計及電網(wǎng)改造的高滲透率分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃

黃碧斌，李瓊慧，高菲

(1.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

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計及電網(wǎng)改造的高滲透率分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃

黃碧斌1，李瓊慧1，高菲2

(1.國網(wǎng)能源研究院，北京市102209；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

隨著國家和地方政府持續(xù)出臺支持政策，分布式光伏發(fā)電快速發(fā)展，局部地區(qū)滲透率較高，對電網(wǎng)提出了改造需求，自身也面臨限電風(fēng)險。針對高滲透率分布式光伏發(fā)電接入帶來的電網(wǎng)改造成本、降低損耗、延緩電網(wǎng)投資等成本效益，提出一種計及電網(wǎng)改造的高滲透率分布式光伏接入的綜合成本效益分析方法，基于典型規(guī)劃場景的年度8 760 h分析結(jié)果，對高滲透率分布式光伏接入進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃研究，研究結(jié)論可為實現(xiàn)高滲透率分布式光伏科學(xué)規(guī)劃提供參考。

高滲透率；分布式光伏；優(yōu)化規(guī)劃；成本效益

0 引 言

2013年7月以來，國家主管部門陸續(xù)出臺了一系列分布式光伏發(fā)電支持政策，形成了覆蓋電價補貼、稅收優(yōu)惠、審批管理、并網(wǎng)服務(wù)等方面的全方位政策體系，我國分布式光伏發(fā)電發(fā)展進(jìn)入快車道。2014年底，我國啟動了第2批分布式光伏發(fā)電示范應(yīng)用區(qū)建設(shè)，確定安徽、河北、山西等六省開展光伏扶貧試點建設(shè)。隨著光伏示范區(qū)和扶貧村試點建設(shè)的推進(jìn)，部分地區(qū)分布式光伏發(fā)電呈現(xiàn)高滲透率、密集接入特點，個別區(qū)域滲透率(指分布式光伏裝機(jī)容量和所在區(qū)域用戶最大負(fù)荷的比例)已超過200%。高滲透率分布式光伏的優(yōu)化規(guī)劃已成為各界關(guān)注的重點問題。

分布式光伏發(fā)電優(yōu)化規(guī)劃的關(guān)鍵在于不同情景下的成本效益評估。分布式光伏發(fā)電就近接入，直接向用戶供電有利于在降低輸配電損耗、延緩電網(wǎng)投資、節(jié)能降耗、減少污染等方面帶來良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。但是，分布式光伏開發(fā)建設(shè)需要較大的初始投資，同時高滲透率接入電網(wǎng)也可能帶來電網(wǎng)改造成本和限電損失等。因此，科學(xué)地定量評估分布式光伏帶來的各項成本和效益，可以為分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，有利于促進(jìn)分布式光伏和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃。

目前已有較多文獻(xiàn)開展了分布式電源優(yōu)化規(guī)劃的研究，但是現(xiàn)有研究多為低滲透率情景下，沒有考慮高滲透率下引起的電網(wǎng)改造成本和限電損失等，對分布式電源帶來效益的考慮也不夠全面。文獻(xiàn)[1]以分布式電源和配電網(wǎng)年度費用最小為目標(biāo)優(yōu)化了分布式電源的位置和容量布置。文獻(xiàn)[2]以饋電線路和分布式電源的安裝運行費用、網(wǎng)絡(luò)損耗、環(huán)境效益以及用戶的停電損失等成本效益最優(yōu)為目標(biāo)，得到了分布式電源較為合理的位置和容量配置方案。文獻(xiàn)[3]建立了分布式電源建設(shè)和運行總費用最小、系統(tǒng)網(wǎng)損最小、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)最大的多目標(biāo)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[4]以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，優(yōu)化確定光伏接入方案。

本文首先分析分布式光伏接入帶來的電網(wǎng)改造成本、降低損耗、延緩電網(wǎng)投資等成本效益，提出各項成本和效益的定量評估方法，針對光伏扶貧村典型案例提出多種典型規(guī)劃情景，并開展年度8 760 h技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出高滲透率分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃的一些基本觀點。

1 分布式光伏接入的成本和效益辨識

1.1 成本和效益組成

高滲透率分布式光伏接入很可能帶來電壓越限、電流過載等問題，要求進(jìn)行電網(wǎng)改造和實施光伏出力控制，從而保障用戶可靠用電。進(jìn)行電網(wǎng)改造可減少限電量，對時間較短的尖峰出力進(jìn)行適當(dāng)限電也可大幅減少電網(wǎng)改造規(guī)模，因此兩種應(yīng)對措施的選擇需要綜合考慮電網(wǎng)改造成本、限電損失等成本效益。值得注意的是，電網(wǎng)改造成本和限電損失需要基于分布式光伏接入電網(wǎng)后的年度運行狀態(tài)進(jìn)行計算，在此基礎(chǔ)上才能考慮各項成本效益的分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃。

