農(nóng)村配電網(wǎng)在實(shí)施“煤改電”項(xiàng)目背景下的光伏消納研究

許振波，王佳偉，翟 帥

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030600；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

為了落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，對(duì)部分農(nóng)村用戶冬季取暖進(jìn)行了煤改電改造，并對(duì)部分農(nóng)村配電網(wǎng)線路進(jìn)行了升級(jí)改造。現(xiàn)階段農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目的研究主要關(guān)注煤改電區(qū)域負(fù)荷變化和項(xiàng)目實(shí)施成本的分析。文獻(xiàn) [1]在分析低壓配電網(wǎng)現(xiàn)有問(wèn)題的基礎(chǔ)上，得出煤改電用戶負(fù)荷和評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn) [2]對(duì)比了京津冀現(xiàn)有煤改電項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行成本、運(yùn)行情況以及對(duì)配電網(wǎng)的影響和對(duì)補(bǔ)貼支持政策的依賴，得出煤改電用戶經(jīng)濟(jì)電價(jià)。文獻(xiàn) [3]利用綜合評(píng)價(jià)模型分析并估算不同情景下實(shí)施煤改電項(xiàng)目對(duì)環(huán)境質(zhì)量、健康效益和經(jīng)濟(jì)效益的影響。文獻(xiàn) [4]設(shè)計(jì)了用于評(píng)估煤改電項(xiàng)目綜合效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法對(duì)煤改電工程進(jìn)行綜合效益評(píng)估。文獻(xiàn) [5]以某區(qū)域?qū)嶋H實(shí)施的煤改電項(xiàng)目為例，利用模糊評(píng)判理論，得出煤改電項(xiàng)目效益評(píng)判的相關(guān)指標(biāo)和方法，針對(duì)煤改電項(xiàng)目的環(huán)保效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評(píng)判。文獻(xiàn) [6]對(duì)實(shí)施煤改電項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)和分析，為煤改電項(xiàng)目的進(jìn)一步實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn) [7]提出一種基于年替代電量的年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤和減少污染物排放的計(jì)算方法，并以新疆煤改電項(xiàng)目作為案例進(jìn)行分析。文獻(xiàn) [8]對(duì)煤改電項(xiàng)目中使用的不同類型采暖設(shè)備所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行仿真，分析得出煤改電工程對(duì)農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

考慮到農(nóng)村適宜安裝分布式光伏，因此煤改電項(xiàng)目的實(shí)施可以有效提升農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏裝機(jī)容量。對(duì)于農(nóng)村配電網(wǎng)接入分布式光伏的研究主要集中于配電網(wǎng)的光伏消納能力。文獻(xiàn) [9]利用DIgSILENT/PowerFactory 仿真軟件分析配電網(wǎng)不同位置接入分布式光伏電源對(duì)其電能質(zhì)量的影響，進(jìn)一步推導(dǎo)出配電網(wǎng)接入的最大光伏容量。文獻(xiàn) [10-13]提出以光伏滲透率作為配電網(wǎng)消納光伏容量的計(jì)算依據(jù)，并分析了不同光伏滲透率對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量和光伏裝機(jī)容量的影響。文獻(xiàn)[14]基于改進(jìn)的遺傳算法，結(jié)合電壓質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗、投資成本等目標(biāo)，提出了分布式光伏接入配電網(wǎng)的選址定容優(yōu)化方案。文獻(xiàn) [15]以降低分布式光伏投資成本和減少系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗為目標(biāo)，提出分布式光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)多目標(biāo)配置方法。本文通過(guò)分析農(nóng)村配電網(wǎng)在煤改電項(xiàng)目實(shí)施下光伏裝機(jī)容量，以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本，提出了農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏優(yōu)化配置方案。方案考慮了農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目對(duì)既有線路的改造成本和分布式光伏全壽命周期成本，并通過(guò)IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了本文所提出方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

