农村配电网在实施“煤改电”项目背景下的光伏消纳研究

许振波，王佳伟，翟 帅

（1.国网山西省电力公司经济技术研究院，山西 太原 030600；2.国网山西省电力公司临汾供电公司，山西 临汾 041000）

0 引言

为了落实《大气污染防治行动计划》，对部分农村用户冬季取暖进行了煤改电改造，并对部分农村配电网线路进行了升级改造。现阶段农村配电网煤改电项目的研究主要关注煤改电区域负荷变化和项目实施成本的分析。文献 [1]在分析低压配电网现有问题的基础上，得出煤改电用户负荷和评价指标。文献 [2]对比了京津冀现有煤改电项目建设运行成本、运行情况以及对配电网的影响和对补贴支持政策的依赖，得出煤改电用户经济电价。文献 [3]利用综合评价模型分析并估算不同情景下实施煤改电项目对环境质量、健康效益和经济效益的影响。文献 [4]设计了用于评估煤改电项目综合效益的评价指标体系，采用层次分析法和熵权法相结合的组合赋权法对煤改电工程进行综合效益评估。文献 [5]以某区域实际实施的煤改电项目为例，利用模糊评判理论，得出煤改电项目效益评判的相关指标和方法，针对煤改电项目的环保效益、社会效益和经济效益进行综合评判。文献 [6]对实施煤改电项目的节点进行负荷预测和分析，为煤改电项目的进一步实施提供数据支撑。文献 [7]提出一种基于年替代电量的年节约标准煤和减少污染物排放的计算方法，并以新疆煤改电项目作为案例进行分析。文献 [8]对煤改电项目中使用的不同类型采暖设备所产生的谐波进行仿真，分析得出煤改电工程对农网电能质量的影响。

考虑到农村适宜安装分布式光伏，因此煤改电项目的实施可以有效提升农村配电网分布式光伏装机容量。对于农村配电网接入分布式光伏的研究主要集中于配电网的光伏消纳能力。文献 [9]利用DIgSILENT/PowerFactory 仿真软件分析配电网不同位置接入分布式光伏电源对其电能质量的影响，进一步推导出配电网接入的最大光伏容量。文献 [10-13]提出以光伏渗透率作为配电网消纳光伏容量的计算依据，并分析了不同光伏渗透率对配电网电能质量和光伏装机容量的影响。文献[14]基于改进的遗传算法，结合电压质量、网络损耗、投资成本等目标，提出了分布式光伏接入配电网的选址定容优化方案。文献 [15]以降低分布式光伏投资成本和减少系统网络损耗为目标，提出分布式光伏接入农村配电网多目标配置方法。本文通过分析农村配电网在煤改电项目实施下光伏装机容量，以及经济运行成本，提出了农村配电网分布式光伏优化配置方案。方案考虑了农村配电网煤改电项目对既有线路的改造成本和分布式光伏全寿命周期成本，并通过IEEE33 节点系统进行仿真计算，验证了本文所提出方案的经济性和可行性。

1 农村配电网光伏装机成本

随着煤改电工程的实施，现有农村配电网线路无法满足农村用户使用电取暖设备的需求，必须对煤改电线路进行改造。改造后的煤改电线路改电节点在农村供暖期能满足负荷需求，非供暖期负荷则会大幅度削减，无法使煤改电线路长期经济运行。分布式光伏主要在白天发电，中午时光照强度达到峰值，此时分布式光伏输出功率最大。因此，在农村配电网的煤改电节点增加分布式光伏电源，可以在供暖期降低煤改电线路负载，减少用户用电成本，提高农村配电网节点末端电压；在非供暖期通过煤改电线路实现光伏上网，增加用户售电收入，实现煤改电线路全年经济运行。本文建立了分布式光伏的全寿命周期成本/效益模型，提出的分布式光伏并网成本效益分析流程如图1 所示。

流程主要包括以下步骤：第一，依据农村配电网实施煤改电项目节点用电负荷大小，预测负荷总量；第二，依据农村配电网分布式光伏输出功率和负荷曲线进行匹配分析；第三，模拟农村配电网分布式光伏和负荷匹配场景；第四，明确分布式光伏装机容量的计算参数和边界条件；第五，根据第四的计算参数和边界条件，筛选模拟结果，确定农村配电网分布式光伏装机容量；第六，计算分布式光伏投资成本和运行维护费用。

图1 分布式光伏并网成本效益分析流程图

根据农村配电网分布式光伏装机容量，分为系统固有光伏装机容量和系统最大光伏装机容量。系统固有光伏装机容量为满足系统电压约束的条件下，对光伏的装机地点和容量没有限制；系统最大光伏装机容量为满足系统电压约束条件，光伏的装机地点和容量需按照计划安装。煤改电用户负荷与分布式光伏供需关系如图2 所示。

