏的能力，但由于光伏发电和负荷分布之间的不匹配这种作用是有限的。为了进一步提高系统的光伏渗透率水平，需要使用负荷转移或储能技术改变或调整光伏和负荷时间分布曲线。本文将重点研究负荷转移和储能技术对光伏能量渗透率的影响。

4.1负荷转移对光伏能量渗透率的影响

4.1.1负荷转移模型负荷转移是电力系统需求侧管理的一项基本任务，目的是通过对负荷削峰填谷，实现节能减排。本文重点分析分时电价和实时电价方案对用户负荷的转移效果。分时电价采用事先制定的价格，实时电价采用定期（日或小时）向用户通报的小时电价反映发电成本的变化。考虑未来系统中光伏渗透率水平较高的情况，由图1分析可知，净负荷的时间分布特征发生了较大变化，同时由于光伏发电的随机性，这种变化有较大的不确定性。光伏发电预测将作为负荷预测的一项重要环节，缩短时间间隔可以极大提高光伏发电预测的精度［14］。因此，相比分时电价，实时电价更符合未来负荷预测的要求。本文假设实行实时电价后获得一种理想的负荷转移效果，以最有效的方式实现削峰填谷。假设如下：a.实时电价实施前后日用电总量保持不变；b.负荷转移仅发生在净负荷曲线的峰谷时段之间c.负荷转移后峰谷部分均呈水平分布；d.日负荷转移前后的净负荷峰值差与当日负荷峰值的比例（用f表示）相同，转移后日净负荷峰值不低于谷值。实施该方案时，首先根据f和日净负荷平均值确定负荷转移后日净负荷峰值大小，对峰谷时段进行划分。将净负荷高于该峰值的时段作为峰值时段，负荷转移前后峰值时段减少的部分就是该日负荷转移电量。本文用全年累计转移电量与负荷用电总量的比值表示全年负荷转移量。

4.1.2负荷转移影响分析假设系统最小允许负荷为0.1p.u.，负荷转移比例分别取0%、1%和2%。根据上述假设分析负荷转移的影响，计算得到的光伏利用率和利用小时数曲线如图7所示。从图中可以看出，在光伏能量渗透率较大（大于10%）时，利用负荷转移可以提高光伏利用率，但对提高系统的光伏能量渗透率极限帮助不大。负荷转移对光伏成本的影响如图8所示。从图中不同负荷转移条件下的结果对比可以看出，在光伏能量渗透率较大时，负荷转移可以有效降低光伏发电量平均成本。

4.2储能技术对光伏渗透率的影响储能技术应用于分布式发电系统中，可以提高系统电能质量和供电可靠性，还可以向电网提供辅助服务［15］。本节主要分析储能在提高系统的光伏容量渗透率水平和光伏利用率水平，降低光伏成本等方面发挥的作用。

4.2.1储能模型的基本假设为了方便研究，需对储能模型进行简化和近似，具体假设如下。a.储能的充放电策略：当系统中出现剩余光伏（净负荷低于最小允许负荷）时，储能进入充电状态；当系统中净负荷高于最小允许负荷时，储能进入放电状态。b.功率和能量限制：储能装置的充放电功率和存储容量受到功率和能量容量限制。c.储能的利用效率（包括能量转化效率和运行中的损耗）用一个固定值表示，即储能输出与输入总电量的比值，本文取75%。由于本文重点研究储能提高光伏能量渗透率的效果，因此储能模型中不包含生产成本、安装成本等经济性参数，也不包含使用寿命、循环次数等设备参数。

4.2.2储能对光伏能量渗透率的影响假设最小允许负荷为0.1p.u.，储能安装容量用储能对系统平均负荷的最大放电时间表示，本算例中储能放电时间取值为1~5h。根据以上假设，储能对光伏利用率和成本的影响如图9和图10所示，从图中不同储能容量的对比结果可以看出，储能可以大幅提高光伏的能量利用率，进而降低储能的电量成本，特别是当光伏能量渗透率较高的情况下，这种效果更加明显。进一步分析对比储能和负荷转移对光伏渗透率的影响，负荷转移和储能都能提高系统的光伏能量渗透率和光伏利用率，但负荷转移的作用不如储能技术明显，在本文假设的日负荷转移模式下，全年最大负荷转移量受到严格限制，而且实际效果还会受到用户参与度和负荷预测精度的影响。而储能技术作用范围更大，提高光伏能量渗透率的效果也较好，同时控制策略简单，是未来智能配电网中接入大量分布式光伏电源的首选措施。但是由于大规模储能的研究受储能设备的成本、使用寿命、循环次数等参数影响较大，因此未来应结合储能的实际应用情况进一步分析。5结语本文依据配电网中的最小负荷限制，对配电网接纳光伏的容量渗透率极限进行了评估。针对未来配电网中可能出现的光伏并网高渗透率，以及光伏发电预测、控制等智能技术的应用，从能量角度对光伏利用率和成本等进行了分析，并对各种光伏接纳能力增强措施的影响进行了研究。研究表明，为适应配电网中不断增长的光伏渗透率水平，除安装光伏发电预测、控制所需设备外，还需要通过降低最小允许负荷，利用负荷转移和储能技术等，以提高光伏利用率，降低光伏电量成本，进而推动光伏产业的可持续发展。