農(nóng)村“煤改電”與分布式電源協(xié)調(diào)發(fā)展的配電網(wǎng)改造方案設計

1、1緒論1.1研究背景進入二十一世紀以來，以新能源技術為基礎的分布式電源得到大規(guī)模發(fā)展，其接入容量大幅增高。分布式電源有著經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，能改善電力系統(tǒng)的潮流分布，降低網(wǎng)損，提高效益，但因新能源分布式發(fā)電本身存在不穩(wěn)定性，大量的分布式電源并入電網(wǎng)后會明顯改變原有配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和短路電流，如果沒有經(jīng)過有效規(guī)劃，可能無法就地消納，甚至可能倒送功率到高壓電網(wǎng)上，給配電網(wǎng)帶來擾動，產(chǎn)生不良影響，甚至出現(xiàn)“棄光限電”等問題。同時，隨著“煤改電”工程在京津冀等北方地區(qū)的實施，農(nóng)村地區(qū)出現(xiàn)了大量的新增負荷，并且使采暖季的負荷曲線峰谷差加大，也給農(nóng)村原有配電網(wǎng)線路帶來較大壓力1。分布式電源和“煤改電”都具有著

2、經(jīng)濟、環(huán)保的特點，二者的發(fā)展對當今社會的發(fā)展至關重要。在當前背景下，影響“煤改電”工程中的電采暖設備和分布式電源這兩者發(fā)展的關鍵問題都十分類似前者是負荷可能過大影響供電，后者是發(fā)出電量可能無法消納，影響供電。解決問題的關鍵在于新增負荷與分布式電源之間的消納問題，解決了消納問題，就能使二者互相促進發(fā)展，最終推動電力產(chǎn)業(yè)的前進。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國外對分布式電源的研究中，風力發(fā)電起步較早。如丹麥是世界上發(fā)展風電最早的國家之一，其早在1950年就提出了發(fā)展風電，并在發(fā)展風電的過程中立法要求風電強制上網(wǎng)，制定相關規(guī)劃，鼓勵使用風電。到2017年，丹麥年風電裝機量突破5吉瓦，年風電發(fā)電量達

3、到了14.7太瓦時，占全發(fā)電比43.6%，創(chuàng)下了歷史新高。四面臨海的英國一直為海上風電吸引投資，在2015年還發(fā)行了基礎設施基金來支持其發(fā)展。到現(xiàn)在，英國是世界上最大的海上風電市場，海上風電裝機容量占全球的36%。美國在風力發(fā)電上的發(fā)展也是遙遙領先。由于風電的重要性和戰(zhàn)略意義，美國政府一直大力推行風電，從宣傳、立法到經(jīng)濟財政方面都對風電提供了支持，美國已經(jīng)在2015年成為了世界上最大的風電生產(chǎn)國，風電總裝機新裝機容量接近9000兆瓦，占美國新能源總裝機容量的41%。國外對分布式光伏發(fā)電的發(fā)展大致起始于20世紀末期，雖然相比風電起步較晚，但經(jīng)過多年研究，也已經(jīng)步入正軌。美國與歐洲各國于1997年

4、先后提出“百萬屋頂”計劃“在2010年前實現(xiàn)在100萬個建筑物的屋頂上安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)”，德國則進一步將發(fā)展目標設為“在六年內(nèi)安裝總?cè)萘吭?00至500兆瓦的十萬個屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)”1。隨著歐美等發(fā)達國家大力提倡適合家庭住戶安裝的分布式光伏電源，分布式光伏發(fā)電的安裝容量至今有了很大的提升。德國已有50%的家庭安裝了光伏發(fā)電，光伏發(fā)電總裝機容量已經(jīng)達到3660千瓦；澳大利亞有20%的家庭安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)。日本則對光伏發(fā)電的用戶提供了高昂的上網(wǎng)電價補貼，居民的上網(wǎng)補貼電價高達42日元/度，相當于人民幣2.57元，在過去七年中，日本的光伏產(chǎn)業(yè)裝機量呈現(xiàn)階梯式增長，到2017年時，累計裝

5、機量達到37.8吉瓦，占全日本發(fā)電量5.7%。在采暖方面，歐美國家于二十世紀三十年代開始推廣有環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等諸多優(yōu)點的電采暖，目前，美國等發(fā)達國家基本不再使用散煤，而是大量采用天然氣、電采暖設備來取暖。電采暖設備的使用率在挪威占90%，日本和韓國占80%，法國和瑞典占70%，美國和加拿大占50%。電采暖設備覆蓋普及率相當高，得益于政府對相關研究的大力推進、支持，以及國外環(huán)保運動的長期努力20。國內(nèi)研究現(xiàn)狀對于分布式發(fā)電的主要形式之一風力發(fā)電，我國國土開闊，風能儲量相當可觀，我國可供開發(fā)的風能約為20億千瓦，其中陸地風能約有5億千瓦，近海風能約有15億千瓦，故國內(nèi)近幾年來大力發(fā)展風力發(fā)電