图2 煤改电用户负荷与分布式光伏供需关系图

在图2 中，纵坐标为分布式光伏输出功率和煤改电节点负荷需求，横坐标为时间。分布式光伏装机容量为系统固有光伏装机容量，在供暖期光伏输出功率小于煤改电用户负荷需求，在非供暖期光伏输出功率超过煤改电用户负荷需求；分布式光伏装机容量为系统最大光伏装机容量时，供暖期和非供暖期光伏输出功率都超过煤改电用户负荷需求。图2 中①为用户日用电电量；②为并网的分布式光伏日上网节省电量；③为并网的分布式光伏日上网售电电量。

农村煤改电线路改造费用为

其中，Im为农村配电网煤改电项目改造费用，元；m 为煤改电改造节点个数；为节点平均煤改电用户数；Cm为煤改电项目线路户均改造费用，元/户。

分布式光伏初期投资费用为[16]

其中，Ig为分布式光伏的初期投资费用，元；W 为分布式光伏的装机容量，W；CW为分布式光伏单位装机容量成本，W/元。

分布式光伏年维护成本为

其中，Mg为分布式光伏的年运行维护费用，元；Rg为分布式光伏的运行维护率。

分布式光伏年上网电费收入为

其中，Ib为分布式光伏年上网电费收入，元；Eqi为并网的分布式光伏日上网售电电量；Pc为售电价，元/（kW·h）。

分布式光伏节省电费收入为

其中，Ik为分布式光伏节省电费收入，元；Eci为并网的分布式光伏日上网节省电量；Pk为购电价，元/（kW·h）。

电价补贴方式（自发自用模式） 下的总收入现值为

其中，Bp为总收入现值，元；G 为补贴电价收入，元。

分布式光伏装机容量与光伏发电量关系为

其中，IPV为光伏发电量；γ 为折算光照效率；t 为1 d 光照时间。

2 蒙特卡罗随机模拟法

由于农村实施煤改电项目的配电网线路负荷较大，需对煤改电项目节点的既有线路进行升级改造，而非煤改电项目节点的配电网线路不进行改造。为了模拟光伏接入农村配电网的各个节点场景，采用蒙特卡罗随机模拟法模拟每个节点的光伏装机容量，限定每个节点的电压上下限，通过潮流计算得到不同场景下可行的光伏装机容量。

随着煤改电工程的实施，农村用户供暖期用电负荷大量增加，加上用户用电负荷低谷与光伏发电高峰并不完全重合，所以选取供暖期光伏渗透率最大的1 d 作为典型日，进行光伏渗透率计算。光伏渗透率计算公式为

其中，λPV为光伏渗透率；PPV（t）表示分布式光伏在t 时刻输出功率；Pload（t）表示用户在t 时刻负荷需求。

研究具有N 个节点的农村配电网，模拟节点所在区域光伏光照强度、供暖期节点负荷值、分布式光伏接入节点位置、分布式光伏的装机容量。模拟农村配电网不同场景下的光伏装机容量流程如图3 所示。

图3 模拟农村配电网不同场景下的光伏装机容量图

具体操作步骤如下：第一步，模拟农村配电网供暖期N 个节点负荷，在N 个节点中选取M 个节点作为煤改电示范项目节点；第二步，模拟非煤改电节点负荷，在负荷数据库中选取N-M 个农村配电网负荷节点，并进行随机分配；第三步，模拟不同的光伏渗透率和分布式光伏接入节点；第四步，模拟分布式光伏装机容量，根据光伏渗透率，设置分布式光伏装机容量；第五步，限定电压边界条件，对农村配电网进行潮流计算。

3 基于煤改电项目的农村配电网分析

在实施了煤改电项目的农村配电网中，用户采用的供暖设备大致为空气源热泵、电锅炉、蓄热式电暖气等，因此在供暖期农村用电负荷需求增加了。为保障煤改电项目的顺利实施，农村配电网部分线路需进行升级改造。

3.1 农村配电网煤改电项目场景分析

农村配电网由于地理分布、用户数量和用电习惯各有不同，需要针对农村配电网煤改电项目进行不同应用场景的分析。表1 为农村配电网煤改电项目场景数据。其中，场景1～7 为某区域农村配电网仅实施煤改电项目，且在不同场景中实施煤改电用户数不同；场景8 为某区域农村配电网实施煤改电项目的同时接入分布式光伏。

表1 农村配电网煤改电项目场景数据

由表1 可知，实施煤改电项目节点负荷增长的折算倍数约为实施煤改电项目前的5 倍。由于煤改电用户大多采用电量计价方式，在煤改电供暖期居民用户电费到户均价为0.29 元/（kW·h），剔除补贴后均价为0.094 元/（kW·h）；非居民用户电费到户均价为 0.417 元/（kW·h） （非居民无补贴）。