1 農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機(jī)成本

隨著煤改電工程的實(shí)施，現(xiàn)有農(nóng)村配電網(wǎng)線路無(wú)法滿足農(nóng)村用戶使用電取暖設(shè)備的需求，必須對(duì)煤改電線路進(jìn)行改造。改造后的煤改電線路改電節(jié)點(diǎn)在農(nóng)村供暖期能滿足負(fù)荷需求，非供暖期負(fù)荷則會(huì)大幅度削減，無(wú)法使煤改電線路長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。分布式光伏主要在白天發(fā)電，中午時(shí)光照強(qiáng)度達(dá)到峰值，此時(shí)分布式光伏輸出功率最大。因此，在農(nóng)村配電網(wǎng)的煤改電節(jié)點(diǎn)增加分布式光伏電源，可以在供暖期降低煤改電線路負(fù)載，減少用戶用電成本，提高農(nóng)村配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)末端電壓；在非供暖期通過(guò)煤改電線路實(shí)現(xiàn)光伏上網(wǎng)，增加用戶售電收入，實(shí)現(xiàn)煤改電線路全年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文建立了分布式光伏的全壽命周期成本/效益模型，提出的分布式光伏并網(wǎng)成本效益分析流程如圖1 所示。

流程主要包括以下步驟：第一，依據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)實(shí)施煤改電項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)用電負(fù)荷大小，預(yù)測(cè)負(fù)荷總量；第二，依據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏輸出功率和負(fù)荷曲線進(jìn)行匹配分析；第三，模擬農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏和負(fù)荷匹配場(chǎng)景；第四，明確分布式光伏裝機(jī)容量的計(jì)算參數(shù)和邊界條件；第五，根據(jù)第四的計(jì)算參數(shù)和邊界條件，篩選模擬結(jié)果，確定農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏裝機(jī)容量；第六，計(jì)算分布式光伏投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

圖1 分布式光伏并網(wǎng)成本效益分析流程圖

根據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏裝機(jī)容量，分為系統(tǒng)固有光伏裝機(jī)容量和系統(tǒng)最大光伏裝機(jī)容量。系統(tǒng)固有光伏裝機(jī)容量為滿足系統(tǒng)電壓約束的條件下，對(duì)光伏的裝機(jī)地點(diǎn)和容量沒(méi)有限制；系統(tǒng)最大光伏裝機(jī)容量為滿足系統(tǒng)電壓約束條件，光伏的裝機(jī)地點(diǎn)和容量需按照計(jì)劃安裝。煤改電用戶負(fù)荷與分布式光伏供需關(guān)系如圖2 所示。

圖2 煤改電用戶負(fù)荷與分布式光伏供需關(guān)系圖

在圖2 中，縱坐標(biāo)為分布式光伏輸出功率和煤改電節(jié)點(diǎn)負(fù)荷需求，橫坐標(biāo)為時(shí)間。分布式光伏裝機(jī)容量為系統(tǒng)固有光伏裝機(jī)容量，在供暖期光伏輸出功率小于煤改電用戶負(fù)荷需求，在非供暖期光伏輸出功率超過(guò)煤改電用戶負(fù)荷需求；分布式光伏裝機(jī)容量為系統(tǒng)最大光伏裝機(jī)容量時(shí)，供暖期和非供暖期光伏輸出功率都超過(guò)煤改電用戶負(fù)荷需求。圖2 中①為用戶日用電電量；②為并網(wǎng)的分布式光伏日上網(wǎng)節(jié)省電量；③為并網(wǎng)的分布式光伏日上網(wǎng)售電電量。

農(nóng)村煤改電線路改造費(fèi)用為

其中，Im為農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目改造費(fèi)用，元；m 為煤改電改造節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；為節(jié)點(diǎn)平均煤改電用戶數(shù)；Cm為煤改電項(xiàng)目線路戶均改造費(fèi)用，元/戶。

分布式光伏初期投資費(fèi)用為[16]

其中，Ig為分布式光伏的初期投資費(fèi)用，元；W 為分布式光伏的裝機(jī)容量，W；CW為分布式光伏單位裝機(jī)容量成本，W/元。

分布式光伏年維護(hù)成本為

其中，Mg為分布式光伏的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元；Rg為分布式光伏的運(yùn)行維護(hù)率。

