高密度分布式可再生电源并网给智能配电网规划设计、运维调控、仿真测试等方面带来巨大挑战，“可再生能源发电集群”是有效的解决措施之一。本书旨在对可再生能源发电集群优化规划领域的工作进行总结，探讨分布式可再生能源发电集群划分、接入规划、分布式可再生能源发电集群和配电网协同规划、分布式储能规划等问题。本书第1章概述分布式发电集群优化规划方法现状；第2章介绍分布式可再生能源发电接入方式与技术特点；第3章介绍分布式可再生能源发电接入分析技术；第4章介绍分布式可再生能源发电接纳能力评估方法；第5章介绍分布式可再生能源发电集群；第6章介绍分布式可再生能源发电集群接入规划；第7章介绍分布式可再生能源发电集群与储能规划；第8章介绍分布式可再生能源发电集群与配电网协同规划。 本书适合从事可再生能源发电集群划分、接入规划、网源协同规划、储能规划等相关领域的科技工作者阅读，也可供高等院校电气工程及其自动化专业和其他相关专业的教师、研究生和高年级本科生学习参考。

第1章 绪论
　　1.1 可再生能源发电
　　能源是人类赖以生存的基础，随着世界经济的高速发展，全球能源需求量也呈现出与日俱增的态势。2021年国际能源署(International Energy Agency，IEA)预测，到2030年十年间全球能源需求量预计每年增长1.3%[1]。过去的一百年中，煤炭和石油一直占据着全球能源供给的中心地位，随着全球化石类能源开发量的减少、能源需求的日益增加、生态环境的不断恶化，加快开发利用可再生能源已成为世界各国的普遍共识。
　　根据国际能源署可再生能源工作组[2]的定义，可再生能源是指“从持续不断地补充的自然过程中得到的能量来源”，主要包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石类能源。目前电能是可再生能源的主要转化形式。国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency，IRENA)统计显示[3]，截至2020年底，全球可再生能源发电装机总量达到约2922GW，其中，水力发电装机1211GW，风力发电装机732GW，太阳能发电装机709GW，其他包括生物质能发电、地热能发电、海洋能发电等总装机265GW。图1.1展示了全球可再生能源发电累计装机容量的变化趋势。从图中可以看出，随着全球流域内梯级水电站的持续开发和建设成本的不断攀升，近年来水力发电装机容量增长缓慢；生物质能的发展受制于高昂的建设和运营成本以及环境问题，而地热能和海洋能的研究尚处于起步阶段，缺乏大规模商业化开发的条件。风能和太阳能发电技术由于其灵活性和良好的商业开发价值，随着制造成本的逐年下降，迎来了一个快速增长的过程，正逐渐成为可再生能源发电领域的主力军。
　　图1.1 全球可再生能源发电累计装机容量变化趋势
　　1.1.1 光伏发电
　　光伏组件的平均成本在近几十年内呈现大幅下降的趋势，1976年光伏组件的平均成本高达79美元/W，是2017年平均成本0.37美元/W的200多倍[4]。相比于2000年1200MW的装机容量，2017年底全球光伏发电累计装机容量为390GW，规模扩大了上百倍；到2020年，全球光伏发电装机容量达到709GW[5]。我国作为世界光伏发电产业增长的主力军，2006年《可再生能源法》实施以来，光伏发电产业迎来了发展黄金时代；2013年确立分类光伏发电标杆电价政策后，光伏发电的开发进程进一步加快。图1.2展示了我国近年来光伏发电累计装机容量，截至2021年底，中国光伏发电装机容量达到306GW，突破3亿 kW大关，连续七年位居全球首位[6]，同比增长达到20.9%。
　　图1.2 我国光伏发电累计装机容量发展趋势
　　1.1.2 风力发电
　　截至2020年底，全球风力发电累计装机容量达到约732GW，相比2000年的17GW扩大了约42倍。到2026年底全球风力发电预计将新增装机容量469GW[7]。在国家法律和政策的支持下，我国的风力发电进入了快速发展期，2006～2018年的12年间，风电装机容量年平均增长率达43%。截至2021年底，全国风力发电装机总量约330GW，同比增长16.6%[6]。图1.3为我国近年来风力发电累计装机容量发展趋势。