6、。而風力發(fā)電因風能的周期性和不確定性，發(fā)出的功率也存在不確定性，這會給配電網(wǎng)帶來頻率偏移的電能質(zhì)量問題，此外風力發(fā)電機的投切過程中容易引起電壓波動、閃變。對于另一主要形式光伏發(fā)電，在20022008年，我國政府先后大力開展節(jié)能減排，促進可再生能源發(fā)展的工作，這一時期光伏發(fā)電受環(huán)境、技術等多方面因素限制，還以集中式光伏電站為主。隨著2009年“太陽能屋頂計劃”的實施，分布式的光伏發(fā)電的開始慢慢發(fā)展，再到2013年國家重視污染治理時，分布式光伏發(fā)電發(fā)展的速度再次加快。光伏發(fā)電的裝機容量持續(xù)上升，至2018年光伏發(fā)電總裝機容量達到1.3億瓦，其中分布式的占2966萬千瓦，相比2017年分布式光伏發(fā)電

7、裝機容量1022萬千瓦，有著巨大的增幅1。除去一般分布式發(fā)電可能對電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題，光伏電站還可能會引起孤島效應的問題。孤島效應指電網(wǎng)失電時，分布式光伏電站仍保持對失電電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。孤島現(xiàn)象會干擾電網(wǎng)的正常合閘，使得電網(wǎng)不能控制電壓和頻率，進而損壞配電設備和用戶設備2。國內(nèi)對于分布式電源和電采暖設備的研究相比國外起步較晚，在21世紀初相關研究進展較為緩慢。在2009年時，國家開始推動戶用分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，到2013年，隨著環(huán)保的呼聲增高，國家重視起污染治理，分布式光伏發(fā)電和“煤改電”工程隨之快速發(fā)展，向國外光伏發(fā)電、電采暖設備的高滲透率、高科研水平追趕3。在當前

8、背景下，“煤改電”工程中的電采暖設備和分布式電源這兩者之間存在著如何協(xié)調(diào)發(fā)展的問題，如何處理好新增負荷與新增分布式能源的平衡關系，是國內(nèi)有關學者正在研究的一大問題。1.3本文所做工作本文所做的工作主要包含三個部分：一是分析京津冀農(nóng)村配電網(wǎng)中分布式電源和“煤改電”工程采用的電采暖設備特性；二是分析分布式光伏電源的特性與并網(wǎng)接線；三是通過對農(nóng)村配電網(wǎng)進行仿真建模，分析電采暖設備和分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)的影響；四是對配電網(wǎng)的仿真潮流計算進行分析，得含電采暖設備和分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)改造方案?！懊焊碾姟彪姴膳O備2.1“煤改電”政策分析“煤改電”工程是用電采暖設備取暖來替代傳統(tǒng)的散煤取暖，以降低環(huán)境

9、污染。北京城市地區(qū)的“煤改電”工程早于2003年就開始，至2015年城市核心地帶完全實現(xiàn)無煤化。農(nóng)村地區(qū)工程則起步較晚，與2013年提出“清潔空氣行動”計劃，以城市地區(qū)的經(jīng)驗，向周邊農(nóng)村地區(qū)推行電采暖設備。河北天津等地近幾年也加快了“煤改電”工程的進度，為了更快地推行農(nóng)村地區(qū)的改造工作，政府提出了對采暖設備和采暖用電的補貼3。在北京，對大部分類型的電采暖設備，政府提供取暖面積每平方米100元的安裝補貼，并在采暖季內(nèi)提供夜間低谷電價，同時還有10000千瓦時限額的0.1元/千瓦時的谷電補助。在天津，購置電采暖設備的價格一般由政府全額承擔，另外也提供采暖季谷電補助，在谷電較低電價的基礎上，補貼0.

10、2元/千瓦時，限額8000千瓦時。河北的“煤改電”用戶可獲得設備安裝成本的85%補貼，根據(jù)地區(qū)的不同，上限由5000元到7500元不等，較其它地區(qū)較小，而對電費的補貼則接近于北京和天津的水平?？傮w而言，補貼的水平是可觀的，使居民們在經(jīng)濟上對“煤改電”沒有后顧之憂，但可以估計，較大的補貼幅度可能會使政府財政吃緊，有可能隨著工程的推進，補貼幅度在數(shù)年后會逐漸下降。“煤改電”工程推行的成果是可觀的，但執(zhí)行上也出現(xiàn)了一些問題。個別地區(qū)為加快完成工程任務指標，燃煤設施已經(jīng)拆除但電采暖設備未安裝到位的情況，導致了住戶“無暖可采”的情況出現(xiàn)。此外，還有安裝設備時規(guī)劃工作未做到位，導致電力負荷快速增加，影響電

11、力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在晚間采暖高峰期尤為明顯。還有一些地區(qū)政府在執(zhí)行改造工作時，因缺乏資金，只能給安裝分布式電源的企業(yè)“打白條”，而個別政府拖欠款項時間較長，使得企業(yè)的資金運轉(zhuǎn)困難，也影響政府的公信力?！懊焊碾姟彪姴膳O備特性分析電采暖設備的種類很多，目前在“煤改電”中可以采用的有直熱式電采暖、蓄熱式電采暖、空氣源熱泵、對流式電采暖、地源熱泵等。要研究電采暖設備對京津冀農(nóng)村配電網(wǎng)的影響，就要分析其負荷特性，估測出適合當?shù)鼐用褡≌┡枨蟮脑O備容量4。由住戶供暖所需熱量來估測設備容量的公式為下方公式（2-2-1）公式（2-2-3）：FP（2-2-1）t其中：F是單位面積在一個采暖季期間采暖所需用電