總的來看，分布式光伏發(fā)電接入將帶來多項成本和效益，成本主要包括初投資成本、電網(wǎng)改造成本、維護(hù)成本和限電損失等；效益主要包括降低系統(tǒng)損耗效益、延緩系統(tǒng)投資效益、節(jié)能效益和環(huán)境效益等。

1.2 成本的辨識

(1)初投資成本。

項目初投資成本主要是分布式光伏發(fā)電項目在開發(fā)建設(shè)階段產(chǎn)生的成本，主要包括組件、逆變器、線路和匯流箱、接入系統(tǒng)等設(shè)備成本，以及屋頂支架、防漏處理等基建成本。

項目本體成本的影響因素包括項目裝機(jī)容量、光伏安裝條件等。

(2)電網(wǎng)改造成本。

分布式光伏發(fā)電接入將對電網(wǎng)規(guī)劃、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量、調(diào)度管理等方面產(chǎn)生重要影響。當(dāng)分布式光伏發(fā)電接入規(guī)模超過配電網(wǎng)接納能力時，可以對電網(wǎng)進(jìn)行改造，從而確保電網(wǎng)安全運行和用戶供電可靠性，由此產(chǎn)生電網(wǎng)改造成本，主要源于線路和變壓器等裝置的升級改造[5-8]。

電網(wǎng)改造成本的影響因素包括光伏滲透率、接入電壓等級和接入方式、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)、電網(wǎng)改造策略等[9]。

(3)維護(hù)成本。

分布式光伏發(fā)電和進(jìn)行改造的電網(wǎng)設(shè)備需要進(jìn)行維護(hù)，將帶來維護(hù)成本。

維護(hù)成本的影響因素包括項目裝機(jī)容量、維護(hù)工程量、維護(hù)難易程度等。

(4)限電損失。

分布式光伏發(fā)電超過電網(wǎng)接納能力時，除了進(jìn)行電網(wǎng)改造外，也可以通過對分布式光伏發(fā)電進(jìn)行限電，降低峰值出力，從而確保電網(wǎng)安全運行和用戶可靠供電。以德國為例，2012年以前，德國僅對100 kV以上的光伏發(fā)電項目進(jìn)行監(jiān)控管理。隨著分布式光伏發(fā)電接入規(guī)模的增加，電壓越限和電流過載問題頻繁出現(xiàn)，《可再生能源法2012》規(guī)定2012年1月1日后投產(chǎn)的小于100 kV的項目也被納入監(jiān)控范圍，允許進(jìn)行限電。

限電損失的影響因素包括裝機(jī)容量、用戶負(fù)荷、電網(wǎng)情況、限電策略等。

1.3 效益的辨識

(1)降低系統(tǒng)損耗效益。

分布式光伏發(fā)電就近向用戶供電，與集中式發(fā)電相比，可以減少遠(yuǎn)距離輸送引起的輸配電損失。研究結(jié)果顯示，分布式光伏滲透率不高時將減少線路中輸送潮流，有利于減少降低輸配電損耗；但是隨著滲透率的提高，將頻繁出現(xiàn)反向潮流，如果反向潮流大于無光伏接入時的正向潮流，將使得輸配電損耗增加?？偟膩砜?，呈現(xiàn)U型分布。

降低系統(tǒng)損耗效益的影響因素包括變壓器和線路阻抗、光伏發(fā)電滲透率等。

(2)延緩系統(tǒng)投資效益。

現(xiàn)有電網(wǎng)通常按照用戶的最大負(fù)荷需求進(jìn)行電網(wǎng)建設(shè)改造。分布式光伏發(fā)電直接向用戶供電，將減少用戶對電網(wǎng)用電的需求，降低用戶最大負(fù)荷，將延緩電網(wǎng)和電源的建設(shè)投資。

延緩電網(wǎng)投資效益的影響因素包括用戶負(fù)荷特性、光伏發(fā)電出力特性等。

(3)節(jié)能效益。

分布式光伏發(fā)電的節(jié)能效益在于通過利用可再生能源減小化石能源的消耗。

節(jié)能效益的主要影響因素包括實際發(fā)電量、單位發(fā)電量節(jié)能效益等。

(4)環(huán)境效益。

我國發(fā)電結(jié)構(gòu)以煤為主，帶來了SO2、NOx、CO2、CO、粉煤灰等污染物。分布式光伏發(fā)電代替煤電，能大大減少污染物的排放，具有較好的環(huán)境價值。