　　图1.3 我国风力发电累计装机容量变化趋势
　　1.1.3 新能源发展政策
　　为了进一步推动可再生能源发展，近年来世界各国先后出台了多项推进可再生能源发电的产业政策。2014年，美国环保署( U.S. Environmental Protection Agency，EPA)公布了其“清洁能源计划”(Clean Power Plan)，承诺十年内可再生能源使用量增加一倍。2018年8月，美国环保署提出了“经济清洁能源条约”(Affordable Clean Energy Rules)，旨在大力减少碳排放，并要求各州在法律生效的三年内制定各自的能源发展计划。美国目前有超过30个州明确了新能源发展目标，特别是加利福尼亚州在2018年9月颁布的“SB 100”法案中，提出2026年加州可再生能源发电占比达到50%，2030年占比达到60%的目标，为其他国家和地区新能源产业的发展提供了借鉴意义。
　　德国早在2000年正式颁布了《可再生能源法》( Eerneuerbare Energien Gesetz， EEG)，旨在建立可再生能源发电的固定上网电价制度，对推动风电、太阳能等可再生能源的发展发挥了决定性的作用。2014年德国提出了2025年可再生能源发电占比达到40%以上，2030年占比超过55%的宏伟目标；接着在2017年对《可再生能源法》进行了修订，进一步确立了采用招投标来提供可再生能源津贴的新模式。日本政府在2018年7月公布的“第5次能源基本计划”中也制定了面向2030年及2050年的能源中长期发展战略，提出到2030年可再生能源发电在总发电量中占比要提升至22%～24%的目标，并首次将可再生能源定位为2050年的“主力能源”。
　　我国一直以来都把发展清洁能源作为实施能源供给侧结构性改革的主攻方向。在《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中，我国提出了到2020年、2030年非化石能源占一次能源消费比重分别提高到15%、20%的目标。紧接着在2016年制定的《可再生能源发展“十三五”规划》中进一步明确了可再生能源的发展目标和主要任务，部署了与发展新能源发电技术相关的一系列重点及重大示范工程项目，提出的一系列2020年可再生能源开发利用主要指标如表1.1所示。其中，风力发电和光伏发电均超额完成[6]。
　　表1.1 2020年可再生能源开发利用主要指标
　　可再生能源产业不断发展壮大，产业规模和技术装备水平连续跃上新台阶，但是发展不平衡、不充分的矛盾也日益凸显。特别是可再生能源发电消纳问题突出，已严重制约了电力行业健康可持续发展。2018年我国颁布了一系列可再生能源政策着力解决这一问题，可再生能源产业的发展已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。2021年国家发展和改革委员会、国家能源局《关于2021年可再生能源电力消纳责任权重及有关事项的通知》[8]中指出：从2021年起，每年初滚动发布各省权重，同时印发当年和次年消纳责任权重，当年权重为约束性指标，各省按此进行考核评估，次年权重为预期性指标，各省按此开展项目储备。此外，风能和太阳能发电的实施成本呈现出逐年降低的趋势，预计在2030年投产的风电、光伏电站的平均度电成本将比2020年分别下降31%和61%[9]，“十四五”初期风电、光伏发电将逐步实现平价，届时将有效缓解中央补贴资金压力，实现可再生能源的高质量发展。
　　1.2 分布式可再生能源发电技术特点
　　集中式发电和分布式发电是可再生能源规模化利用的两种方式。集中式发电(centralized generation)通过集中布局大规模可再生能源发电，通过高电压等级线路接入输电系统，结合统一管理、综合调控的手段，供给远距离负荷。集中式发电布局集中、选址固定，与电网之间保持单向的电力交换，便于管理和运行维护。我国的集中式可再生能源电站多分布在土地资源以及风、光等可再生资源丰富的甘肃、新疆和青海等西部地区，图1.4为西宁共和县集中光伏电站的现场图。以光伏电站为例，截至2020年上半年，我国在甘肃、新疆、青海集中式光伏装机容量已超过2990万 kW，占全国的20%[10]。