12、量，單位kW；P為所選電采暖設備總功率，單位kW；t為電采暖設備在一個采暖季內(nèi)的實際工作時間，單位為小時。OKICOP2-2-2)其中：Qn是采暖設計熱負荷指標，單位kW/m2；Kn是熱負荷系數(shù)；t是采暖季總時長，單位為小時；COP為電采暖設備能效比。COP=Qh(2-2-3)W其中：Qh為電采暖設備的制熱量，W為設備的輸入功率。COP值越大，代表該電采暖設備-能量轉(zhuǎn)換效率越高。根據(jù)京津冀地區(qū)農(nóng)戶的情況，設一般住戶取暖面積為100平方米，建筑設計熱負荷指標為0.07kW/m2,熱負荷系數(shù)取0.6,采暖季共4月，計120天。現(xiàn)行采暖季夜間谷電時間為當日20:00到次日早上7:00,谷電價格在京津

13、冀地區(qū)有出入，但大體接近，本文取日間電價0.53元/kWh,夜間谷電電價0.35元/kWh,并選取蓄熱式電采暖和空氣源熱泵兩種常用的電采暖設備作為分析實例56。直熱式電采暖直熱式電采暖設備的工作原理十分簡單，是利用電流的熱效應在電阻絲上產(chǎn)生的熱量來給房間取暖，常見的類型有直熱式電鍋爐和直熱式地熱采暖。由于是通過電流的熱效應直接供暖，該類設備的能效比剛好為1。根據(jù)直熱式電采暖的特點和公式(2-1)公式(2-3)，計算可得：一個采暖季單位面積采暖用電為105.84千瓦時，單日采暖需用電176.84千瓦時，設備所需功率為7千瓦。據(jù)此數(shù)據(jù)，選擇輸入功率為7.35kW(10P)的直熱式電采暖設備一臺。通

14、過上述數(shù)據(jù)，對直熱式電采暖的經(jīng)濟性進行計算，得到下表：表2-1直熱式電采暖費用成本/元電費/元谷電補貼/元5000平電：3205635谷電：2117蓄熱式電采暖蓄熱式電采暖是一種能夠在供暖時蓄熱，在停止加熱的時間內(nèi)利用儲存的熱量來繼續(xù)供熱的電采暖設備。該類電采暖可以利用夜晚期間價格較為便宜的谷電進行蓄熱，白天放熱，從而實現(xiàn)移峰填谷”，節(jié)約運行費用并減小負荷曲線的峰谷差。圖2-2-1為含蓄熱式電采暖設備負荷情況根據(jù)蓄熱式電采暖的工作設計，工作時間取夜間19:00至次日7:00共12個小時，能效比COP取0.95，經(jīng)計算可得：一個采暖季單位面積所需采暖用電量為58.36kWh,單日采暖需用電量為1

15、76.84kWh,設備所需功率為14.73kW。根據(jù)計算，選取設備為輸入功率為2.4kW的機組共六臺。經(jīng)濟性計算見表：表2-2蓄熱式電采暖費用成本/元電費/元谷電補貼/元3200X6=19200平電：281谷電：20431000空氣源熱泵空氣源熱泵是近年來新興的一種電采暖設備，它可以把空氣中的熱量經(jīng)熱泵的壓縮機帶入室內(nèi)來取暖，特點是能效比高，經(jīng)濟實惠，是“煤改電”工程中大力推行的一種電采暖設備。，帶有智能調(diào)控電路的變頻空氣源熱泵更可以根據(jù)室內(nèi)溫度自行調(diào)節(jié)功率，從而節(jié)省電能。圖2-2-2為含空氣源熱泵設備負荷情況下，采暖季某一天的負荷曲線67。一個采暖季單位面積采暖用電為30.24kWh；個采暖

16、季共需采暖用電為10610kWh；單日采暖所需用電：88.42kWh；設備所需功率：7.36kWh。設備選型為輸入功率為7.35kW(10P)的空氣源熱泵機組一臺。經(jīng)濟性計算見表：表2-3空氣源熱泵費用成本/元電費/元谷電補貼/元15300平電：1069谷電：3533532.3本章小結(jié)可以看出，在用作算例的三種采暖設備中，直熱式電采暖較蓄熱式電采暖和空氣源熱泵成本低廉，但因能效比低，且使用平電較多，在運行電費上遠不如蓄熱式電采暖和空氣源熱泵。同時，直熱式電采暖不具備蓄熱式電采暖的“移峰填谷”的能力，在負荷調(diào)控上無法起到正面作用。蓄熱式電采暖和空氣源熱泵雖成本較高，但由于政府對煤改電設備的補貼幅

17、度較大，實際安裝成本對農(nóng)村居民來說并不是很高。因此，“煤改電”工程中不推薦使用直熱式電采暖，在北京地區(qū)更是直接禁止使用?！懊焊碾姟惫こ绦略龅碾姴膳O備平均負荷大都高于農(nóng)村居民日常生活負荷，該類負荷大量增加必將影響配電網(wǎng)。為做到“移峰填谷”，可推廣一定數(shù)量的蓄熱式電采暖，但從經(jīng)濟性上看，空氣源熱泵是最佳選擇。當前“煤改電”工程中，設備的選取是以空氣源熱泵為主，蓄熱式電采暖為補充的考慮來進行的。分布式光伏電源分析目前生活中，主要投入使用的分布式電源有風力發(fā)電機、光伏電池、小型燃料發(fā)電機等。其，分布式光伏電源有可安裝在住戶屋頂?shù)男⌒托吞?，且屬于環(huán)境友好型分布式電源，因此，在農(nóng)村地區(qū)，分布式光伏電源更