環(huán)境效益的主要影響因素包括實際發(fā)電量、單位發(fā)電量的環(huán)境效益。

2 分布式光伏接入的成本和效益量化

2.1 成本的量化

(1)初投資成本。

分布式光伏發(fā)電的初投資成本通常以裝機(jī)容量和單位裝機(jī)容量成本之積表示。

(1)

式中：CkWi為分布式光伏發(fā)電i的單位裝機(jī)容量成本；Pi為分布式光伏發(fā)電i的裝機(jī)容量；n為分布式光伏發(fā)電的數(shù)量。

(2)電網(wǎng)改造成本。

電網(wǎng)改造成本計算相對復(fù)雜，需要進(jìn)行年度8 760h分析，并和電網(wǎng)改造策略有關(guān)。本文采用的改造成本分析方法為，基于年度8 760h的配電網(wǎng)運行穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，根據(jù)給定的超過電網(wǎng)接納能力后的限電策略確定各個時間點的限電量，從而以年度累計限電量是否超標(biāo)為依據(jù)判斷是否進(jìn)行電網(wǎng)改造，并確定需要進(jìn)行改造的線路及相應(yīng)成本。

(2)

式中：Ckmi為線路i的單位長度成本；Li為線路i的長度；Ri表示線路i是否需要進(jìn)行改造，如需改造則為1，不改造則為0；m為該網(wǎng)絡(luò)中線路的數(shù)量。

(3)維護(hù)成本。

維護(hù)成本主要包括項目本體和進(jìn)行改造的電網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)成本，通常按照投資成本的一定比例進(jìn)行估算。分布式光伏發(fā)電的維護(hù)成本按照容量進(jìn)行計算，進(jìn)行改造的電網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)成本按照改造成本的特定比例進(jìn)行估算。

(3)

式中：Komi為分布式光伏發(fā)電i的單位容量維護(hù)成本；Pi為分布式光伏發(fā)電i的裝機(jī)容量；Kr為電網(wǎng)設(shè)備維護(hù)成本改造成本的比例系數(shù)。

(4)限電損失。

分布式光伏發(fā)電的限電損失以限電量和單位電量價值之積表示。

(4)

式中:Ei,t為t時刻分布式光伏發(fā)電i的限電量；CE為單位限電量的價值。

2011年8月24日，國務(wù)院常務(wù)會議原則通過《太湖流域管理條例》。條例是我國首部流域綜合性行政法規(guī)。條例的出臺對推動太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，維護(hù)太湖流域生態(tài)安全，保障太湖流域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是我國流域立法的重要里程碑。

2.2 效益的量化

(1)降低系統(tǒng)損耗效益。

分布式光伏發(fā)電接入帶來的降損效益與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行方式、負(fù)荷情況及光伏發(fā)電的位置、容量和運行方式等密切相關(guān)，需要進(jìn)行年度8 760h潮流計算，以式(5)表示。

(5)

式中:Ebasisloss為沒有分布式光伏發(fā)電接入時的系統(tǒng)基準(zhǔn)損耗；ri為第i條線路的單位長度阻抗；li為第i條線路的單位長度阻抗；Ui,t為第i條線路在t時刻的電壓；Pi,t為t時刻流過第i條線路的有功；Qi,t為t時刻流過第i條線路的無功；CE為單位損耗電量的價值，同單位限電量的價值。

(2)延緩系統(tǒng)投資效益。

分布式光伏發(fā)電的延緩?fù)顿Y效益以光伏接入后網(wǎng)絡(luò)變壓器最大需量的減少值和單位需量所需的電網(wǎng)電源投資成本之積表示。

Binv=(Pbasis-PmaxT)·CkW

(6)

式中:Pbasis為沒有分布式光伏發(fā)電接入時的變壓器最大供電功率；PmaxT為分布式光伏發(fā)電接入后的變壓器最大供電功率；CkW為滿足變壓器單位供電功率所需要的電網(wǎng)電源投資成本。

(3)節(jié)能效益。

(7)

式中：MkWh為燃煤火電機(jī)組生產(chǎn)單位電量所消耗的煤炭量；CkWh為單位煤炭量的價格；n為分布式光伏發(fā)電的數(shù)量；Ei,t為t時刻分布式光伏發(fā)電i的發(fā)電量。