场景1～7 为某区域农村配电网仅接入煤改电负荷，无其他分布式电源。在场景3 中煤改电户均最大负荷为3.34 kW，煤改电工程实施后供暖期负荷增长5.49 倍。

3.2 基于煤改电项目的农村配电网光伏消纳

在农村配电网光伏装机容量小于固有光伏装机容量时，农村配电网可以消纳安装在任意节点的分布式光伏；在农村配电网光伏装机容量大于固有光伏装机容量时，为满足电压约束条件，需按各个节点负荷大小规划节点装机容量，即为最大光伏装机容量。表1 中，场景8 为某区域农村配电网，在接入煤改电负荷的同时接入分布式能源光伏。由于台区中接入了分布式光伏，使线路出现倒送潮流，供暖期最低负荷为-401.68 kW，煤改电的居民户均负荷约0.14 kW/户。在农村配电网的煤改电节点用户安装分布式光伏电源，在供暖期光伏发电使新增加的煤改电负荷就地消纳，减少用户电费；在非供暖期用户负荷明显减少，实施煤改电项目的台区线路存在裕度，可以利用分布式光伏发电，实现余量上网。

4 案例分析

为了对比分析煤改电项目实施与非实施区域的光伏装机容量，本文采用如图4 所示的IEEE33 节点作为仿真案例系统，其中节点16～23 负荷数据采用煤改电项目实施前后的同一区域用电数据。

图4 IEEE 33 节点配电网单线图

4.1 光伏消纳分析

在IEEE33 节点系统中，对8 个节点实施煤改电项目，在供暖期农村用户负荷增大。依据表1可知，煤改电项目用户在供暖期负荷增长了5 倍之多。以此为基础，对农村配电网分布式光伏消纳能力进行测算，具体数值如表2 所示。

表2 煤改电项目实施前后光伏装机容量

相较于煤改电项目实施前，农村配电网系统的分布式光伏固有装机容量和最大装机容量都有所增加。农村配电网煤改电项目实时前后各个节点的光伏装机容量如图5 所示。

图5 煤改电项目实时前后各个节点光伏装机容量图

由图5 可知，在农村配电网煤改电项目实施节点16～23 的光伏装机容量得到提升。在煤改电项目实施节点安装分布式光伏，在供暖期分布式光伏发电自发自用，减少煤改电线路负载；在非供暖期利用煤改电线路实现分布式光伏发电上网。

4.2 成本分析

对农村配电网在实施煤改电项目后的光伏消纳进行成本分析，具体计算参数如表3 所示。

表3 光伏消纳成本计算参数

依据表3 和式（1）～式（7）计算得出的农村配电网安装分布式光伏的投资成本如表4 所示。以系统固有光伏装机容量和系统最大光伏装机容量计算增加的光伏装机成本和经济效益。

表4 增加的光伏装机成本和经济效益

煤改电项目实施后， 系统固有分布式光伏装机容量增加1.98 MW， 系统最大分布式光伏装机容量增加10.924 1 MW。 以系统固有光伏装机容量计，新增分布式光伏在供暖期节约电费62.01 万元/a，供暖期无售电收入， 在非供暖期光伏售电收入为284.2 万元/a。 新增投资成本为 2 584.8 万元， 设备维护费用为59.4 万元/a， 节约费用和售电收入为 346.21 万元/a， 预计 9≠a 可收回新增成本。 以系统最大光伏装机容量计算， 新增分布式光伏在供暖期节约电费约62.01 万元/a， 供暖期售电收入约629.81 万元/a， 非供暖期光伏售电收入达到了1 570.52 万元/a。 因新增投资成本 11 529.2 万元，设备维护费用327.723 万元/a， 节约费用和售电收入为2 262.34 万元/a， 预计6≠a 可收回新增成本。

通过对IEEE33 节点案例进行仿真分析， 对于煤改电项目实施地区， 农村配电网的分布式光伏消纳能力得到提升。 利用煤改电改造线路， 提高了分布式光伏电源非供暖期发电上网电量。

5 结束语

煤改电项目实施后， 对部分农村配电网既有线路进行了升级改造， 满足了供暖期大幅增加的农村用电负荷。 另外， 煤改电项目也提高了农村配电网的分布式光伏装机容量。 光伏消纳方案考虑煤改电项目新增负荷、 改造线路成本与分布式光伏消纳问题， 提出了增加农村配电网分布式光伏电源， 在供暖期分布式光伏自发自用， 减少农村配电网线路负载； 在非供暖期分布式光伏利用既有线路， 实现余量上网。 通过IEEE33 节点仿真案例， 得出了煤改电项目实施后增加了分布式光伏装机容量的结论， 并计算了分布式光伏的经济成本， 验证了该方案的经济性和可行性。