www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年月工程447研究智能电网-文章工程2015，1（4）：447-一种分布式可再生能源的成本效益并网方法Till Luhmann1*，Enno Wieben2，Riccardo Treydel2，Michael Stadler1，Thomas Kumm2摘要我们描述了一个具体的方法，配电网容量管理。基于模拟，已经发现，通过在每个发电机的基础上减少最多5%的年发电量，配电网连接容量可以增加一倍。我们还介绍了设置和现场测试的第一个结果，验证该方法在德国北部的农村配电网关键词电网容量管理，5%方法，可再生能源，配电网1引言为了应对全球气候变化的挑战，德国联邦政府发布了未来发电组合的目标。到2050年，可再生能源（RES）将占总发电量的80%。因此，这些国家的配电网的使用越来越多地取决于分布式可再生能源的馈入。然而，传统的电网结构并没有设计用于处理具有不连续馈入配置文件的分布式能源的大规模集成，例如风力和太阳能发电厂。德国目前的电网系统设计遵循最坏情况的方法：电网的尺寸为支持最大负载。因此，由于风力和太阳能发电厂的间歇性馈入，每年只有几个小时才会出现100%的电网容量利用率，即偶尔阳光明媚和暴风雨的周末，此时低功耗随机与高风能和太阳能生产相一致。根据现行德国法规[1]，配电网的运行必须能够吸收RES产生的所有电力。在现有电网基础设施和运行程序的限制范围内，这种运行会导致电力系统的运行限制超过TEM设备（例如，Transformer负载和电缆负载），或违反电压阈值。然而，电网运营商只能通过馈入人工干预作为最后手段来削减RES，也就是说，如果没有其他选项可用于防止对电网基础设施的损害。一旦他们采取了这一行动，法律立即强制电网运营商在受限电影响的地区扩大电网基础设施（见参考文献[1]，第12节）。在德国向可再生能源过渡的早期到2025年，德国可再生能源风能和光伏（PV）发电装机容量预计将比2013年增加187%。到2035年，预计将比2013年增加236%。这些数字来自2025年德国电网发展计划的主要扩展方案[2]。由于上述法规背景，需要对电网建设进行大量投资以支持集成只要将来只采用传统的电网扩建措施，这就要求研究细粒度有功功率削减的方法，例如本文中提出的5%方法。EWE NETZ是德国西北部的一家配电系统运营商（DSO），运营着一个拥有约180台HV/MV变压器、18 000 MV/LV变压器的区域电网。总的电网长度为81 000公里，约有800 000个用户连接，最大用电负荷为2.2千兆瓦。目前，约有2900台风力涡轮机（峰值装机容量为4.6GW）、57000台光伏发电机（峰值装机容量为1.5 GW）和1500台生物质发电机（峰值装机容量为0.6 GW）已接入电网。这些数字将在未来继续增长。对于EWE NETZ运营的电网，预计到2020年，平均可再生能源发电量将达到电力消耗的150%。EWENETZ正处于永久网络扩张的过程中，1BTC Business Technology Consulting AG，Oldenburg 26121，Germany;2 EWE NETZ GmbH，Oldenburg 26133，Germany* 通讯作者。电子邮件：till. btc-ag.com接收日期：2015年9月2日;接收日期：2015年11月24日;接受日期：2015年12月1日作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）448工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn研究智能电网-文章因此不断地寻找以低成本增加RES的网络连接容量的解决方案。本文首先总结了以低成本最大化RES并网容量的技术可能性。接下来，它将更详细地关注动态电网容量管理的方法，称为2 提高并网容量扩大电网连接容量的传统方法包括铺设新的电力线路，增加具有更大导线横截面的线路，以及安装更大容量的变压器。然而，目前存在一系列增加连接容量的额外技术可能性：一些基于灵活的电力系统设备，另一些基于信息技术的使用。提高中压电网并网容量的新方法基于以下两种思想之一：稳定电压或控制功率馈入，从而优化负荷流量。低冲击操作模式（LOM）是用于稳定电压的方法的示例[3]。它是基于分配一个恒定的功率因数发电机，使电压对功率梯度的灵敏度是最小的在电网连接点。该方法依赖于配备有相移控制器的发电机，并导致增加的电压稳定性。第二方法稳定电压的是纵向电压控制器。这些由受控阻抗组成，这些阻抗变化以修改电压而不影响相位。