許振波，王佳偉，翟 帥

（1.國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟技術研究院，山西 太原 030600；2.國網(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《大氣污染防治行動計劃》，對部分農(nóng)村用戶冬季取暖進行了煤改電改造，并對部分農(nóng)村配電網(wǎng)線路進行了升級改造?，F(xiàn)階段農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目的研究主要關注煤改電區(qū)域負荷變化和項目實施成本的分析。文獻 [1]在分析低壓配電網(wǎng)現(xiàn)有問題的基礎上，得出煤改電用戶負荷和評價指標。文獻 [2]對比了京津冀現(xiàn)有煤改電項目建設運行成本、運行情況以及對配電網(wǎng)的影響和對補貼支持政策的依賴，得出煤改電用戶經(jīng)濟電價。文獻 [3]利用綜合評價模型分析并估算不同情景下實施煤改電項目對環(huán)境質(zhì)量、健康效益和經(jīng)濟效益的影響。文獻 [4]設計了用于評估煤改電項目綜合效益的評價指標體系，采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法對煤改電工程進行綜合效益評估。文獻 [5]以某區(qū)域?qū)嶋H實施的煤改電項目為例，利用模糊評判理論，得出煤改電項目效益評判的相關指標和方法，針對煤改電項目的環(huán)保效益、社會效益和經(jīng)濟效益進行綜合評判。文獻 [6]對實施煤改電項目的節(jié)點進行負荷預測和分析，為煤改電項目的進一步實施提供數(shù)據(jù)支撐。文獻 [7]提出一種基于年替代電量的年節(jié)約標準煤和減少污染物排放的計算方法，并以新疆煤改電項目作為案例進行分析。文獻 [8]對煤改電項目中使用的不同類型采暖設備所產(chǎn)生的諧波進行仿真，分析得出煤改電工程對農(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，因此煤改電項目的實施可以有效提升農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏裝機容量。對于農(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 [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其電能質(zhì)量的影響，進一步推導出配電網(wǎng)接入的最大光伏容量。文獻 [10-13]提出以光伏滲透率作為配電網(wǎng)消納光伏容量的計算依據(jù)，并分析了不同光伏滲透率對配電網(wǎng)電能質(zhì)量和光伏裝機容量的影響。文獻[14]基于改進的遺傳算法，結(jié)合電壓質(zhì)量、網(wǎng)絡損耗、投資成本等目標，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 [15]以降低分布式光伏投資成本和減少系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗為目標，提出分布式光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)多目標配置方法。本文通過分析農(nóng)村配電網(wǎng)在煤改電項目實施下光伏裝機容量，以及經(jīng)濟運行成本，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)煤改電項目對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IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算，驗證了本文所提出方案的經(jīng)濟性和可行性。

1 農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機成本

隨著煤改電工程的實施，現(xiàn)有農(nóng)村配電網(wǎng)線路無法滿足農(nóng)村用戶使用電取暖設備的需求，必須對煤改電線路進行改造。改造后的煤改電線路改電節(jié)點在農(nóng)村供暖期能滿足負荷需求，非供暖期負荷則會大幅度削減，無法使煤改電線路長期經(jīng)濟運行。分布式光伏主要在白天發(fā)電，中午時光照強度達到峰值，此時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)點增加分布式光伏電源，可以在供暖期降低煤改電線路負載，減少用戶用電成本，提高農(nóng)村配電網(wǎng)節(jié)點末端電壓；在非供暖期通過煤改電線路實現(xiàn)光伏上網(wǎng)，增加用戶售電收入，實現(xiàn)煤改電線路全年經(jīng)濟運行。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)實施煤改電項目節(jié)點用電負荷大小，預測負荷總量；第二，依據(jù)農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏輸出功率和負荷曲線進行匹配分析；第三，模擬農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏和負荷匹配場景；第四，明確分布式光伏裝機容量的計算參數(shù)和邊界條件；第五，根據(jù)第四的計算參數(shù)和邊界條件，篩選模擬結(jié)果，確定農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏裝機容量；第六，計算分布式光伏投資成本和運行維護費用。

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)分布式光伏裝機容量，分為系統(tǒng)固有光伏裝機容量和系統(tǒng)最大光伏裝機容量。系統(tǒng)固有光伏裝機容量為滿足系統(tǒng)電壓約束的條件下，對光伏的裝機地點和容量沒有限制；系統(tǒng)最大光伏裝機容量為滿足系統(tǒng)電壓約束條件，光伏的裝機地點和容量需按照計劃安裝。煤改電用戶負荷與分布式光伏供需關系如圖2 所示。