18、為普及，本文就以分布式光伏電源為例討論分布式電源與煤改電負荷在京津冀農(nóng)村地區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展。分布式電源發(fā)展政策分析近幾十年來化石能源的大量開采和使用，世界能源儲備正急劇減小，導致環(huán)境污染和溫室效應也更為嚴重。同時，我國能源分布十分不均衡，大量能源儲備在位于西部的內(nèi)陸里，而隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國東部與南部出現(xiàn)大量新增負荷，遠距離輸送電能的損耗使得經(jīng)濟效益受到削減。分布式電源因能有效解決化石能源儲備不足和損耗的問題，得到了國家的大力支持。我國在“十二五”會議上提出大力發(fā)展以可再生能源為基礎的分布式電源，大力推進相關科研工作，同時，在政策上，國家對安裝分布式電源的用戶提供了技術幫助和經(jīng)濟補貼，并簡化了相關的

19、手續(xù)。近幾年在政策的引導下，分布式電源得到大幅發(fā)展，總裝機量大幅提高1。按照今年分布式光伏電源的補貼政策，對戶用型分布式光伏電源用戶的上網(wǎng)電量補貼為每千瓦時0.18元，對采用非戶用型分布式光伏發(fā)電用戶，給予的補貼為每千瓦時0.1元。補貼的幅度相比過去一兩年有些許下降，但國家鼓勵各地出臺針對性的扶持政策來支持相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。政府補貼幅度出現(xiàn)放緩的趨勢，可能是因為部分地區(qū)分布式電源容量已趨于飽和，分布式電源發(fā)出的電能無法有效地被當?shù)刎摵删徒{吸收，出現(xiàn)電能過剩、終端電壓偏高的現(xiàn)象8，導致用戶不得已而“棄光限電”。但整體而言，我國的分布式發(fā)電仍有較大發(fā)展空間，國家仍在積極地對分布式電源發(fā)展提供支持。

20、分布式光伏電源在發(fā)展的同時也存在著一些問題，比如分布式電站的選址定容方式不夠科學影響效益；農(nóng)民維權(quán)意識提高，建設分布式光伏電站時因征地和農(nóng)民存在矛盾；屋頂施工安裝分布式電源的過程不妥當，有安全隱患；部分地區(qū)的管理不善，使得分布式光伏電源運行狀況出現(xiàn)問題；此外，上文提到的“棄光限電”也是分布式光伏電源發(fā)展過程中的典型問題之一。分布式光伏電源特性分布式光伏電源的輸出功率特性表達式如下式（3-2-1）到（3-2-3），P二P4y1+a（T-T）（3-2-1）dmstcITdmstcstc式中，Pdm光伏發(fā)電每日最大輸出功率，單位為w；Pstc為標準條件下光伏發(fā)電的輸出功率;Istc是標準條件下太陽輻

21、射強度，為1000W/m2；Tstc為標準溫度，為25C；a為功率溫度因數(shù),單位是/K；Iday為典型日單日太陽輻射強度，單位是W/m2；Tdm為光伏電源單日最高溫度，C。day1+0.033cos3-2-2）式中：S0為太陽常數(shù)，為1367W/m2；N為日序，與選定的典型日有關。綜合式（3-2-1）和（3-2-2）可知，在理想狀態(tài)下，影響光伏出力的主要因素有單日太陽輻射強度和溫度。一般情況下，太陽輻射強度Id只與日地之間的相對位置有關，即在同一天內(nèi)可看做常數(shù)，所以分布式光伏電源在理想狀態(tài)下，輸出功率和溫度成正比，其理想輸出功率特性曲線應圖3-2-1分布式光伏電源理想出力圖實際情況中，分布式光

22、伏電源經(jīng)常因天氣等原因（如陰雨天、多云），所發(fā)功率并未達到設計上的最大值。實際運行中，光伏電源的輸出功率曲線更接近于圖3-2-2的形式，因個別時刻無法滿發(fā)，曲線上有著數(shù)個“谷”的形狀。圖3-2-2為甘肅地區(qū)四塊光伏電池板在冬季一天的即時功率圖，額定總功率為：4X320=1280W，當天總發(fā)電量為3.77kWh。甘肅地區(qū)和京津冀地區(qū)日照條件類似9，因此該曲線可看做京津冀地區(qū)分布式電源的即時功率曲線。圖3-2-2分布式光伏電源實際出力圖分布式光伏電源接入農(nóng)村配電網(wǎng)典型接線方式分析分布式電源接入農(nóng)村配電網(wǎng)的接線方式，總體可以分為三種類型，一是分布式電源通過專用開關設備接入配電網(wǎng)，如通過專用的變壓器、

23、配電室母線、開閉站，和環(huán)網(wǎng)柜，也就是所謂的“專線接入”二是分布式電源在接入點沒有通過專用開關設備，通過T型接線直接接入配電網(wǎng)，也稱作“T接接入”；三是接入用戶內(nèi)部的供電線路10根據(jù)具體接入點、并網(wǎng)點處設計和裝機容量的不同，還可細分出多種不同的接線方式，本文以文獻9-11中給出的分布式光伏電源的典型并網(wǎng)接線形式為例進行討論分析。3.3.1接入中壓配電網(wǎng)圖3-3-1是型號為XGF10-T-1的單點接入接線方式。在該接線方式中，分布式光伏電源在使用電壓等級為10/0.4kV的升壓變壓器升壓并網(wǎng)后，經(jīng)過10kV的專線接入到變電站的10kV公共母線上。該類接線方式直接連接母線，因此適合采用全額上網(wǎng)計費方