(4)環(huán)境效益。

分布式光伏發(fā)電的環(huán)境效益需要考慮多種污染物的減排效益，包括NOx、CO2、CO、SO2、粉煤灰等，以常規(guī)機(jī)組發(fā)出同等電量產(chǎn)生的污染物進(jìn)行衡量。文獻(xiàn)[10]給出了各種發(fā)電技術(shù)污染物排放系數(shù)，燃煤發(fā)電產(chǎn)生的NOx、CO2、CO、SO2、粉煤灰的排放系數(shù)分別為3.80，882.80，0.124，8.556，52.278 g/(kW·h)，光伏發(fā)電各項排放均為0。分布式光伏發(fā)電接入帶來的環(huán)境效益以式(8)表示。

(8)

式中：X為排放污染物種類數(shù)；Pok為第k種污染物的排放系數(shù)；Ck為污染物處理成本系數(shù)。各污染物評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 電力行業(yè)污染物處理評價標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Evaluation standard of pollutant

emission in power industry

3 分布式光伏接入的綜合成本效益分析

本文針對高滲透率分布式光伏可能帶來的電網(wǎng)改造，建立了分布式光伏接入的綜合成本效益分析模型，計算式為：

(9)

式中：CCF為分布式光伏發(fā)電接入帶來的綜合成本效益；Cg為項目初投資成本；Cr為分布式光伏接入引起的電網(wǎng)改造成本；Com為維護(hù)成本；Cc為限電損失；Binv為延緩系統(tǒng)投資收益；Bloss為降低系統(tǒng)損耗收益；Benergy為節(jié)能效益；Benvironment為環(huán)境收益。

考慮到各項成本效益與電網(wǎng)年度運行狀態(tài)有關(guān)，本文提出了基于年度8 760h網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的成本效益分析方法，流程圖見圖1。

4 高滲透率光伏的優(yōu)化規(guī)劃案例研究

4.1 案例基本情況

選取我國北方地區(qū)某光伏扶貧村作為案例進(jìn)行研究，該村共有4臺公用配變，主變?nèi)萘繛?3100+200)kVA，居民160余戶，其中102戶適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，每戶可安裝3kW，允許安裝的總裝機(jī)容量為306kW。其中，村東變、村東北變、村內(nèi)變和村南變可安裝光伏的戶數(shù)為33，24，42和3戶。鑒于篇幅，給出村東變和村東北變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和適合安裝光伏發(fā)電的位置，如圖2、3所示。

本文擬在適合安裝的102戶屋頂上安裝60個光伏發(fā)電系統(tǒng)，每個發(fā)電系統(tǒng)為3kW，優(yōu)化規(guī)劃的目標(biāo)是使得整體的成本和效益最優(yōu)。

4.2 情景設(shè)置

考慮到接入位置、容量、電網(wǎng)改造和限電策略的差異，初步提出如下典型的規(guī)劃情景。其中，考慮到村南變可安裝數(shù)量較少，僅為3戶，即使全部安裝也不會造成村南變電壓越限，因此在規(guī)劃情景設(shè)置中默認(rèn)村南變適合安裝光伏的3戶優(yōu)先安裝。

圖1 綜合成本效益分析流程圖Fig.1 Flowchart of comprehensive cost benefits analysis

圖2 村東變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和適合安裝光伏的位置Fig.2 Network structure of Cundong transformer and location suitable for distributed PV

圖3 村東北變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和光伏接入位置Fig.3 Network structure of Cundongbei transformer and location suitable for distributed PV

情景1：分布式光伏發(fā)電優(yōu)先接入村東北變、村南變和村內(nèi)變的位置，剩余光伏發(fā)電接入村東變。

情景2：分布式光伏發(fā)電優(yōu)先接入村東變、村南變和村內(nèi)變的位置，剩余光伏發(fā)電接入村東北變。

情景3：分布式光伏發(fā)電優(yōu)先接入村東變、村東北變和村南變的位置，剩余光伏發(fā)電接入村內(nèi)變。

情景4：結(jié)合上述多種規(guī)劃情景下的分析結(jié)果，給出分散優(yōu)化接入4臺配變的情景，盡可能使得接入光伏后各配變不出現(xiàn)電壓越限、電流超標(biāo)的情況。

在上述典型接入場景下，考慮3種電網(wǎng)改造和限電策略，分別是允許任意限電，僅允許不超過5%的限電，僅允許不超過1%的限電。由于該案例下光伏滲透率很高，部分規(guī)劃情景即使進(jìn)行大規(guī)模改造也難以實現(xiàn)不限電，因此設(shè)定了僅允許不超過1%的限電否則需要進(jìn)行改造的策略，而不是一定要進(jìn)行改造直至限電量為0。