圖2 煤改電用戶負荷與分布式光伏供需關系圖

在圖2 中，縱坐標為分布式光伏輸出功率和煤改電節(jié)點負荷需求，橫坐標為時間。分布式光伏裝機容量為系統(tǒng)固有光伏裝機容量，在供暖期光伏輸出功率小于煤改電用戶負荷需求，在非供暖期光伏輸出功率超過煤改電用戶負荷需求；分布式光伏裝機容量為系統(tǒng)最大光伏裝機容量時，供暖期和非供暖期光伏輸出功率都超過煤改電用戶負荷需求。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用為

其中，Im為農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目改造費用，元；m 為煤改電改造節(jié)點個數(shù)；為節(jié)點平均煤改電用戶數(shù)；Cm為煤改電項目線路戶均改造費用，元/戶。

分布式光伏初期投資費用為[16]

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

分布式光伏年維護成本為

其中，Mg為分布式光伏的年運行維護費用，元；Rg為分布式光伏的運行維護率。

分布式光伏年上網(wǎng)電費收入為

其中，Ib為分布式光伏年上網(wǎng)電費收入，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，元/（kW·h）。

分布式光伏節(jié)省電費收入為

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

電價補貼方式（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 為補貼電價收入，元。

分布式光伏裝機容量與光伏發(fā)電量關系為

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

2 蒙特卡羅隨機模擬法

由于農(nóng)村實施煤改電項目的配電網(wǎng)線路負荷較大，需對煤改電項目節(jié)點的既有線路進行升級改造，而非煤改電項目節(jié)點的配電網(wǎng)線路不進行改造。為了模擬光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)的各個節(jié)點場景，采用蒙特卡羅隨機模擬法模擬每個節(jié)點的光伏裝機容量，限定每個節(jié)點的電壓上下限，通過潮流計算得到不同場景下可行的光伏裝機容量。

隨著煤改電工程的實施，農(nóng)村用戶供暖期用電負荷大量增加，加上用戶用電負荷低谷與光伏發(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，進行光伏滲透率計算。光伏滲透率計算公式為

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

研究具有N 個節(jié)點的農(nóng)村配電網(wǎng)，模擬節(jié)點所在區(qū)域光伏光照強度、供暖期節(jié)點負荷值、分布式光伏接入節(jié)點位置、分布式光伏的裝機容量。模擬農(nóng)村配電網(wǎng)不同場景下的光伏裝機容量流程如圖3 所示。

圖3 模擬農(nóng)村配電網(wǎng)不同場景下的光伏裝機容量圖

具體操作步驟如下：第一步，模擬農(nóng)村配電網(wǎng)供暖期N 個節(jié)點負荷，在N 個節(jié)點中選取M 個節(jié)點作為煤改電示范項目節(jié)點；第二步，模擬非煤改電節(jié)點負荷，在負荷數(shù)據(jù)庫中選取N-M 個農(nóng)村配電網(wǎng)負荷節(jié)點，并進行隨機分配；第三步，模擬不同的光伏滲透率和分布式光伏接入節(jié)點；第四步，模擬分布式光伏裝機容量，根據(jù)光伏滲透率，設置分布式光伏裝機容量；第五步，限定電壓邊界條件，對農(nóng)村配電網(wǎng)進行潮流計算。

3 基于煤改電項目的農(nóng)村配電網(wǎng)分析

在實施了煤改電項目的農(nóng)村配電網(wǎng)中，用戶采用的供暖設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)村用電負荷需求增加了。為保障煤改電項目的順利實施，農(nóng)村配電網(wǎng)部分線路需進行升級改造。

3.1 農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目場景分析

農(nóng)村配電網(wǎng)由于地理分布、用戶數(shù)量和用電習慣各有不同，需要針對農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目進行不同應用場景的分析。表1 為農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目場景數(shù)據(jù)。其中，場景1～7 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)僅實施煤改電項目，且在不同場景中實施煤改電用戶數(shù)不同；場景8 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)實施煤改電項目的同時接入分布式光伏。

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

由表1 可知，實施煤改電項目節(jié)點負荷增長的折算倍數(shù)約為實施煤改電項目前的5 倍。由于煤改電用戶大多采用電量計價方式，在煤改電供暖期居民用戶電費到戶均價為0.29 元/（kW·h），剔除補貼后均價為0.094 元/（kW·h）；非居民用戶電費到戶均價為 0.417 元/（kW·h） （非居民無補貼）。