　　图1.4 西宁共和县集中光伏电站
　　我国西部地区地广人稀，整体用电量小，虽然国家建设了庞大的“西电东输”工程，但现有的电网设施还远不能完全满足“西电”的大规模输送，由此造成了西部地区严重的“弃光、弃风限电”现象。仅2017年上半年，新疆(含新疆生产建设兵团)和甘肃省的弃光率高达26%和22%。由于甘肃、新疆(含新疆生产建设兵团)、宁夏目前“弃能限电”严重，我国已决定暂不安排这三地2017～2020年新增光伏电站的建设计划[10]。
　　相对集中式发电，分布式发电是指分布在不同位置的中小型可再生能源发电，单个电源的装机容量通常在几千瓦至几十兆瓦之间。我国在2017年12月1日实施的国家标准《分布式电源并网技术要求》（GB/T 33593—2017）中，对分布式电源(distributed resources，DR)、分布式发电( distributed generation，DG)等做了详细规定，分布式电源定义为“接入35kV及以下电压等级电网、位于用户附近，在35kV及以下电压等级就地消纳为主的电源”。按能量转换技术的不同，分布式发电通常采用的技术类型有：往复式发电机、斯特林发电机、微型燃气轮机、天然气燃气轮机、燃料电池、光伏发电、风力发电、水力发电以及各种储能技术等。IEEE 1547.2—2008标准提供了分布式发电技术的两种分类方法[11]：按原动机的不同，可以分为旋转型和非旋转型两种；按并网接口和功率变换的不同，可以分为同步发电机、异步发电机和基于电力电子变换装置并网的分布式电源。
　　与传统的集中式发电相比，分布式可再生能源发电技术具有如下特点[12-14]。
　　(1)实现了“源-荷”的就近消纳。大型集中式发电需要将电力升压接入输电网，仅作为发电站运行。而分布式发电是直接接入配电网用户侧，发电用电并存，且要求尽可能地在35kV及以下电压等级范围内消纳，可以在一定程度上提高电网对分布式发电的消纳率。
　　(2)经济效益良好。分布式发电靠近负荷，不但可以降低输电网损耗，而且由于分布式发电占用的土地面积和物理空间少，降低了投资费用。相对于集中式发电所配套的电力设施建设周期长、投资风险大的缺点，分布式发电具有技术和设备小型化、模块化，建设周期短，可紧密跟踪负荷增长进行扩建，投资费用低，风险小等优点。
　　(3)提高供电可靠性。合理的分布式发电运行方式，特别是与储能系统配合，将提高配电网用户侧的供电可靠性，可以在一定程度上缓解电网投资。当电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统(如与重合闸相结合的计划孤岛模式)仍能保持正常运行。
　　(4)绿色环保。可再生能源分布式发电项目在发电过程中，不仅基本实现了零排放、零污染，还可以有效降低建设高压输电线路造成的电磁污染和对线路沿途植被的破坏。
　　可再生能源以分布式发电的形式接入配电网，是实现大规模可再生能源并网消纳的重要方式。我国近些年不断出台政策刺激分布式可再生能源发电的发展。以光伏发电为例，我国大力支持在已建成且具备条件的工业园区、经济开发区等用电集中区域规模化推广屋顶光伏发电系统，同时也积极鼓励在电力负荷大、工商业基础好的中东部城市和工业区周边，按照就近利用的原则建设光伏电站项目。目前，我国全额就近消纳的分布式光伏项目，如自愿放弃补贴，可不受规模限制[15]。同时政府也在积极推进分布式发电市场化，2021年起，对新备案集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目，中央财政不再补贴，实行平价上网。新建项目上网电价按当地燃煤发电基准价执行。新建项目可自愿通过参与市场化交易形成上网电价，以更好体现光伏发电、风电的绿色电力价值[16]。
　　在政策的激励下分布式发电发展迅速，天津大学26楼屋顶分布式发电项目如图1.5所示，该项目建设当年获得了“金太阳”项目的支持。