分布式光伏年上網(wǎng)電費(fèi)收入為

其中，Ib為分布式光伏年上網(wǎng)電費(fèi)收入，元；Eqi為并網(wǎng)的分布式光伏日上網(wǎng)售電電量；Pc為售電價(jià)，元/（kW·h）。

分布式光伏節(jié)省電費(fèi)收入為

其中，Ik為分布式光伏節(jié)省電費(fèi)收入，元；Eci為并網(wǎng)的分布式光伏日上網(wǎng)節(jié)省電量；Pk為購(gòu)電價(jià)，元/（kW·h）。

電價(jià)補(bǔ)貼方式（自發(fā)自用模式） 下的總收入現(xiàn)值為

其中，Bp為總收入現(xiàn)值，元；G 為補(bǔ)貼電價(jià)收入，元。

分布式光伏裝機(jī)容量與光伏發(fā)電量關(guān)系為

其中，IPV為光伏發(fā)電量；γ 為折算光照效率；t 為1 d 光照時(shí)間。

2 蒙特卡羅隨機(jī)模擬法

由于農(nóng)村實(shí)施煤改電項(xiàng)目的配電網(wǎng)線路負(fù)荷較大，需對(duì)煤改電項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)的既有線路進(jìn)行升級(jí)改造，而非煤改電項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)線路不進(jìn)行改造。為了模擬光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景，采用蒙特卡羅隨機(jī)模擬法模擬每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光伏裝機(jī)容量，限定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓上下限，通過(guò)潮流計(jì)算得到不同場(chǎng)景下可行的光伏裝機(jī)容量。

隨著煤改電工程的實(shí)施，農(nóng)村用戶供暖期用電負(fù)荷大量增加，加上用戶用電負(fù)荷低谷與光伏發(fā)電高峰并不完全重合，所以選取供暖期光伏滲透率最大的1 d 作為典型日，進(jìn)行光伏滲透率計(jì)算。光伏滲透率計(jì)算公式為

其中，λPV為光伏滲透率；PPV（t）表示分布式光伏在t 時(shí)刻輸出功率；Pload（t）表示用戶在t 時(shí)刻負(fù)荷需求。

研究具有N 個(gè)節(jié)點(diǎn)的農(nóng)村配電網(wǎng)，模擬節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域光伏光照強(qiáng)度、供暖期節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值、分布式光伏接入節(jié)點(diǎn)位置、分布式光伏的裝機(jī)容量。模擬農(nóng)村配電網(wǎng)不同場(chǎng)景下的光伏裝機(jī)容量流程如圖3 所示。

圖3 模擬農(nóng)村配電網(wǎng)不同場(chǎng)景下的光伏裝機(jī)容量圖

具體操作步驟如下：第一步，模擬農(nóng)村配電網(wǎng)供暖期N 個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，在N 個(gè)節(jié)點(diǎn)中選取M 個(gè)節(jié)點(diǎn)作為煤改電示范項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)；第二步，模擬非煤改電節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，在負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)中選取N-M 個(gè)農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行隨機(jī)分配；第三步，模擬不同的光伏滲透率和分布式光伏接入節(jié)點(diǎn)；第四步，模擬分布式光伏裝機(jī)容量，根據(jù)光伏滲透率，設(shè)置分布式光伏裝機(jī)容量；第五步，限定電壓邊界條件，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算。

3 基于煤改電項(xiàng)目的農(nóng)村配電網(wǎng)分析

在實(shí)施了煤改電項(xiàng)目的農(nóng)村配電網(wǎng)中，用戶采用的供暖設(shè)備大致為空氣源熱泵、電鍋爐、蓄熱式電暖氣等，因此在供暖期農(nóng)村用電負(fù)荷需求增加了。為保障煤改電項(xiàng)目的順利實(shí)施，農(nóng)村配電網(wǎng)部分線路需進(jìn)行升級(jí)改造。