場景1～7 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)僅接入煤改電負荷，無其他分布式電源。在場景3 中煤改電戶均最大負荷為3.34 kW，煤改電工程實施后供暖期負荷增長5.49 倍。

3.2 基于煤改電項目的農(nóng)村配電網(wǎng)光伏消納

在農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機容量小于固有光伏裝機容量時，農(nóng)村配電網(wǎng)可以消納安裝在任意節(jié)點的分布式光伏；在農(nóng)村配電網(wǎng)光伏裝機容量大于固有光伏裝機容量時，為滿足電壓約束條件，需按各個節(jié)點負荷大小規(guī)劃節(jié)點裝機容量，即為最大光伏裝機容量。表1 中，場景8 為某區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)，在接入煤改電負荷的同時接入分布式能源光伏。由于臺區(qū)中接入了分布式光伏，使線路出現(xiàn)倒送潮流，供暖期最低負荷為-401.68 kW，煤改電的居民戶均負荷約0.14 kW/戶。在農(nóng)村配電網(wǎng)的煤改電節(jié)點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荷就地消納，減少用戶電費；在非供暖期用戶負荷明顯減少，實施煤改電項目的臺區(qū)線路存在裕度，可以利用分布式光伏發(fā)電，實現(xiàn)余量上網(wǎng)。

4 案例分析

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

圖4 IEEE 33 節(jié)點配電網(wǎng)單線圖

4.1 光伏消納分析

在IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)中，對8 個節(jié)點實施煤改電項目，在供暖期農(nóng)村用戶負荷增大。依據(jù)表1可知，煤改電項目用戶在供暖期負荷增長了5 倍之多。以此為基礎，對農(nóng)村配電網(wǎng)分布式光伏消納能力進行測算，具體數(shù)值如表2 所示。

表2 煤改電項目實施前后光伏裝機容量

相較于煤改電項目實施前，農(nóng)村配電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式光伏固有裝機容量和最大裝機容量都有所增加。農(nóng)村配電網(wǎng)煤改電項目實時前后各個節(jié)點的光伏裝機容量如圖5 所示。

圖5 煤改電項目實時前后各個節(jié)點光伏裝機容量圖

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

4.2 成本分析

對農(nóng)村配電網(wǎng)在實施煤改電項目后的光伏消納進行成本分析，具體計算參數(shù)如表3 所示。

表3 光伏消納成本計算參數(shù)

依據(jù)表3 和式（1）～式（7）計算得出的農(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)固有光伏裝機容量和系統(tǒng)最大光伏裝機容量計算增加的光伏裝機成本和經(jīng)濟效益。

表4 增加的光伏裝機成本和經(jīng)濟效益

煤改電項目實施后， 系統(tǒng)固有分布式光伏裝機容量增加1.98 MW， 系統(tǒng)最大分布式光伏裝機容量增加10.924 1 MW。 以系統(tǒng)固有光伏裝機容量計，新增分布式光伏在供暖期節(jié)約電費62.01 萬元/a，供暖期無售電收入， 在非供暖期光伏售電收入為284.2 萬元/a。 新增投資成本為 2 584.8 萬元， 設備維護費用為59.4 萬元/a， 節(jié)約費用和售電收入為 346.21 萬元/a， 預計 9≠a 可收回新增成本。 以系統(tǒng)最大光伏裝機容量計算， 新增分布式光伏在供暖期節(jié)約電費約62.01 萬元/a， 供暖期售電收入約629.81 萬元/a， 非供暖期光伏售電收入達到了1 570.52 萬元/a。 因新增投資成本 11 529.2 萬元，設備維護費用327.723 萬元/a， 節(jié)約費用和售電收入為2 262.34 萬元/a， 預計6≠a 可收回新增成本。

通過對IEEE33 節(jié)點案例進行仿真分析， 對于煤改電項目實施地區(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

煤改電項目實施后， 對部分農(nóng)村配電網(wǎng)既有線路進行了升級改造， 滿足了供暖期大幅增加的農(nóng)村用電負荷。 另外， 煤改電項目也提高了農(nóng)村配電網(wǎng)的分布式光伏裝機容量。 光伏消納方案考慮煤改電項目新增負荷、 改造線路成本與分布式光伏消納問題， 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)線路負載； 在非供暖期分布式光伏利用既有線路， 實現(xiàn)余量上網(wǎng)。 通過IEEE33 節(jié)點仿真案例， 得出了煤改電項目實施后增加了分布式光伏裝機容量的結(jié)論， 并計算了分布式光伏的經(jīng)濟成本， 驗證了該方案的經(jīng)濟性和可行性。