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分布式电源接入配电网方案选择研究  

2016-06-14 12:53:29|  分类: 变频技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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分布式发电产业的快速发展带来大量的分布式电源接入配电网工程,选择合适的接入方案是保证分布式电源可靠并网和安全运行的关键。通过对配电网网架现状、分布式发电密度、当地负荷情况等的综合分析,提出分布式电源接入配电网方案选择的一般原则和方法,并针对典型应用场景做出具体案例,为设计人员选择和制定分布式电源接入方案提供了有益参考。

  0引言

  近年来由于资源与环境带来的问题愈加突出,可再生能源技术得到了更多的关注与研究。根据国家能源发展规划,将以“推动能源生产和利用方式变革,调整优化能源结构,构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系”为目标。同时政策导向与资金扶持进一步促进了分布式发电产业的兴起,大量分布式电源接入系统工程正在不同程度地开展。在项目建设的各个环节中,接入方案的选择与制定对分布式电源和配电网的安全运行影响重大。分布式电源接入必将对配电网产生不同程度的影响,如何适应分布式发电的特性,降低其不利影响,充分发挥其技术、经济和环保优势,满足可持续发展的要求是当前研究的一大焦点。

  我国幅员辽阔,自然与经济状况地区差异大,因此配电网的技术水平也存在较大差别,对分布式电源接入的适应性不同;同时不同地区分布式发电(新能源)规划建设的规模和形式不同,设计中所面对的场景多变,给方案选择带来诸多影响因素。

  为此国家电网公司开展了相关专题研究并发布了分布式电源接入工程的典型设计,以指导接入系统工程设计。但是在典型设计应用中存在诸多理解和把握的差异性,导致了方案选择的困难。为了更好地实现分布式发电与配电网的协调发展,有必要对分布式电源接入配电网的方案选择进行系统的分析与研究,确定针对不同场景接入方案制定的原则和方法,以指导分布式电源接入方案的合理选择,保证配电网安全运行和分布式发电的充分消纳。

  1分布式发电消纳的影响因素

  研究分布式发电接入方式的目的在于促进其安全消纳,接入方案选择也需要从分析影响分布式发电消纳的因素入手。

  1.1配电网现状

  由于经济技术等多方面因素,配电网发展具有不平衡性,不同地区、城乡之间均存在较大差异。现在基于配电网现状来分析影响分布式发电消纳的因素,主要有网架结构、负荷特性等因素。

  1.1.1网架结构与参数

  网架结构与参数体现了配电网当前的供电能力,也直接影响分布式发电功率上送。在城市地区或经济发达地区,负荷需求大,网架相对坚强,表现为中压(10kV或 20kV)配电站布点密集,配电台区供电半径短,线路线径较大;同时网架成环,分段较多,具有转供电能力,部分地区采用双环网配置,运行方式更加灵活。上述条件使变压器出口到用户端的电压损失较小,在负荷的峰谷时段均满足电压要求;当分布式电源接入后,即使部分时段功率返送也能够保证电压不越限、线路及变压器等不过载,为分布式发电消纳提供充分条件。

  而在乡镇或偏远的农村,由于负荷密度小,在规划建设时即以相对经济的标准配置网架设备,一般情况下配电站布点稀疏,配电台区供电半径较大,线路线径较小;同时网架以辐射状为主,分段较少,不具有转供电能力,运行方式单一。上述条件使变压器出口到用户端的电压损失变化较大,在负荷高峰时段即存在低电压的风险;当分布式电源接入后,部分时段功率返送易导致末端电压抬升越限,甚至使线路及变压器满载或过载,产生运行风险,极大地限制了分布式发电的接入容量。

  1.1.2负荷分布与特性

  负荷特性与地区经济发展状况及负荷类型相关,城市商业办公区及高密度住宅区负荷需求较大,分布式电源接入后易就地消纳,返送几率小,而且分布式电源接入有助于缓解设备重载和电压损失。工业园区负荷密度同样较大,而且时变特性稳定,当分布式电源容量较小或发电特性易于预测时,较易分析判断极端运行状态并针对存在问题做出应对措施。而乡镇或偏远的农村地区负荷分散,以居民负荷为主,分布式电源接入用户后部分时段电力剩余,功率返送产生的电压升高容易使末端电压超过限制,危害用电设备安全,同时易导致线路、变压器等过载。