24、式，且裝機容量容量較大的分布式電源，一般為1MW到6MW。圖3-3-1XGF10-T-1接線圖圖3-3-2的接線方式型號為XGF10-T-2,該接線方式類似于XGF10-T-1，分布式光伏電源經(jīng)電壓等級為10/0.4kV變壓器升壓后，通過10kV的專線接入10kV配電網(wǎng)的公共部分中，但公共連接點位于配電室母線、箱變母線、開閉站和環(huán)網(wǎng)柜等設施，一般裝機容量為400kW到6MW。圖3-3-2XGF10-T-2接線圖公共電網(wǎng)開關站、環(huán)網(wǎng)室（箱）、配電室或箱變10kV母線11并網(wǎng)點_光光1伏站公共連接占圖3-3-3的接線方式型號為XGF10-T-3,該方式中分布式光伏電源經(jīng)過10kV/0.4kV電壓等

25、級的變壓器升壓后通過T接接入到公共電網(wǎng)10kV線路上。在此種接線方式下，對應線路的主接線形式應為線變組或單母線接線，一般光伏裝機容量為400kW到2MW。公共電網(wǎng)變電站10kV母線圖3-3-3XGF10-T-3接線圖圖3-3-4和圖3-3-5的接線圖是型號為XGF10-Z-1的接入配電網(wǎng)的接線方式的兩種不同方案分布式電源在這兩種方案中，均通過接入用戶本身所在的10kV配電網(wǎng)母線，再接入公共電網(wǎng)的10kV母線或輸電線上。此種接入方式下的光伏裝機容量一般在400kW到6MW之間。圖例斷路器口斷路器或負荷開關公共電網(wǎng)變電站10kV母線公共電網(wǎng)10kV線路公共連接點圖3-3-5XGF10-Z-1接線圖

26、（方案二）圖例斷路器斷路器或負荷開關圖3-3-4XGF10-Z-1接線圖（方案一）接入低壓配電網(wǎng)圖3-3-6是型號為XGF380-T-1的接線方式的線路圖，分布式光伏電源通過380V的專用線路，直接接入380V公共配電網(wǎng)的線路，一般適用于采用全額上網(wǎng)計費方式、裝機容量低于100kW的分布式光伏電源。圖3-3-6XGF380-T-1接線圖圖3-3-7是XGF380-T-2接線方式的線路圖，該接線方式類似于XGF10-T-2,分布式光伏電源通過380V的專用線路接入380V配電網(wǎng)的配電室、箱變或桿塔的母線。此種接線方式一般用于采取全額上網(wǎng)結(jié)算的，容量在20kW到400kW之間的分布式光伏電源。11

27、并網(wǎng)點一并網(wǎng)銭器1公共電網(wǎng)配電室、箱變或柱上變.壓器380V母線.公共連接點一圖例斷路器熔斷器式隔離開關圖3-3-7XGF380-T-2接線圖XGF380-Z-1接線方式包含兩種不同接線方案，對應圖3-3-8與圖3-3-9。分布式光伏電源直接接入低壓380V的配電箱或線路，對應線路的主接線形式為380V單元或單母線接線，主要適用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”結(jié)算形式，裝機容量一般在8kW以下。斷路器380/220V配電箱、380/220V架空線斷路器/負荷開關/熔斷器式隔離開關380/220V用戶公共連接點圖例圖3-3-8XGF380-Z-1接線圖（方案一）圖例斷路器斷路器負荷開關熔斷器式隔離開關圖3

28、-3-10是XGF380-Z-2接線方式的接線圖，分布式光伏電源直接接入用戶的380V母線,適用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”結(jié)算方式，參考裝機容量在20kW到400kW之間。公共連接點-公共電網(wǎng)10kV母線IIT用戶內(nèi)V部負荷用戶380V母線并網(wǎng)點光光伏占用戶內(nèi)部負荷圖例斷路器斷路器/負荷開關/熔斷器式隔離開關圖3-3-11XGF380-Z-2方案一次系統(tǒng)接線示意圖專線接入通常是給容量較大的分布式電源使用，常見的例子是通過專用的升壓變壓器接入農(nóng)村配電網(wǎng)中的中壓部分。由于通過了專用的開關設備，能相對有效地監(jiān)控分布式電源的并網(wǎng)狀況，在發(fā)生故障時能有效保護設備和線路，但相對的因投入了專用保護設備，建造和維

29、護成本相對較高。T接接入的方式?jīng)]有配備專用的開關，因此成本較專線接入的方式低，但對電力系統(tǒng)的負面影響可能會變大，因此，此類并網(wǎng)方式常用于本身不易對電力系統(tǒng)造成波動的小容量分布式電源。此外，按照分布式電源接入的電壓等級14。根據(jù)各個接線形式的情況，一般容量較大的分布式光伏電源如光伏電站，可采用XGF10-T系列接線方式；相對容量較小的農(nóng)村集體光伏電站根據(jù)具體情況，可采用XGF10-Z-1接線方式或XGF380-T系列接線方式;安裝在家庭屋頂?shù)男⌒蛻粲梅植际诫娫催m宜采用XGF380-Z系列接線，或是多戶集中在一起采用XGF380-T接線方式供電。含分布式電源與“煤改電”負荷的配電網(wǎng)算例分析4.1分

