高海拔地區(qū)屋頂分布式光伏承載特性研究

喇先壽，段紀(jì)鵬，張 航

（國(guó)網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司，青海 西寧 810003）

0 前言

為響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，推動(dòng)高海拔地區(qū)屋頂光伏試點(diǎn)工作順利開(kāi)展，光伏開(kāi)發(fā)須要遵循“5432”方針，即黨政機(jī)關(guān)建筑、公共建筑、工商業(yè)廠房、居民屋頂安裝比例不低于50%、40%、30%、20%，為了使得屋頂分布式光伏能夠“宜建盡建”“應(yīng)接盡接”，須要對(duì)區(qū)域光伏承載能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，保證清潔能源全部并網(wǎng)消納。

1 原則

1.1 屋頂光伏接入原則

裝機(jī)容量在0.4 MW及以下時(shí)，根據(jù)居民住宅進(jìn)戶線載流量和可靠供電要求，合理確定接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)的裝機(jī)容量，充分發(fā)揮既有進(jìn)戶線作用。當(dāng)整村開(kāi)發(fā)規(guī)模超過(guò)低壓網(wǎng)用電負(fù)荷，引起配變反向重過(guò)載或用戶過(guò)電壓時(shí)，可采用轉(zhuǎn)變匯集升壓后接入10 kV電網(wǎng)。規(guī)模較小的黨政機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、廠區(qū)直接接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)。

裝機(jī)容量在0.4～6 MW之間時(shí)，采用10 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)。整村開(kāi)發(fā)以及第三方開(kāi)發(fā)的工業(yè)園區(qū)項(xiàng)目接入公共電網(wǎng)，學(xué)校、醫(yī)院以及工業(yè)園區(qū)內(nèi)用戶投資開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)。

裝機(jī)容量在6 MW及以上時(shí)，可用多條10 kV或35 kV線路接入公用變電站母線，適用于村莊規(guī)模較大或多個(gè)村連片開(kāi)發(fā)、倉(cāng)儲(chǔ)物流園區(qū)等。

1.2 儲(chǔ)能配置原則

試點(diǎn)區(qū)域開(kāi)發(fā)按照“光伏 + 儲(chǔ)能”方式推進(jìn)，對(duì)未明確納入保障性并網(wǎng)范圍的項(xiàng)目，應(yīng)以不出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模反送、不增加系統(tǒng)調(diào)峰負(fù)擔(dān)為原則，綜合考慮開(kāi)發(fā)規(guī)模、負(fù)荷特性等因素，按照裝機(jī)容量15%～30%、工作時(shí)長(zhǎng)2～4 h配置儲(chǔ)能設(shè)施，減少對(duì)其他靈活調(diào)節(jié)類電源的依賴。

2 承載能力評(píng)估

2.1 評(píng)估思路

針對(duì)目前西寧湟中區(qū)屋頂光伏試點(diǎn)摸排情況，首先對(duì)試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)公用110 kV高壓變電站和典型光伏電站進(jìn)行數(shù)量和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，篩選所有變電站2022年全年35 040個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷出力數(shù)據(jù)（每15 min一個(gè)采集點(diǎn)）；分別找出春夏秋冬四季中最小負(fù)荷點(diǎn)的當(dāng)日，作為四季最小負(fù)荷典型日，根據(jù)典型光伏電站的出力情況計(jì)算光伏出力系數(shù)；依據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則》，考慮變電站滿足主變N–1，變電站不出現(xiàn)反向負(fù)載或者出現(xiàn)反向負(fù)載且瞬時(shí)反向負(fù)載率達(dá)到60%，負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移且不損壞設(shè)備的情況下，對(duì)承載能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

2.2 承載能力評(píng)估

2.2.1 評(píng)估方法

通過(guò)前期實(shí)地調(diào)研，了解區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷消納能力的總體水平和站址分布，本文采用熱穩(wěn)定計(jì)算的方法進(jìn)行評(píng)估，以此確定供電區(qū)域內(nèi)可新增分布式光伏容量及承載等級(jí)。

單座變電站在時(shí)刻i的反向負(fù)載率 λi計(jì)算公式如下：

式中：Se為變電站實(shí)際運(yùn)行限值，MW；PDi為分布式光伏在時(shí)刻i的出力，MW；PLi為待評(píng)估變電站在時(shí)刻i的現(xiàn)狀網(wǎng)供負(fù)荷，MW。須要指出的是，對(duì)于現(xiàn)狀已接入分布式電源的變電站，網(wǎng)供負(fù)荷PLi可能為負(fù)值。

新增分布式光伏容量須滿足反向負(fù)載率 λi小于設(shè)備安全運(yùn)行裕度約束kτ。則基于第i時(shí)刻數(shù)據(jù)計(jì)算現(xiàn)狀電網(wǎng)設(shè)備可承載的新增分布式光伏出力為

考慮各時(shí)刻均應(yīng)滿足設(shè)備安全運(yùn)行裕度約束，則待評(píng)估變電站可新增分布式光伏接入裝機(jī)容量計(jì)算公式如下：

式中：Pm為可新增分布式光伏接入裝機(jī)容量，MWp； αi為時(shí)刻i光伏出力系數(shù)，即該時(shí)刻出力與裝機(jī)容量的比值。

2.2.2 計(jì)算過(guò)程

光伏出力系數(shù)計(jì)算：基于試點(diǎn)區(qū)域典型光伏電站2022年數(shù)據(jù)調(diào)研，對(duì)各區(qū)域典型光伏電站四季出力曲線進(jìn)行優(yōu)化擬合，繪制四季晴天光伏出力系數(shù)曲線，如圖1所示。確定四季晴天不同時(shí)刻的 αi。

