与光伏并网相关的地区电网评价指标

国网合肥供电公司 唐庆鹏

合肥工业大学电气与自动化工程学院 张 楠

国网合肥供电公司 谈 韵 陈 晨 万 顺

光伏发电并网容量快速增加，对地区电网负荷性质、电能质量、输电安全、有功平衡等，影响越来越大，迫切需要建立定量评估指标。本文基于某地区电网，针对光伏发电出力，定义了渗透率、削峰率、调峰出力比、区域调峰稳定性等评价指标。针对光伏并网安全，定义了并网点功率因数、并网点潮流反向比、并网点潮流反向时间、并网线路/主变重/过载时间等评估指标。给出了各指标的时间尺度、适用范围和计算公式。研究结果对地区电网运行安全和健康发展，有一定参考价值。

引言：随着传统化石能源逐渐枯竭，绿色可再生能源的利用在中国得到了迅猛的发展，而太阳能是最具发展潜力的可再生能源之一。近十年来，太阳能光伏发电技术得到了各国的高度关注，其对于缓解能源和环境问题、改善能源消耗结构，具有重大的理论和现实意义（王振杰.浅谈电气自动化在太阳能光伏发电中的应用[J].中国战略新兴产业,2018(4):37;邵瑞.光伏发电逆变技术探究[J].电子世界,2018(4):164-167）。

影响光伏发电出力的因素有很多，主要有太阳辐照强度、环境温度等（许世伟,王檑,胡颖慧.基于模糊控制的光伏发电最大功率点跟踪方法的研究[J].电子世界,2017(3):52-55）。光伏电池输出功率随辐照强度增大而增大，其开路电压和峰值功率都随温度的升高而降低（陈煌林.太阳能光伏技术的原理、现状及展望[J].电子技术与软件工程,2018(11):111）。因此光伏发电系统主要在白天8至17点时间段输出电能，大部分时段和电力负荷有较好的相重性，在每日负荷高峰时段能提供相当数量的电能，起到一定的调峰作用。

另一方面，光伏发电具有随机性、间歇性等特点，可调可控性较差（周忠成.新能源接入对电网电能质量的影响分析[J].电子世界,2018(3):81+83）。随着光伏渗透率的不断提高，可能出现电网功率不平衡、电能质量恶化、局部薄弱地区的变电及输电设备重载甚至过载等一系列问题，进而对电网安全及稳定性造成影响（吴峰,李玮.含高渗透率分布式光伏发电系统的配电网动态等值分析[J].电力系统自动化,2017,41(9):65-70）。目前，对光伏并网合理性和安全性的评价指标尚不全面，评价过于依赖峰值，缺乏定量评价指标。

目标电网拥有5县1市，辖区面积约一万km2，人口约900万。近年来，光伏发电发展迅速，部分区域光伏装机接近甚至超过供区主变容量，对电网规划设计、调度运行提出了挑战，需要定量评估电网消纳光伏能力。本文对目标电网光伏的并网现状进行分析，从光伏对电网调峰及削峰的参与程度、光伏并网安全性、光伏接纳能力等方面，定义光伏发电和光伏并网评价指标，给出各指标时间尺度、适用范围和计算公式。研究结果可以定量评估地区电网光伏并网现状，合理指导电网改造升级，有利于地区电网运行安全和健康发展。

1 目标电网光伏发电及并网水平现状

光伏出力相较其安装容量的比例反映了区域光伏发电设施的利用水平。对目标电网六个区域(以下简记为S1-S6)及其整体的光伏并网发电水平进行评估。将每日光伏发电出力最大值相较安装容量的比例视作峰值出力水平，表1与表2分别给出了春季3-4月和夏季6-7月各区域及目标电网整体光伏发电峰值出力水平月最大值与月均值。

表1 光伏发电峰值出力水平月最大值

表2 光伏发电峰值出力水平月均值

峰值出力水平反映了光伏发电设备发电功率对其安装容量的最大利用效率。考虑到光伏出力在日间不同时间段内差异较大，计算光伏出力日平均小时数以评估光伏日整体发电量大小。图1给出了春季3-4月和夏季6-7月各区域及地区整体的光伏日平均利用小时数。两者最大和最小利用小时数差别不大。春季利用小时数波动更大，而夏季利用小时数相对较为平稳，整体发电效率也高一些。