4.3 優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果分析

對該光伏扶貧村多種規(guī)劃情景進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，得出結(jié)果如表2所示。表2中數(shù)據(jù)均為年化值。由于在不同規(guī)劃情景下項目投資成本基本一樣，因此限于篇幅，表中不再給出數(shù)值。本案例中變壓器最大功率出現(xiàn)在負(fù)荷較大、光伏出力較小時刻，此時刻不存在光伏限電，因此各個情景下的變壓器最大功率相同，即延緩?fù)顿Y效益相同，在表中也不再給出數(shù)值。同時，假定線路更換后基本上沒有更改維護(hù)工作量，維護(hù)成本和沒有光伏接入時幾乎一樣，在表中也不再給出電網(wǎng)維護(hù)成本的數(shù)值。

表2 不同規(guī)劃情景下的成本效益

Table 2 Cost benefits in different planning scenarios

元

綜合上述研究結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)分布式光伏發(fā)電規(guī)劃對綜合經(jīng)濟(jì)性具有較大影響，實際實施中需要重點關(guān)注。不同規(guī)劃情景下年化綜合成本效益最多相差近40%。

(2)分布式光伏發(fā)電優(yōu)化布局，盡量分散接入有利于減少限電、電網(wǎng)改造和綜合經(jīng)濟(jì)性更好。情景4中分布式光伏發(fā)電分散接入全村4臺變壓器，和電網(wǎng)、負(fù)荷優(yōu)化匹配，使得綜合成本效益最好。

(3)通常情況下盡量不進(jìn)行電網(wǎng)改造，但如果出現(xiàn)大比例的限電，進(jìn)行電網(wǎng)改造成本有利于提高綜合成本效益。在電網(wǎng)改造時，優(yōu)先選擇主干線進(jìn)行改造，有利于降低成本。

5 結(jié) 論

針對目前分布式電源優(yōu)化研究大多沒有考慮高滲透率情景，且沒有全面計及各項成本和效益的現(xiàn)狀，本文提出了一種計及電網(wǎng)改造成本的高滲透率分布式光伏接入綜合經(jīng)濟(jì)性分析方法，基于典型規(guī)劃場景的年度8 760 h的分析結(jié)果，對高滲透率光伏接入進(jìn)行典型規(guī)劃情景研究。研究結(jié)果顯示，不同規(guī)劃情景下分布式光伏接入的綜合經(jīng)濟(jì)性相差較大，應(yīng)盡可能優(yōu)化布局，分散接入，僅在限電比例過高時進(jìn)行電網(wǎng)改造，有利于提高分布式光伏接入的綜合經(jīng)濟(jì)性。

本文研究得到的優(yōu)化規(guī)劃情景來自于給定的典型規(guī)劃情景，雖然在規(guī)劃情景設(shè)置時，依據(jù)實際經(jīng)驗和大量規(guī)劃情景的結(jié)果，對預(yù)期優(yōu)化情景盡量給予優(yōu)化，但畢竟不是嚴(yán)格意義的全局最優(yōu)解，下一步將結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行更準(zhǔn)確的求解。

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(編輯：劉文瑩)

Distributed Photovoltaic Optimal Planning with High Permeability Considering Grid Reinforcement

HUANG Bibin1, LI Qionghui1, GAO Fei2

(1. State Grid Energy Research Institute, Beijing 102209, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

With the policies supported by national and local governments, the distributed photovoltaic power generation achieves rapid development in recent years. The relatively high penetration of distributed photovoltaic system in some areas leads to the requirement of grid reinforcement. And the distributed photovoltaic system also faces the risk of power ration. According to the grid reinforcement cost, loss reduction and grid investment delay and other cost benefits caused by distributed photovoltaic system with high permeability, this paper proposed a comprehensive cost benefit analysis method with considering grid reinforcement. Then, based on the analysis results of 8 760 hours in typical planning scenario, the optimal planning research on integration of high penetration distributed photovoltaic system was carried out, whose results could provide references for the scientific planning of high penetration distributed photovoltaic system.

high permeability; distributed photovoltaic; optimal planning; cost benefit

TM 74

A

1000-7229(2015)10-0082-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.012

2015-06-30

2015-08-04

黃碧斌(1982)，男，博士，高級工程師，從事新能源和分布式電源的政策法規(guī)、規(guī)劃運營和技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究工作；

李瓊慧(1969)，女，碩士，高級工程師，從事能源電力和新能源的政策管理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究工作；

高菲(1984)，女，博士，工程師，從事配電網(wǎng)運行分析和優(yōu)化工作。