配电网的双层次能源联络线结构

导语：为了实现能源利用的高效性、安全性和可持续性,未来配电网将逐渐发展为具有可再生、分布式、互联性、智能化等特征的能源互联网。与智能配电网中分布式可再生能源采用局部控制和消纳的方式相比,能源互联网将通过广域范围互联与协调控制的方式实现多能源的优化调度、互补和共享,从而满足大规模分布式电源(DistributedGeneration,DG)安全并网的迫切需求。

1 背景及意义

为了实现能源利用的高效性、安全性和可持续性,未来配电网将逐渐发展为具有可再生、分布式、互联性、智能化等特征的能源互联网。与智能配电网中分布式可再生能源采用局部控制和消纳的方式相比,能源互联网将通过广域范围互联与协调控制的方式实现多能源的优化调度、互补和共享,从而满足大规模分布式电源(DistributedGeneration,DG)安全并网的迫切需求。由此,多能源互联共享的未来配电网发展所面临的关键问题主要包括:

1)为了满足安全性、经济性和可持续性的要求,如何较好地解决本地能源就地平衡和广域能源调度共享的矛盾?

2)为了适应高渗透率水平分布式电源的安全可靠接入,如何大幅度提高配电网对分布式电源的接纳能力?

传统配电网的结构多以辐射状、多分段单联络、多分段多联络为主,难以适应未来配电网的多能源优化调度、互补和共享等新需求,严重制约了配电网对分布式可再生能源的接纳能力,为此,本文提出一种双层次能源联络线结构以解决本地能源就地平衡和广域能源调度共享的矛盾。该结构能够实现多能源的优化配置和互联共享,提高配电网中分布式资源的整体经济性和利用率,适应大规模分布式电源的安全、可靠接入,提高配电网对分布式电源的接纳能力。

2 双层次能源联络线结构特点及构建方法

2.1双层次能源联络线结构特点

双层次能源联络线结构是由基本能源联络线和柔性潮流调控能源联络线组成的。

基本能源联络线是指能够实现不同节点之间能源互联的专用联络线路,它能够从局部的角度解决本地能源的自然平衡的问题,该线路上的潮流仍呈现自然分布。

在基本能源联络线上合理配置柔性交流配电(D-FACTS)装置,实现潮流的双向调节、按需调节和快速灵活调节,称为柔性潮流调控能源联络线,它能够从全局的角度解决广域能源的优化调度、互补和共享的问题。

2.2双层次能源联络线结构的构建方法

构建双层次能源联络线结构的基本思路是在网络的关键节点之间优化配置基本能源联络线和柔性潮流调控能源联络线,从而很好地解决本地能源就地平衡和广域能源调度共享的问题,其具体步骤如下:

步骤1:根据配电网的网络结构、负荷特性和DG并网情况,选取配电网中能量需要优化分配的关键节点。

步骤2:根据能量最优分配及投资运行经济性的原则,以网络损耗成本、线路和设备投资成本、停电损失成本以及电压改善收益等指标作为目标函数,以节点电压、相角、有功功率、无功功率和线路输送容量等作为约束条件,建立能源联络线的优化规划模型。

步骤3:基于上述优化规划模型,在需要实现能源主动调度的供电区域内外的关键节点之间搭建柔性潮流调控能源联络线,并优化计算出联络线上的D-FACTS的安装位置和容量,在需要实现能量自然平衡的供电区域内外的关键节点之间搭建基本能源联络线,由此形成双层次能源联络线结构。

步骤4:为双层次能源联络线设置必要的继电保护和安全自动装置以满足系统的安全可靠性要求。图1为构建双层次能源联络线结构的方法流程。

图1 构建双层次能源联络线结构的方法流程图

3 双层次能源联络线结构配电网对分布式电源的接纳能力水平

为了更加快速准确地计算配电网对分布式电源的接纳能力,本文建立了含DG的配电网的二维多分辨率模型,提出了多因素影响下配电网对DG接纳能力的分析方法,并通过33kV环状配电网的典型算例对具有双层次能源联络线结构的配电网的接纳能力进行了分析计算,仿真结果如图2所示,由此得出如下主要结论:

1)通过仿真计算,当考虑电压和功率损耗的影响,DG的最大准入容量百分比可达到37.4%;当考虑电压、功率损耗和线路热稳定极限的影响,DG的最大准入容量百分比仅达到20%。由此可见,当考虑的制约因素不同时,配电网对分布式电源的接纳能力水平也不尽相同。当DG采用大规模集中接入方式时,配电网的接纳能力受到线路热稳定极限和电压的严重制约。

2)与集中接入方式相比,分散接入后DG最大准入容量百分比由20%提高到35%,此时配电网接纳DG的能力更强。这主要有两方面原因,一方面单点集中接入方式下DG的实际出力在极大程度上受限于线路最大输送容量,而多点分散接入方式下则几乎不受影响;另一方面,小规模DG分散接入时,输出功率便于就地消纳,易于实现电量平衡,网络损耗较小。因此,基于能源互联结构的未来配电网中DG宜以分散接入方式为主。

3)与传统网络结构相比,采用双层次能源联络线结构后DG最大准入容量百分比由35%提高到53.6%,这是因为双层次能源联络线结构能够实现多能源的优化配置和互联共享,提高配电网中分布式资源的整体经济性和利用率,较好地解决了本地能源就地平衡和广域能源调度共享的问题。因此,采用双层次能源联络线结构可以大幅度提高配电网对DG的接纳能力,实现能源利用的高效性、安全性和可持续性。

图2 采用双层次能源联络线结构前后的DG最大准入容量百分比

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作者及团队介绍

赵珊珊,女,中国电力科学研究院工程师。主要研究方向为配电网运行与控制、分布式电源和智能配电网等。发表SCI/EI论文7篇,申请国家发明专利2项和国际发明专利1项,获中国电力科学研究院科学技术进步一等奖1项,主要参与国家自然科学基金项目、国家电网公司科技项目多项。

作者所在研究团队长期从事配电和分布式电源领域的科研攻关工作,主要研究方向为智能配电网、分布式电源、自愈控制和仿真分析等。该团队先后承担了首批国家973计划项目、首批国家“十一五”科技支撑计划项目、国家自然科学基金、国家电网公司重点科技项目等30余项,承担网省电力公司科技合作项目数百项,并取得了丰硕的科研成果,共发表论文200余篇,出版专著20余部,获专利、软件著作权50余项,制修订技术标准80余项,获国家级、省部级科技奖20余项。