  1.2分布式电源接入情况

  分布式电源的发展速度、类型等因素同样影响着配电网对其消纳能力,必须考虑这一因素以进行方案的选择。

  1.2.1接入规模与密度

  在不同地区,分布式发电的开发水平和条件存在明显差异,使其发电规模和密度也不尽相同,需要具体分析。城市地区土地资源紧张,环境影响压力大,目前以发展建筑光伏、小型风电和小容量天然气多联供为主,规模和密度相对较小。乡镇或偏远的农村地区空闲土地丰富,适合开发中小型光伏电站(几十千瓦至几兆瓦)、小型风电场(兆瓦级)、中小型资源综合利用发电厂(兆瓦级)及户用光伏发电(几千瓦)等。同时受国家和地区政策影响,部分地区分布式电源具有较大开发规模,平均密度较大,如“光伏扶贫”工程。

 1.2.2分布式电源类型

  从目前分布式发电的发展形势来看,装机主要以光伏发电为主,占所有分布式发电的65%以上,资源综合利用占比约30%,其他类型仅为5%左右。光伏发电在大时间尺度上有较强的规律性而在短时具有随机性,随着发电功率预测技术的进步,已经能够对其发电进行预判。资源综合利用发电采用同步发电机形式并网,控制方式和手段均比较完备,而且发电资源可以存储,因此调度性好,可以适应电网的运行状态,为安全消纳创造条件。因此在接入设计中需要着重考虑发电具有随机特性的电源,分析存在的极端运行方式。

  1.3配电网智能化水平及规划发展情况

  随着配电网相关技术和设备水平的发展,微电网技术、直流配电技术、主动配电网技术等不断进步,动态无功补偿、潮流控制、能量管理器等设备设施逐步推广应用,在规划设计、运行控制和运营方式等方面正全面提高配电网对多元化负荷和分布式电源的接纳能力。

  随着配电网建设改造投资力度的加大,其薄弱环节正在逐步完善,在一次网架、设备设施、调度控制等方面逐渐获得提升。这为分布式电源接入提供了先决条件,对分布式发电开发和接入的中长期规划设计具有重要的参考价值,也是配电网与分布式发电协调发展的主要表现形式。

  2分布式电源接入方案选择原则和方法

  2.1接入方案选择原则

  2.1.1保证当前电网安全

  分布式电源接入不应对原有配电网的运行和用户正常用电带来不良影响,因此选择确定接入方案时应首先以保证当前本地区配电网的运行安全为依据。当接入容量或接入点的选择导致配电设备过载、用户端电压超标时必须调整接入方案或调整接入容量。

  2.1.2促进分布式电源就地消纳

  鼓励分布式发电的核心目的是充分利用其发电来满足当地负荷供电,以减少大规模输变电带来的电力损耗,同时大规模的功率返送对系统调度运行也将带来影响,因此分布式电源接入方案选择的第二原则为就地消纳。在方案选择时需要尽可能精确地测算发电与负荷的容量及时间特性,优先选择使发电能够在本配电台区或上一级变电站供电区域内完全消纳的方案。这一原则也体现为就近接入和灵活接入,在满足电网安全和保证消纳的基础上,可以充分利用附近配电网设施以方便灵活的方式接入,以减少接入投资和建设改造的工程量。

  2.2接入方案选择方法

  选择确定分布式电源接入配电网方案是一个统筹分析发电与电网情况,互相协调、不断适应的过程,可以参考以下主要步骤。

  1)分析分布式电源发展规模与地域分布。如采用集中电站模式(10kV或20kV)接入,则初步确定电站规模和位置;如采用380V(220V)低压接入,则根据发电分布和配电台区地理划分情况初步确定各台区包含的分布式电源装机容量。当不能确定分布式发电采用何种模式(中压集中或低压分散)接入时可以分别考虑不同方案类型。