3.1 農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目場(chǎng)景分析

農(nóng)村配電網(wǎng)由于地理分布、用戶數(shù)量和用電習(xí)慣各有不同，需要針對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目進(jìn)行不同應(yīng)用場(chǎng)景的分析。表1 為農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目場(chǎng)景數(shù)據(jù)。其中，場(chǎng)景1～7 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)僅實(shí)施煤改電項(xiàng)目，且在不同場(chǎng)景中實(shí)施煤改電用戶數(shù)不同；場(chǎng)景8 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)實(shí)施煤改電項(xiàng)目的同時(shí)接入分布式光伏。

表1 農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目場(chǎng)景數(shù)據(jù)

由表1 可知，實(shí)施煤改電項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增長(zhǎng)的折算倍數(shù)約為實(shí)施煤改電項(xiàng)目前的5 倍。由于煤改電用戶大多采用電量計(jì)價(jià)方式，在煤改電供暖期居民用戶電費(fèi)到戶均價(jià)為0.29 元/（kW·h），剔除補(bǔ)貼后均價(jià)為0.094 元/（kW·h）；非居民用戶電費(fèi)到戶均價(jià)為 0.417 元/（kW·h） （非居民無(wú)補(bǔ)貼）。

場(chǎng)景1～7 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)僅接入煤改電負(fù)荷，無(wú)其他分布式電源。在場(chǎng)景3 中煤改電戶均最大負(fù)荷為3.34 kW，煤改電工程實(shí)施后供暖期負(fù)荷增長(zhǎng)5.49 倍。

3.2 基于煤改電項(xiàng)目的農(nóng)村配電網(wǎng)光伏消納

在農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機(jī)容量小于固有光伏裝機(jī)容量時(shí)，農(nóng)村配電網(wǎng)可以消納安裝在任意節(jié)點(diǎn)的分布式光伏；在農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機(jī)容量大于固有光伏裝機(jī)容量時(shí)，為滿足電壓約束條件，需按各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷大小規(guī)劃節(jié)點(diǎn)裝機(jī)容量，即為最大光伏裝機(jī)容量。表1 中，場(chǎng)景8 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)，在接入煤改電負(fù)荷的同時(shí)接入分布式能源光伏。由于臺(tái)區(qū)中接入了分布式光伏，使線路出現(xiàn)倒送潮流，供暖期最低負(fù)荷為-401.68 kW，煤改電的居民戶均負(fù)荷約0.14 kW/戶。在農(nóng)村配電網(wǎng)的煤改電節(jié)點(diǎn)用戶安裝分布式光伏電源，在供暖期光伏發(fā)電使新增加的煤改電負(fù)荷就地消納，減少用戶電費(fèi)；在非供暖期用戶負(fù)荷明顯減少，實(shí)施煤改電項(xiàng)目的臺(tái)區(qū)線路存在裕度，可以利用分布式光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)余量上網(wǎng)。

4 案例分析

為了對(duì)比分析煤改電項(xiàng)目實(shí)施與非實(shí)施區(qū)域的光伏裝機(jī)容量，本文采用如圖4 所示的IEEE33 節(jié)點(diǎn)作為仿真案例系統(tǒng)，其中節(jié)點(diǎn)16～23 負(fù)荷數(shù)據(jù)采用煤改電項(xiàng)目實(shí)施前后的同一區(qū)域用電數(shù)據(jù)。

圖4 IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)單線圖

4.1 光伏消納分析

在IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，對(duì)8 個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)施煤改電項(xiàng)目，在供暖期農(nóng)村用戶負(fù)荷增大。依據(jù)表1可知，煤改電項(xiàng)目用戶在供暖期負(fù)荷增長(zhǎng)了5 倍之多。以此為基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏消納能力進(jìn)行測(cè)算，具體數(shù)值如表2 所示。

表2 煤改電項(xiàng)目實(shí)施前后光伏裝機(jī)容量

相較于煤改電項(xiàng)目實(shí)施前，農(nóng)村配電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式光伏固有裝機(jī)容量和最大裝機(jī)容量都有所增加。農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目實(shí)時(shí)前后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的光伏裝機(jī)容量如圖5 所示。

