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)國家“碳達峰、碳中和”目標(biāo)，推動高海拔地區(qū)屋頂光伏試點工作順利開展，光伏開發(fā)須要遵循“5432”方針，即黨政機關(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”，須要對區(qū)域光伏承載能力進行計算評估，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

裝機容量在0.4 MW及以下時，根據(jù)居民住宅進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)的裝機容量，充分發(fā)揮既有進戶線作用。當(dāng)整村開發(fā)規(guī)模超過低壓網(wǎng)用電負荷，引起配變反向重過載或用戶過電壓時，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)。

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

裝機容量在6 MW及以上時，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)模較大或多個村連片開發(fā)、倉儲物流園區(qū)等。

1.2 儲能配置原則

試點區(qū)域開發(fā)按照“光伏 + 儲能”方式推進，對未明確納入保障性并網(wǎng)范圍的項目，應(yīng)以不出現(xiàn)長時間大規(guī)模反送、不增加系統(tǒng)調(diào)峰負擔(dān)為原則，綜合考慮開發(fā)規(guī)模、負荷特性等因素，按照裝機容量15%～30%、工作時長2～4 h配置儲能設(shè)施，減少對其他靈活調(diào)節(jié)類電源的依賴。

2 承載能力評估

2.1 評估思路

針對目前西寧湟中區(qū)屋頂光伏試點摸排情況，首先對試點區(qū)域內(nèi)公用110 kV高壓變電站和典型光伏電站進行數(shù)量和負荷統(tǒng)計，篩選所有變電站2022年全年35 040個時刻的負荷出力數(shù)據(jù)（每15 min一個采集點）；分別找出春夏秋冬四季中最小負荷點的當(dāng)日，作為四季最小負荷典型日，根據(jù)典型光伏電站的出力情況計算光伏出力系數(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)反向負載或者出現(xiàn)反向負載且瞬時反向負載率達到60%，負荷全部轉(zhuǎn)移且不損壞設(shè)備的情況下，對承載能力進行計算評估。

2.2 承載能力評估

2.2.1 評估方法

通過前期實地調(diào)研，了解區(qū)域配電網(wǎng)負荷消納能力的總體水平和站址分布，本文采用熱穩(wěn)定計算的方法進行評估，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。

單座變電站在時刻i的反向負載率 λi計算公式如下：

式中：Se為變電站實際運行限值，MW；PDi為分布式光伏在時刻i的出力，MW；PLi為待評估變電站在時刻i的現(xiàn)狀網(wǎng)供負荷，MW。須要指出的是，對于現(xiàn)狀已接入分布式電源的變電站，網(wǎng)供負荷PLi可能為負值。

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

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

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

2.2.2 計算過程

光伏出力系數(shù)計算：基于試點區(qū)域典型光伏電站2022年數(shù)據(jù)調(diào)研，對各區(qū)域典型光伏電站四季出力曲線進行優(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刻的 αi。

光伏承載能力計算：試點區(qū)域配電網(wǎng)屋頂分布式光伏承載能力研究，須對110 kV變電站進行逐一計算，并考慮配電網(wǎng)實際運行方式，最終對區(qū)域變電站承載能力進行匯總，同時根據(jù)變電站負荷的實際情況，光伏承載能力計算分為兩種情況，變電站沒有出現(xiàn)反向負載，變電站出現(xiàn)反向負載。

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

圖3 110 kV變電站可承載裝機情況（MWp）

經(jīng)計算得出，湟中區(qū)2座沒有出現(xiàn)反向負載110 kV變電站最終光伏可裝機容量為48.19 MW。

當(dāng)變電站出現(xiàn)反向負載時：根據(jù)現(xiàn)狀變電站四季典型日負荷曲線及反向最大負載日負荷曲線，結(jié)合各變電站反向負荷限額和主變N–1的情況，繪制變電站可承載負荷曲線，再與上文中地區(qū)光伏出力系數(shù)曲線擬合計算，取最小值得出各變電站可接入光伏裝機容量。經(jīng)計算得出，湟中區(qū)5座出現(xiàn)反向負載110 kV變電站最終光伏可裝機容量為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容量合計為191.25 MW。

3 特性分析

3.1 承載能力強

高海拔地區(qū)具有光照時間長、光照強度大、荒漠地區(qū)廣、降雨量小的特點，由于發(fā)電模式不同，高海拔地區(qū)考慮了電能反送的計算情況，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)較早開始分布式光伏開發(fā)與利用，在完善地區(qū)電網(wǎng)設(shè)計時，線路采用線徑大、型號統(tǒng)一、傳輸距離短的方式，配變采用容量大、密布點、短半徑的特點進行統(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

受地區(qū)政策影響，鼓勵農(nóng)村及工廠采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”供用電模式，并予以一定的補貼。在偏遠農(nóng)村，已經(jīng)有超過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

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存的電能提供緊急備用供電，將大大減小故障帶來的損失。

3.4 電能損耗小

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

3.5 可調(diào)節(jié)性強

目前，青海正在開展變電站空間布局工作，以應(yīng)對高耗能（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)堅強，分布式光伏承載力也將不斷提高。隨著超高壓遠距離輸電技術(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

隨著國家清潔能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，分布式光伏在高海拔地區(qū)能源占比將會越來越大。本文以西寧湟中區(qū)配電網(wǎng)最高電壓等級110 kV高壓變電站供電范圍為基礎(chǔ)，通過對負荷數(shù)據(jù)的分析計算，得出整個區(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)提供計算方法的參考。