  2)分析分布式发电的消纳方式和范围,计算校核配电网的适应性。根据当地负荷分布、负荷特性和发电容量、发电特性分析接入台区(变电站)可能产生的最大返送功率;当总发电能够消纳时还需要计算各段线路的潮流情况并分析电压分布;如存在较大返送功率需要定量计算此时各线路的最高电压和设备荷载情况。

  3)根据实际存在的问题调整接入方案。当分布式电源接入线路末端使电压不满足要求时可将并网点尽量向上级配电出口靠近以降低线路电压抬升;当设备容量不足时需要调整当前项目接入容量,分阶段并网并尽快开展配电网扩容改造。

3典型场景及接入案例

  3.1乡村光伏扶贫接入

  在国家相关政策的支撑下,光伏扶贫作为提高贫困地区人民收入的一种重要手段正在积极规划并开展实施,光伏扶贫工程具有接入规模大、发电功率密集、地区配电网相对薄弱等特点,同时当地负荷密度较小,使接入地区普遍存在功率返送的情况。针对这些特点并根据扶贫项目形式推荐采用以下接入方案。

  3.1.1户用光伏分散接入

  在光伏扶贫地区,当每户发电接入容量为2~3kW,剩余功率能够通过原有线路返送至配电变压器且电压满足要求时可以优先采用分散接入用户供电线路的方案,具有较少的投资和改造工程量。由于存在发电功率返送情况,当接入点在户表下方时需要将普通户表改造为双向记量表,当采用接入户表前端时可以不改造户表。典型的地理接线图见图1。

图1居民光伏分散接入地理接线图

  这种接入方案具有普遍适用性,同样可以适用于城市地区,在多户光伏发电小规模分散接入情况下采用。但是在工程设计中应注意光伏接入的三相平衡性,计算各相光伏接入容量,尽量保持容量三相均匀分布,保证用户的电能质量。

  3.1.2村级电站集中接入

  当光伏项目利用空闲土地或采用分散接入不满足电压和设备载流能力要求时,需要对发电进行汇集,采取集中接入的方案。根据发电规模、地理分布和附近配电网设备设施(配电站室、线路等)的情况,接入方式可以采用专线接入配电站室和T接于线路。电压等级可以根据规模选择10kV(20kV)或380V接入,参考容量为400kW以下380V接入,2MW以上10kV(20kV)接入,是否可行还需要根据电压计算与设备载流能力综合判断。典型的接入方案见图2和图 3。其中图2方案为光伏汇集并接入380V综合配电箱(配电室、箱式变压器等),图3方案为光伏升压后采用短线路就近接入10kV配电架空线路。

图2光伏发电专线接入380V综合配电箱


图3光伏发电T接入10kV线路

  对于T接方案,由于T接处未配置开关设备,还应注意光伏发电接入后的故障定位与隔离,防止发电侧短路导致整条线路停电。

  3.2城市区域多分布式电源

  城市地区配电网网架相对坚强,供电半径短,电压越限和设备过载问题很少,因此分布式电源接入方案应侧重方便性与灵活性,满足分布式发电就近接入、就地消纳的原则。当多种分布式电源同时接入时需要考虑其发电时变特性与调控性,对于有微电网建设改造和孤岛运行要求的用户要充分考虑能源综合利用和孤岛运行方式的可行性。光伏与分布式多联供发电接入用户配电系统的典型方案见图4。

图4分布式光伏与多联供发电接入用户配电网

  此接入方案设计要对用户与公共电网之间的开关设备配置完善的保护与自动化功能,如发电条件允许可考虑用户孤岛运行方式。

  4结语

  通过对影响分布式电源接入方式的因素进行分析,以保证电网供电安全、电能质量和就地消纳为原则,提出了分布式电源接入配电网方案选择及制定的一般方法和步骤。针对分布式电源接入城市和乡镇(村)的典型场景推荐了适应分布式发电发展模式和配电网现状的接入方案,为设计人员在实践中灵活应用典型设计提供参考。

  随着配电网及分布式发电在技术、设备方面的进步和配电网规划建设的大力开展,影响分布式电源接入的瓶颈将逐渐被突破,配电网接纳分布式电源的能力必将明显提高,微电网、虚拟发电厂等将成为分布式电源接入的主要载体。

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