30、析內(nèi)容與方法“煤改電”工程新增的電采暖設備平均負荷大都高于農(nóng)村居民日常生活負荷，因此，有必要預測在新增負荷下的配電網(wǎng)潮流狀況，計算電壓水平和損耗大小，為配電網(wǎng)改造和分布式電源規(guī)劃分析提供數(shù)據(jù)支持13。4.2配電網(wǎng)的改造在電力系統(tǒng)接入大量電采暖設備的負荷，電網(wǎng)出現(xiàn)波動的可能性大幅提高，在大量功率較高的電采暖設備同時開啟時，線路損耗會增大，電壓幅值可能會明顯下降，甚至超出電壓偏移允許范圍。因此對于設計老舊的配電網(wǎng)，需要進行相關改造，最基本的是更換較大截面積的線路和較大容量的變壓器，以提高線路的容量和輸電水平13。根據(jù)經(jīng)濟電流密度法選擇截面積的公式如下1415：S=Z(4-2-1)jj其中：S.為導

31、線最小截面積，單位為mm2；I為計算電流，單位為A；j為經(jīng)濟電流密度，單位為A/mm2。I二一(4-2-2)v3Ucos申其中：P為導線截面積，單位為kW；U為，單位為kV；cos為功率因數(shù)，本文假設各節(jié)點經(jīng)有效的補償后功率因數(shù)都按電網(wǎng)運行要求達到了0.9。選擇變壓器的容量公式如下：PS=(4-2-3)Tcos申其中：ST為變壓器容量，單位為KVA；P為所帶負荷的有功功率，單位為kW；j為經(jīng)濟電流密度，單位為A/mm2；cos為功率因數(shù)，本文取0.9；同時，選擇變壓器容量時還可考慮負荷同時率及變壓器經(jīng)濟運行系數(shù)，因二者可取同一值從而互相抵消，故此處略去。選定變壓器容量及型號后計算變壓器阻抗參數(shù)

32、，見以下公式(4-2-4)和(4-2-5)：4-2-4)4-2-5)PU2KN-1000S2nUU2X=K%N100Sn其中：Pk為負載損耗，單位為kW；UK%為阻抗電壓百分數(shù)；SN為變壓器額定容量，單位為MVA；UN為變壓器額定電壓，單位為kV。“煤改電”與分布式電源協(xié)調(diào)發(fā)展分析根據(jù)用戶負荷曲線圖2-2-2，采暖季住戶負荷從早上7點起逐漸上升，在8點至9點之間達到一次峰值后略有下降；負荷曲線在中午12點至13點間達到第二次峰值，也是每天負荷曲線的最大值，此時居民一般非電采暖負荷約為22.5kW/戶，空氣源熱泵負荷約為45kW/戶，蓄熱式電采暖一般此時不在工作。根據(jù)以上數(shù)據(jù)先預測得到各節(jié)點含電

33、采暖設備的負荷后，在已知配電網(wǎng)線路參數(shù)的基礎上，采用前推回代的程序計算方法來計算潮流，得到各節(jié)點的電壓幅值，從而利用節(jié)點電壓和節(jié)點功率來計算各支線損耗。在得到“煤改電”負荷的潮流計算結(jié)果后，為研究“煤改電”與分布式電源的協(xié)調(diào)發(fā)展，基于前述的配電網(wǎng)模型的基礎上，對不同的節(jié)點上接入分布式光伏電源的多種方案進行建模仿真分析，同時結(jié)合太陽能電池板的功率曲線，再進行一次潮流計算16。本文根據(jù)分布式光伏電源一天中發(fā)出功率最大的中午12:00到13:00間的某一時刻進行計算，以檢驗其消納能力17。4.3.1中壓配電網(wǎng)圖4-3-1為用于計算的中壓配電網(wǎng)拓撲建模，采用開環(huán)運行的輻射網(wǎng)結(jié)構(gòu)，共有11個節(jié)點，10條

34、支路，節(jié)點負荷預測參數(shù)見表4-3-118。同時，考慮到未來出現(xiàn)新增負荷的可能性，線路規(guī)劃的截面積應留取一定裕量，稍大于計算結(jié)果27。根據(jù)公式（4-2-1）到（4-2-3）的計算，綜合考慮后選定線路型號JKLYJ-10/150,單位長度電阻電抗分別為0.206Q/m和0.382Q/m。輸入?yún)?shù)后，通過計算機程序利用前推回代法，算得潮流數(shù)據(jù)，見表4-3-2。公共電網(wǎng)10kV母線(丿52340178C9圖例負荷節(jié)點?6圖4-3-110kV線路拓撲結(jié)構(gòu)表4-3-1節(jié)點負荷預測情況節(jié)點編號用戶數(shù)選裝空氣源熱泵用戶數(shù)有功負荷/MW無功負荷/Mvar130100.0920.078240200.4930.10

35、7335250.3660.097450300.3810.136525200.8190.071630150.1870.080745350.7110.126830251.0300.085935301.0440.1001010100.0300.069表4-3-210kV線路潮流計算數(shù)據(jù)支路流經(jīng)節(jié)點有功功率/MW無功功率/Mvar末節(jié)點電壓/kV電壓偏差/%損耗功率/kW0-11.3570.65710.474.821.9061-21.0730.51910.364.046.4472-30.7350.35610.313.612.2613-40.1830.08810.293.530.1451-50.2150