第三种方法是静态同步补偿器（STATCOM），通过向电力系统注入或吸收可变量的无功功率来调节电压。在由分散式RES主导的电网中，当高RES发电与低功耗同时发生时，电网负荷最大。因此，控制负荷潮流的方法必须基于控制用户或基于RES发电机的削减。德国目前正在讨论两种削减方法：静态和动态。静态限电将安装在配电网特定部分内的发电机的馈入限制在其容量的固定百分比。此百分比是根据模拟计算的，因此不会发生栅格组件过载。这种削减方法在技术上是简单的，因为不需要额外的信息和通信技术组件来实现它。然而，静态削减具有削减超过必要的能量的缺点：即使发电机的馈入被削减，不会造成电网过载另一方面，动态限电更有效：发电机仅在特别导致电网拥堵的情况下才被限电。图1描绘了典型光伏发电机的年度馈入的实测反向直方图。接近该光伏电站最大发电容量（300 kW）的馈入每年仅能达到很少的几个小时。每年缩短几个小时的馈入不会大幅减少可用的能量关注-图1.光伏发电机实测年并网持续时间曲线图采用这种方法，最近为德国联邦经济事务和能源部进行的一项研究[4]表明，减少3%的风能和太阳能发电机年上网量可以降低电网扩建所需的成本。以容纳40%的RES集成。实际上，削减5%的成本可以减少50%。在本文中，我们专注于这种方法的技术实现的描述，基于5%的削减率。用于输电网的拥塞管理是用于电网使用优化的另一种方法。然而，与所描述的通过技术途径控制电网使用的方法不同，它是基于市场机制的：依靠对负荷和馈入的预测，进行跨境输电网容量的拍卖。由于与预测的偏差，拥堵管理必须由辅助服务市场来补充。由于在德国，直销组织尚未建立市场参与机制，因此目前无法使用基于市场的方法来优化配电网的使用。这是一个值得研究和讨论的问题[5]。3 5%的方法5%的方法是基于这样的假设，即仅在少数最大负载情况下进行的RES发电机的年馈入功率的低百分比的动态的、依赖于负载降的削减导致电网连接容量的相关增加。对于每台发电机，这种方法将削减限制在发电机年发电量的最大5%。必须将限幅的频率和持续时间降低到必要的最小值。这可以通过在时间和功率维度上使用细粒度控制来实现。3.1 通过模拟评估5%方法使用EWE NETZ运营的农村电网模型进行了模拟计算该模型• 该模型包括一个110 kV至20 kV的Transformer，作为高压（HV）电网和中压（MV）电网之间的连接。它还包括集群式低压电网。• 分布式可再生能源（风能、光伏和智能电网-文章研究449www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年12月工程生物量）的网格内。• 基于每年的时间序列（15分钟分辨率）输送的电流和电压的稳态功率流计算。• 测量的RES馈入（PV，风）的时间序列为用于模拟发电负荷。• 家庭的消费负荷基于亚琛工业大学设计的负荷模型[6]，工业消费者的实测负荷。基于MV电网模型，使用参考设置评估了不同的模拟场景，其中尽可能多的RES馈入，而刚好低于电网连接容量耗尽且有必要削减的“阈值”（我们称之为“100%场景”）。为了确定建模电网的这个“阈值”，所有RES发电机的容量都被反复增加。从低发电容量开始，越来越多的发电机被添加，直到达到削减的标准（即，直到达到变压器或电缆的最小允许电压稳定性或最大允许负载为止）。以100%情景为起点，在比较计算中逐步增加发电容量，从而模拟越来越高的RES馈入。根据模拟设置，越来越多的削减是必要的比较计算。当系统参数超过公差极限时，馈入量减少一个量，该量是通过基于负载流量计算的优化算法计算的。图2显示了作为削减功能的RES的电网连接容量。原点处的点表示100%的情况。可以看出，采用的限电越多，可以连接到电网的可再生能源发电容量就越多。因此，这两条曲线代表不同的情景：在一种情景中（蓝线），假设风力发电厂的年发电量相对较低，假设风力涡轮机的满负荷小时数为1500小时;而在另一种情景中（红线），假设风力涡轮机的满负荷小时数为2000小时，则相当高。显然，对于强风，更频繁地达到电网限制（负载、电压图2.削减发电量和电网连接容量之间的相互依赖性（模拟）。一年比一年弱风。因此，在大风年，更多的发电量被削减。例如，在限电率为5%的情况下，模拟显示两个风力类型年的电网连接能力均超过200%。3.2 在现场测试中验证5%方法为在实际实地条件下评估5%方法，于二零一四年十月进行实地测试，以测量实际上减少主动馈入与提高电网连接容量之间的关系。另一个需要评估的实际问题是，在多大程度上可以利用现有的现场控制单元来实施5%的方法。于撰写本报告时，实地测试仍在进行中，预期最终结果将于二零一五年十月公布。图3描述了选定的现场测试区域。一个20千伏中压电网的典型特征，在馈入容量，RES发电机类型，和发电消耗比的选择。