图1 光伏日平均利用小时数

目标电网6个区域夏季某日光伏出力与负荷曲线的对比，如图2所示。对比光伏与负荷曲线可见，光伏出力对区域电网的影响，取决于光伏出力与区域负荷水平。区域S1负载较大，区域S3光伏出力较小，故光伏出力对区域负荷平衡影响较小。其他四个区域光伏占比较大，在峰荷时段能满足较大比例的区域负荷。但是由于光伏无法提供晚峰支撑，对于整天负荷曲线峰值的削弱作用不够显著。

图2 目标电网光伏出力与负荷曲线对比

2 考虑光伏并网后地区电网评价指标

为了深入分析目标电网光伏的并网现状，针对光伏对电网调峰及削峰的参与程度、光伏并网安全性以及光伏接纳能力，定义相应的评价指标，给出各指标的时间尺度、适用范围和计算公式。

2.1 指标框架

考虑到光伏电站一般并网至10kV，少数并网至110kV和220kV，以下从光伏出力和光伏并网两个角度，计及时间尺度、适用范围等，建立光伏发电评价指标与光伏并网评价指标，分别如表3与表4所示。与传统电厂相近的一些指标，如最大利用小时数等，在此不再重复。

表3 光伏发电评价指标

表4 光伏并网评价指标

2.2 指标计算公式

以下逐一给出光伏发电评价指标的具体定义。

(1)光伏渗透率ηPV和最大利用小时数TPV

式中，PPV,install为光伏装机容量，PL,max为电网最大负荷。随着时间变化，上式分子和分母都可能增加或下降，因此ηPV可能增加或减小。

式中，EPV为统计期内光伏发电量。

(2)光伏削峰率rpc和最大削峰率rpc,max

式中，PLc为日最大负荷中需要光伏补偿的负荷，PLd,max为日最大负荷。

(3)光伏调峰出力比rpo和平均调峰出力比rpo,a

式中，PPV为最大负荷对应时刻的光伏出力。

将区域日负荷曲线与光伏日出力曲线相减得到一条曲线，该曲线上日最大负荷点对应的值，与日最大负荷的比值即为rpo。其反映了光伏出力对峰值负荷的支持能力，该比值越小，光伏出力最大值越接近负荷峰值，光伏参与调峰效果的越好。

式中，d为统计期日数。

(4)区域调峰稳定性sps

式中，vd为光伏出力下降速率，ηc为区域参与调峰的传统机组爬坡率，PW为机组额定容量。

sps表示光伏因非正常原因（设备故障、天气突变）出力下降时，区域内能够参与调峰的机组能否及时增加出力，满足区域内负荷需求。比值越接近1，说明区域调峰稳定性较好，不会出现因光伏出力减小而造成的负荷损失；比值过小，说明光伏参与调峰的程度不高；比值超过1，说明区域调峰稳定性差，存在切负荷隐患。

光伏电站有功出力调节速度，与变流器控制特性有关。向上调节的可行性，取决于预定备用策略。一般来说向下调节速度一般快于向上调节速度。火电/水电调峰机组爬坡率根据自身类型而定。

(5)光伏最大盈余发用比rsu,max

光伏存在时变性，负荷随着类型不同体现了一定的时变周期规律。利用“光伏最大盈余发用比”指标，在时变周期内分析配电网对光伏的消纳能力，测算线路、变压器等设备可能承受的最大潮流。该指标为：

式中，PG为光伏发电即时功率，PL为负荷即时功率，SL为线路极限传输功率。

光伏最大盈余发用比反映了光伏并网点的光伏与当地负荷的动态消纳关系，表征电网可能承受的最严苛的运行情况。当光伏发电功率大量盈余时将产生返送功率，电网设备可能出现反向倒送大量电力，甚至反向送电导致设备和线路过载的情况。此时需要对已建电网增容，增加规划电网裕度，预留光伏接入能力。

在光伏最大盈余发用比测算中，对于建设运营时间较长的供电区，其测算值可以取的保守以充分暴露电网和设备承受的风险，对于外送能力较强(双回路供电、容量裕度较大等)区域，则可适当放宽。当测算值明显超过区域电网接纳能力时，应及时进行电网增容改造。