36、.10410.434.580.4275-60.0930.04510.424.540.0182-70.2130.10310.343.870.3663-80.3980.19310.232.751.8858-90.1830.08810.212.500.4048-100.0630.03010.232.730.009注：表中損耗為上一節(jié)點到該節(jié)點的支路上產(chǎn)生的損耗，下同假設在用作算例的10kV配電網(wǎng)模型上接入一額定容量為500kW的分布式光伏電源，考慮到太陽能電池板一般無法處于滿發(fā)狀態(tài)，本文取圖的功率曲線中正午時刻峰-谷值間的平均值，即額定功率的80%，作為算例中分布式電源實時功率值。根據(jù)容量和接入的電

37、壓等級，判斷可采用XGT-10-T-2或XGT-10-T-3接入方式。表4-3-3到4-3-4為其接入不同節(jié)點后系統(tǒng)運行的潮流計算結(jié)果19-2。2表4-3-310kV線路節(jié)點1加裝分布式電源后的潮流支路流經(jīng)節(jié)點有功功率/MW無功功率/Mvar末節(jié)點電壓/kV電壓偏差/%損耗功率/kW0-10.9580.46410.4904.900.9491-21.0730.51910.4264.266.4412-30.7350.35610.3943.942.2593-40.1830.08810.3853.850.1451-50.2150.10410.4664.660.4275-60.0930.04510.46

38、14.610.0182-70.2130.10310.4094.090.3663-80.3980.19310.3403.401.8838-90.1830.08810.3153.150.4038TOO.O63O.O3O1O.3393.39O.OO9表4-3-410kV線路節(jié)點3加裝分布式電源后的潮流節(jié)點編號有功負荷/MW無功負荷/Mvar節(jié)點電壓/kV電壓偏差/%損耗功率/kWO-1O.952O.4611O.49O4.9OO.9381-2O.672O.3251O.45O4.5O2.5162-3O.336O.1631O.4354.35O.4683-4-O.216-O.1O51O.4454.45O.2

39、O21-5O.215O.1O41O.4664.66O.4275-6O.O93O.O451O.4614.61O.O182-7O.213O.1O31O.4334.33O.3643-8O.398O.1931O.3823.821.8688-9O.183O.O881O.3573.57O.4OO8-1OO.O63O.O3O1O.38O3.8OO.OO9表4-3-510kV線路節(jié)點6加裝分布式電源后的潮流節(jié)點編號有功負荷/MW無功負荷/Mvar節(jié)點電壓/kV電壓偏差/%損耗功率/kWO-1O.958O.4641O.49O4.9OO.95O1-21.O73O.5191O.4264.266.4412-3O.73

40、5O.3561O.3943.942.2593-4O.183O.O881O.3853.85O.1451-5-O.184O.O891O.51O5.1OO.3O95-6-O.3O6O.1481O.5245.24O.1962-7O.213O.1O31O.4O94.O9O.3663-8O.398O.1931O.34O3.4O1.8838-9O.183O.O881O.3153.15O.4O38-1OO.O63O.O3O1O.3393.39O.OO9比較三種不同接入點的方案，首先可以看出有功功率損耗得到了改善，節(jié)點間的電壓損失也有所減少。但在抗擾動能力較差的輸電線支線末端的節(jié)點6接入分布式光伏電源時，支線上

41、的節(jié)點5、6電壓水平超出5%的限額，不符合電網(wǎng)規(guī)定，因此不采用。而對比節(jié)點1、節(jié)點3接入的情況，在節(jié)點3接入情況下的有功損耗較小，且整體電壓偏差浮動較小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定24。低壓配電網(wǎng)對某一低壓臺區(qū)的380V配電網(wǎng)進行建模，并計算其潮流。該臺區(qū)共10節(jié)點，主干線上共4個連接點，分支線上共6個節(jié)點，其中負荷節(jié)點有6個，為節(jié)點2、3和節(jié)點5至9，最大負荷為170kW。根據(jù)公式(4-3-1)到(4-3-3)的計算，最終選定該臺區(qū)主干線采用JKLYJ-150，單位長度電阻電抗分別為0.206Q/m和0.382Q/m；分支線采用JKLYJ-70,單位長度電阻電抗分別為0.443Q/m和0.315Q/m；變

42、壓器選型S11-200/10，查表得變壓器負載損耗、空載損耗分別為2.6kW和0.325kW，阻抗電壓百分數(shù)為4.0，額定容量0.2MVA，額定電壓取二次側(cè)電壓0.38kV，根據(jù)公式(4-3-4)和(4-3-5)計算得電阻為0.009386Q，電抗為0.02888Q。圖4-2-1為線路拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點4為本身不帶負荷的公共連接點。表4-3-1到表4-3-3分別為負荷預測數(shù)據(jù)、線路參數(shù)和線路潮流計算結(jié)果：657C六9圖4-3-2380V線路拓撲結(jié)構(gòu)表4-3-5380V線路節(jié)點負荷預測節(jié)點編號用戶數(shù)選裝空氣源熱泵用戶數(shù)有功負荷/MW無功負荷/Mvar2220.0100.0053540.0220.01

43、15320.0140.0076110.0060.0037220.0120.0068420.0150.0079110.0050.002表4-3-6380V線路潮流計算支路所經(jīng)節(jié)點有功功率/kW無功功率/kVar末節(jié)點電壓/kV電壓偏差/%損耗功率/kW0-10.1690.0820.39463.842.12241-20.0700.0340.38841.531.27212-30.0220.0110.38770.790.10071-40.0460.0220.39203.370.26264-50.0140.0070.39103.110.03144-60.0060.0030.39093.290.00384