底层低压电网中的屋顶光伏发电机基本上不会对总功率馈入做出贡献，因此出于简化的原因不受控制。所有连接到中压电网的可再生能源发电厂都配备了合适的控制单元。现场测试中使用的中压电网与Jever变电站电气连接，Jever变电站又与高压电网连接。为了避免干扰不属于现场测试的其他电网，在现场测试期间，打开Tettens和Wittmund开关站的开关。现场测试区域包含11台分布式发电机，对应最大馈入功率为10 MW。这些发电机中有六台是风力涡轮机，四台是光伏发电机，一台是热电联产厂。在现场测试期间，所有11台发电机的有功功率都是主动控制的。 出于实际原因（避免电厂操作员通过额外的控制活动干扰现场试验），发电机以恒定的无功功率比运行。所有连接到中压场测试电网的RES发电厂都配备了适当的控制单元。专门设计的控制代理（称为5%控制器）执行调节发电机馈入的任务（图4）。每隔五秒，5%控制器就会收到以下数据，这些数据会被持续测量：• 中压电网连接点的电流Jever变电站（一）;• 变电站、开关站和电网所有11个RES发生器的连接点（U）;• 所有中压/低压变压器的电源和初级电压-er变电站（P，Q）;• 所有11个无功功率、有功功率和电压RES生成器（U，P，Q）;以及• 风和辐射测量（用于验证）。5%控制器连续比较测量值与设定值（U，I）。当偏差被识别时，控制值（调整的有功功率值，P）被发送到发电机。与评估增加有关的数量 电网连接容量的允许电压范围研究智能电网-文章450工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn图3.德国北部的一个野外试验区。图4.现场试验中5%控制器的系统配置根据EN 50160 [7]和电网设备的允许电流。对于现场测试，不可能在物理上缩小现有物理电网的容量;相反，根据EN 50160，操作阈值（电网电压阈值和最大允许设备电流）在理论上降低到物理阈值的50%。5%控制器在降低的电网阈值下运行。请注意，5%控制器是自主运行的。对RES发电机的削减没有给定的限制。测试的范围是评估在统计上足够的时间段内的总体削减是否与图2的模拟结果一致。为了收集统计上充分的证据，现场测试将至少运行一个日历年。定期评估每台发电机的限电和整体限电。3.3 在典型配电网中应用5%方法为了评估5%方法对典型配电网的适用性，亚琛工业大学进行了一项系统研究[8]。该评估的主要结果为：• 对于德国70%的农村配电网，通过动态削减高达5%的每台发电机的馈入，电网连接容量可以增加一倍。• 使用静态削减，同时将削减的能量限制在可能的馈入的5%，德国12%的配电网的电网连接容量只能增加一倍。• 与混合RES发电的电网部分相比，主要使用PV发电的电网部分需要更高的削减率。4 第一场测试结果图5示出了在过载情况下风力涡轮机的缩减。由控制单元为该特定风力涡轮机发出的控制值（红色曲线）导致减少的馈入（蓝色曲线）。风力涡轮机的可能馈入 （ 无 限 制 ） 显 示 为 参 考 （ 绿 色 曲线）。参考和发电之间的阴影区域对应于削减的能量的量。到目前为止，现场测试表明，风力涡轮机的控制性能非常好，特别是在高发电量的情况下。老式的风力涡轮机在发电量低的情况下关闭，这样就不会有感应，智能电网-文章研究451www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年12月工程图5.风力涡轮机在采样时间跨度期间的缩减对于这种风力涡轮机，发电的动态控制是可能的。到目前为止，这种行为还没有导致严重的网格情况。PV发电机表现出与风力涡轮机相同或相似的控制性能。然而，所需的附加电子控制单元导致其反应时间延迟。由于内燃机的特性，热电联产发电机的反应时间有限。关于可能出现的临界电网条件，监测变压器处测量的电流的一分钟平均值。据观察，给定的阈值有时被违反，虽然只有很短的时间段。根据15分钟的平均值，根本无法识别阈值违规。确定了以下违反阈值的原因：• 发电机惯性;• 天气变化;• 由于GSM通信的延迟时间;以及• 用于在不同类型之间分配缩减的算法中的不成熟性发生器.经过九个月的现场测试，削减的馈入能量已经达到参与发电机预计年馈入量的6%。这一结果部分是由于参与现场测试的热电联产厂没有遵循5%控制器的给定控制信号。其主要目标是产生尽可能多的热量，这与削减的目标相一致。这些和其他发现（例如，然而，2015年初的大风情况）关于5%控制器的观察行为是进一步优化控制算法的有价值的提示。5 结论和前景5%的方法是一个非常有前途的积木最大限度地降低成本的RES集成到配电网。仿真结果表明，发电机的动态限流可以大大提高系统的并网容量.现场测试表明，技术实施是可能的，所选择的方法是可利用的。