根据区域内的主变容量以及光伏电站出线线路载流量，对区域电网的光伏接纳能力进行评价。

(6)光伏电站出线线路接入能力coa

式中，Ior,max为光伏电站最大出力电流，Il为出线线路载流量。

如果比值大于0.8，即出线线路负载率大于80%，线路重载，其中一条出线故障或检修，需要相应的光伏电站陪停。说明局部网架结构薄弱，不具备接纳新增光伏的能力。

(7)区域主变光伏接入能力cpa

式中，PW,N-1为区域内N-1台主变额定容量。

当比值大于1时，区域内任意一台主变故障或检修停运时，其余主变容量小于光伏装机容量，需要相应的光伏电站陪停。说明该区域不具备接纳新增光伏的能力。

(8)光伏电站并网点平均功率因数ηp,a

式中，ηi为统计期内每时刻功率因数，n为考核点数。

(9)光伏并网点潮流反向比rpr

式中，Qpr为光伏并网点潮流无功反向值，Ql为线路无功载荷。

以年度均值(本质是电量)比例表示时，为：

式中，Qpr,a为光伏并网点潮流无功反向均值，Ql,a为线路无功载荷均值。

(10)光伏并网点潮流反向时间tpr

式中，tQr为光伏并网点出现无功反向的时长，tr为统计期时长。

(11)光伏并网线路重载时间tph和光伏并网线路过载时间tpo

式中，tl,75%为每次线路负载率超过75%的持续时间。

式中，tl,100%为每次线路负载率超过100%的持续时间。

(12)主变线路绕组重载时间twh和主变线路绕组过载时间two

式中，tw,75%为主变线路绕组负载率超过75%的持续时间。

式中，tw,100%为主变绕组负载率超过100%的持续时间。

(13) 光伏向上(下)调峰收益pp,u(d)

光伏电站可以减少出力；如果配备储能装置，或在非MPPT方式下运行，光伏电站有可能增加出力。光伏机组增减出力，有助于调节峰谷负荷，减小火电机组压力。因此定义光伏向上(下)调峰收益pp,u(d)：

式中，Qp,u(d)为单位时间内光伏机组增发(减发)电量，Jl,u(d)为峰荷(谷荷)电价。

2.3 指标意义

(1)光伏渗透率，结合光伏出力和发电量占所有电源出力和发电量的比例，可以综合评价光伏在整个电网中的占比与出力水平。光伏渗透率越高，出力水平越高；光伏利用小时数越大，光伏发电的效率越高，经济性越好。

(2)光伏削峰率越大，说明光伏参与削峰的程度越高；光伏调峰出力比越小，说明光伏参与调峰的效果越好，能缓解电网调峰压力。区域调峰稳定性的比值越接近1，说明区域的调峰备用能力和运行经济性的协调性越好，不会因备用过多而降低机组利用率。

(3)光伏最大盈余发用比如果较大，说明光伏并网点可能出现潮流倒送的情况，过大则会导致出现设备和线路过载的情况，表明区域的光伏接入能力较弱，需要对已建电网增容，增加规划电网裕度。区域光伏出线线路限额和区域主变容量也同样限制了区域的光伏接入能力，如果不能满足N-1检验要求，区域就不能继续接纳光伏。

(4)光伏并网点的功率因数、潮流反向比和反向频率、光伏并网线路和并网侧主变线路绕组重/过载时间，反映了光伏并网的安全性：如果功率因数过低，说明无功电量较多，会影响电网的运行效率，需要就地安装无功补偿装置，以降低无功功率。如果潮流反向比较大，反向频率高，并网线路和并网侧主变绕组重/过载时间长，说明并网点存在安全隐患，光伏超过了允许的接入量。

3 结论

本文根据对某地区电网光伏并网的统计分析，从光伏发电出力和并网路径两个角度，定义了光伏发电出力与并网安全定量评价指标体系，对各指标的时间尺度、适用范围和计算公式进行了详细阐述。该评价指标的建立便于地区电网在规划光伏并网时，合理评估光伏接入对地区电网安全稳定运行的影响。评价指标相关标准的建立，有望促进光伏出力的平稳、就地消纳。