44、-70.0120.0060.39123.160.02052-80.0200.0100.38741.260.03698-90.0050.0020.38711.180.0037根據(jù)表4-3-2，可以看出線路的電壓偏移在規(guī)定的正常標準內(nèi)運行，未超過7%。對于380V配電網(wǎng)，接入的分布式電源一般形式都是安裝在居民住戶屋頂?shù)男⌒凸夥姵匕澹∫话憔用褡≌嫉?00平方米，住戶使用約50%的屋頂面積來安裝光伏電池板，即50平方米23。一般光伏電池板每千瓦功率所需安裝面積為10平方米，故本文假設算例中每個住戶屋頂上各安裝了5kW的太陽能光伏電池板，全臺區(qū)總裝機容量約為lOOkW。同時，根據(jù)前文所述，該容量的

45、分布式電源可以采用直接接入380V用戶配電網(wǎng)，或是集中升壓接入380V配電網(wǎng)公共部分后再分別向各用戶供電，根據(jù)上一節(jié)中對中壓配電網(wǎng)的計算，分布式電源不適宜接入在抗擾動能力較差的支線末端，故取節(jié)點1和2分別作為集中接入的分布式光伏電源的公共連接點進行計算2526。分別對上述不同接線情況進行仿真建模潮流計算，得結(jié)果如表4-3-1到4-3-3。表4-3-1分布式電源分散式接入380V線路潮流支路所經(jīng)節(jié)點有功功率/kW無功功率/kvar節(jié)點電壓/kV電壓偏移/%損耗功率/Kw019.54.60.39945.110.02431-24.72.30.39874.920.00842-32.01.00.3984

46、4.840.00081-44.72.30.39915.030.00554-5-1.3-0.60.39925.050.00034-62.01.00.39905.000.00044-74.01.90.39894.970.00222-80.70.40.39864.890.00008-92.01.00.39854.870.0006表4-3-2分布式電源集中式接入380V線路節(jié)點1潮流支路所經(jīng)節(jié)點有功功率/kW無功功率/kVar末節(jié)點電壓/kV電壓偏移/%損耗功率/kW015.42.60.39935.080.00211-252.125.30.39062.790.67972-322.010.70.3879

47、2.080.09821-432.115.50.39754.610.12454-514.06.80.39664.370.03074-66.02.90.39734.550.00374-712.05.80.39684.420.02002-820.09.70.38962.530.03608-95.02.40.38932.450.0036表4-3-3分布式電源集中接入380V線路節(jié)點2潮流支路所經(jīng)節(jié)點有功功率/kW無功功率/kVar末節(jié)點電壓/kV電壓偏移/%損耗功率/kW014.82.30.39945.110.00211-2-27.5-13.30.40265.950.67972-322.010.70.

48、40005.260.09821-432.115.50.39774.660.12454-514.06.80.39674.390.03074-66.02.90.39744.580.00374-712.05.80.39694.450.02002-820.09.70.40175.710.0360895.02.40.40145.630.0036對比得到的計算結(jié)果，三種不同的分布式光伏電源接入方案中，電壓偏移都在低壓電網(wǎng)規(guī)定的7%范圍內(nèi)，但集中接入節(jié)點1時，各節(jié)點的電壓偏移數(shù)值離散度明顯大于其它方案，系統(tǒng)相對不穩(wěn)定。集中接入節(jié)點2和分散接入各戶的方案中，集中接入節(jié)點2的方案損耗最低。4.4本章小結(jié)在得到上

49、述的計算結(jié)果后，可以得知，若接入合適容量的分布式光伏電池板，在保證其能正常消納時，能有效改善潮流，降低有功損耗和電壓損失?？偨Y(jié)和展望由于分布式電源本身的不確定性和電采暖設備特殊的負荷特性，二者對配電網(wǎng)的波動影響都是十分明顯的，但在合理的規(guī)劃下，二者的影響可以互相抵消，使電源發(fā)出的電能可以就地消納，以減小對電力系統(tǒng)的沖擊，提高電能輸送的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。因此，對于二者的功率、負荷預測是十分必要的。本文的主要成果有：分析了常見電采暖設備的負荷特性，空氣源熱泵的裝設會使原有負荷曲線達到峰值的時間后移，而蓄熱式電采暖則有著較好的“移峰填谷”的能力。還可以看出在成本與運行費方面上，空氣源熱泵要優(yōu)于蓄熱式電

50、采暖。分析了分布式光伏電源的多種接線方案的特性及優(yōu)缺點，得出其適合的光伏電源的類型與裝機容量。利用數(shù)學建模仿真，對10kV和380V的中、低壓配電網(wǎng)線路進行了差異化的計算分析，計算了不同節(jié)點安裝了不同的電采暖設備后，分別體現(xiàn)出的負荷特性。在含接入分布式電源后，對比采用不同分布式太陽能電池的接入方案時網(wǎng)絡的有功損耗、電壓偏差水平，得出較優(yōu)的方案規(guī)劃。由于水平和時間有限，本文的工作尚有很多可以深入繼續(xù)的部分，可以在后續(xù)時刻進一步進行：未考慮功率曲線特性更為復雜的分布式風力發(fā)電和其它類型的電采暖設備，研究不能完全體現(xiàn)實際的分布式電源、電采暖設備在電網(wǎng)中的分布情況。對中、低壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、拓撲理解不深，未能模擬出一個更為精細、