然而，目前的结果显示：• 受控电网中的每个发电机都必须允许控制。虽然5%的控制单元将在大多数分布式发电单元不可控制的情况下继续正常工作，但限制用于控制发电机的发电机的年能量的5%的削减将不会具有使电网连接容量加倍的期望效果。• 5%控制器仍需优化，以最大限度地减少生成器.伴随的系统研究[8]表明，连接容量的增加取决于发电机的类型和配电网的类型。该方法的监管方面并非现场测试的一部分。尽管如此，现场测试结果可能会作为德国能源行业法律修正案的参考，该修正案预计将于2016年生效。该修正案很可能包含基于5%方法的动态馈入减少要求。遵守道德操守准则直 到 Luhmann 、 EnnoWieben 、Riccardo Treydel 、 Michael Stadler 和Thomas Kumm声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用1.德意志联邦共和国国民议会。关于发展可再生能源的法案。[2015-11-24].http：www.bmwi.de/English/Redaktion/Pdf/renewable-energy-sources-act-eeg-2014，property=pdf ， bereich=bmwi2012 ， sprache=en ，random =tr ue.pdf2.德国联邦电力、煤气、通信、邮政和铁路局。2014年[2015-11-24]。http://www.netzausbau. de/Sh a r e d Do cs/Downloads/DE/2025/SR/Szenariorahmen_2025_Genehmigung.pdf？blob=publicationFile3.V. Diedrichs，A. Beekmann，M.克鲁斯风力涡轮 机 的 无 功 功 率 容 量 和 电 压 控 制 。 In ： T.Ackermann编，《电力系统中的风力发电》。第2版，奇切斯特：约翰威利父子公司，2012年：9754.J.Büchner ， etal.ForschungsprojektNr.44/12：Moderne verteilernetze für deutschland（ Verteilernetzstudie ） . [2015-11-24]. http ：www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/Pub-likationen/verteilernetzstudie，property=pdf ， bereich=bmwi2012 ， sprache=de ，random =tr ue.pdf5.德 国 能 源 和 水 工 业 协 会 。 智 能 电 网Ampelkonzept. 2015年[2015 - 11 - 24]。https：www.bdew.de/internet.nsf/id/20150310-dis-kussionspapier-smart-grids-ampelkonzept-de/$file/150310%20Smart%20Grids%20Ampel-konzept_final.pdf6.S. Dierkes，A. Wagner，J. Eickmann，A. - -莫研究智能电网-文章452工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn这是一个非常复杂的问题，它是由一个非常复杂的系统来完成的。在：国际ETG-Kongress 2013 ： Energieversorgung auf dem Weg nach 2050 -Symposium1：Security in Critical Artificial Structures Today.柏林：VDE Verlag，2013年7.欧洲电工标准化委员会。EN 50160：2010公共配电网工程.伦敦：英国标准协会，2010年8.S. 迪克斯， M. 梅克斯 Systemstudie-5%-anesthetic. 于： A. Moser，编.IAEW 2015年年度报告，Aachener Beiträge zur Energieversorgung，Vol.162. 亚 琛 ： 印 刷 生 产 出版 社 ， 2015[2015-11-24] http://www.iaew. rwth-aachen.de/fileadmin/uploads/pdf/neuigkeiten/FGE-Jahresberi-cht_2015.pdf
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