光伏承載能力計(jì)算：試點(diǎn)區(qū)域配電網(wǎng)屋頂分布式光伏承載能力研究，須對(duì)110 kV變電站進(jìn)行逐一計(jì)算，并考慮配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行方式，最終對(duì)區(qū)域變電站承載能力進(jìn)行匯總，同時(shí)根據(jù)變電站負(fù)荷的實(shí)際情況，光伏承載能力計(jì)算分為兩種情況，變電站沒(méi)有出現(xiàn)反向負(fù)載，變電站出現(xiàn)反向負(fù)載。

當(dāng)變電站沒(méi)有出現(xiàn)反向負(fù)載時(shí)：根據(jù)現(xiàn)狀變電站四季典型日負(fù)荷曲線，與上文中地區(qū)光伏出力系數(shù)曲線擬合計(jì)算，取最小值得出各變電站可接入光伏裝機(jī)容量。變電站四季典型日負(fù)荷曲線，如圖2所示；110 kV變電站可承載裝機(jī)情況，如圖3所示。

圖3 110 kV變電站可承載裝機(jī)情況（MWp）

經(jīng)計(jì)算得出，湟中區(qū)2座沒(méi)有出現(xiàn)反向負(fù)載110 kV變電站最終光伏可裝機(jī)容量為48.19 MW。

當(dāng)變電站出現(xiàn)反向負(fù)載時(shí)：根據(jù)現(xiàn)狀變電站四季典型日負(fù)荷曲線及反向最大負(fù)載日負(fù)荷曲線，結(jié)合各變電站反向負(fù)荷限額和主變N–1的情況，繪制變電站可承載負(fù)荷曲線，再與上文中地區(qū)光伏出力系數(shù)曲線擬合計(jì)算，取最小值得出各變電站可接入光伏裝機(jī)容量。經(jīng)計(jì)算得出，湟中區(qū)5座出現(xiàn)反向負(fù)載110 kV變電站最終光伏可裝機(jī)容量為143.06 MW。

因此，西寧湟中區(qū)7座110 kV變電站最終光伏可裝機(jī)容量合計(jì)為191.25 MW。

3 特性分析

3.1 承載能力強(qiáng)

高海拔地區(qū)具有光照時(shí)間長(zhǎng)、光照強(qiáng)度大、荒漠地區(qū)廣、降雨量小的特點(diǎn)，由于發(fā)電模式不同，高海拔地區(qū)考慮了電能反送的計(jì)算情況，使得分布式光伏承載力大于低海拔地區(qū)承載力。高海拔地區(qū)較早開(kāi)始分布式光伏開(kāi)發(fā)與利用，在完善地區(qū)電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，線路采用線徑大、型號(hào)統(tǒng)一、傳輸距離短的方式，配變采用容量大、密布點(diǎn)、短半徑的特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一改造，滿足地區(qū)分布式光伏發(fā)展的需求。

3.2 消納能力強(qiáng)

受地區(qū)政策影響，鼓勵(lì)農(nóng)村及工廠采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”供用電模式，并予以一定的補(bǔ)貼。在偏遠(yuǎn)農(nóng)村，已經(jīng)有超過(guò)80%的屋頂安裝分布式光伏電池板，滿足絕大部分用戶照明、烹飪等自發(fā)自用的用電需求。大型工廠廠房安裝光伏組件，可滿足工廠照明、辦公等低耗能用電需求。

3.3 調(diào)度靈活性強(qiáng)

分布式光伏可以作為電力系統(tǒng)的分布式備用電源，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷完善，高海拔地區(qū)分布式光伏和分散式風(fēng)電相結(jié)合的供電模式將會(huì)成為下一步的發(fā)展思路，一旦突發(fā)故障，兩者均可以迅速靈活地將儲(chǔ)存的電能提供緊急備用供電，將大大減小故障帶來(lái)的損失。

3.4 電能損耗小

分布式光伏通常采取供電點(diǎn)處T接上網(wǎng)，通常供電距離不超過(guò)3 km，因此所產(chǎn)生的電能可直接消納于供電點(diǎn)，避免了遠(yuǎn)距離輸送電能導(dǎo)致電能損失，同時(shí)提高了偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電能力。

3.5 可調(diào)節(jié)性強(qiáng)

目前，青海正在開(kāi)展變電站空間布局工作，以應(yīng)對(duì)高耗能（例如晶硅、光伏組件等）企業(yè)入駐。隨著變電站和線路數(shù)目的不斷增加，青海電網(wǎng)的網(wǎng)架愈發(fā)堅(jiān)強(qiáng)，分布式光伏承載力也將不斷提高。隨著超高壓遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的日益成熟，將有大量分布式光伏上網(wǎng)，電能傳輸至東部電能緊缺地區(qū)，緩解供電壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家清潔能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，分布式光伏在高海拔地區(qū)能源占比將會(huì)越來(lái)越大。本文以西寧湟中區(qū)配電網(wǎng)最高電壓等級(jí)110 kV高壓變電站供電范圍為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出整個(gè)區(qū)域的分布式光伏承載能力，為更多須要光伏并網(wǎng)消納的地區(qū)提供計(jì)算方法的參考。