圖5 煤改電項(xiàng)目實(shí)時(shí)前后各個(gè)節(jié)點(diǎn)光伏裝機(jī)容量圖

由圖5 可知，在農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項(xiàng)目實(shí)施節(jié)點(diǎn)16～23 的光伏裝機(jī)容量得到提升。在煤改電項(xiàng)目實(shí)施節(jié)點(diǎn)安裝分布式光伏，在供暖期分布式光伏發(fā)電自發(fā)自用，減少煤改電線路負(fù)載；在非供暖期利用煤改電線路實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電上網(wǎng)。

4.2 成本分析

對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)在實(shí)施煤改電項(xiàng)目后的光伏消納進(jìn)行成本分析，具體計(jì)算參數(shù)如表3 所示。

表3 光伏消納成本計(jì)算參數(shù)

依據(jù)表3 和式（1）～式（7）計(jì)算得出的農(nóng)村配電網(wǎng)安裝分布式光伏的投資成本如表4 所示。以系統(tǒng)固有光伏裝機(jī)容量和系統(tǒng)最大光伏裝機(jī)容量計(jì)算增加的光伏裝機(jī)成本和經(jīng)濟(jì)效益。

表4 增加的光伏裝機(jī)成本和經(jīng)濟(jì)效益

煤改電項(xiàng)目實(shí)施后， 系統(tǒng)固有分布式光伏裝機(jī)容量增加1.98 MW， 系統(tǒng)最大分布式光伏裝機(jī)容量增加10.924 1 MW。 以系統(tǒng)固有光伏裝機(jī)容量計(jì)，新增分布式光伏在供暖期節(jié)約電費(fèi)62.01 萬(wàn)元/a，供暖期無(wú)售電收入， 在非供暖期光伏售電收入為284.2 萬(wàn)元/a。 新增投資成本為 2 584.8 萬(wàn)元， 設(shè)備維護(hù)費(fèi)用為59.4 萬(wàn)元/a， 節(jié)約費(fèi)用和售電收入為 346.21 萬(wàn)元/a， 預(yù)計(jì) 9≠a 可收回新增成本。 以系統(tǒng)最大光伏裝機(jī)容量計(jì)算， 新增分布式光伏在供暖期節(jié)約電費(fèi)約62.01 萬(wàn)元/a， 供暖期售電收入約629.81 萬(wàn)元/a， 非供暖期光伏售電收入達(dá)到了1 570.52 萬(wàn)元/a。 因新增投資成本 11 529.2 萬(wàn)元，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用327.723 萬(wàn)元/a， 節(jié)約費(fèi)用和售電收入為2 262.34 萬(wàn)元/a， 預(yù)計(jì)6≠a 可收回新增成本。

通過(guò)對(duì)IEEE33 節(jié)點(diǎn)案例進(jìn)行仿真分析， 對(duì)于煤改電項(xiàng)目實(shí)施地區(qū)， 農(nóng)村配電網(wǎng)的分布式光伏消納能力得到提升。 利用煤改電改造線路， 提高了分布式光伏電源非供暖期發(fā)電上網(wǎng)電量。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤改電項(xiàng)目實(shí)施后， 對(duì)部分農(nóng)村配電網(wǎng)既有線路進(jìn)行了升級(jí)改造， 滿足了供暖期大幅增加的農(nóng)村用電負(fù)荷。 另外， 煤改電項(xiàng)目也提高了農(nóng)村配電網(wǎng)的分布式光伏裝機(jī)容量。 光伏消納方案考慮煤改電項(xiàng)目新增負(fù)荷、 改造線路成本與分布式光伏消納問(wèn)題， 提出了增加農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏電源， 在供暖期分布式光伏自發(fā)自用， 減少農(nóng)村配電網(wǎng)線路負(fù)載； 在非供暖期分布式光伏利用既有線路， 實(shí)現(xiàn)余量上網(wǎng)。 通過(guò)IEEE33 節(jié)點(diǎn)仿真案例， 得出了煤改電項(xiàng)目實(shí)施后增加了分布式光伏裝機(jī)容量的結(jié)論， 并計(jì)算了分布式光伏的經(jīng)濟(jì)成本， 驗(yàn)證了該方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性。