引入新能源技术提高山区居民用电质量的可行性研究

胡振斌，胡海琴，黄 玮，黄 锦

（安徽省黄山市供电公司，安徽 黄山 245000）

0 引言

在黄山地区，有大量的轻负荷的农村台区。这些台区都位于天远地偏的大山里，通过电网建设提高其供电可靠性，在目前的经济建设水平下存在困难，随着分布式电源的广泛应用，本文将从技术因素，经济价值和发展前景等方面进行探讨性研究。

1 黄山山区电网情况

黄山电网是典型的地广人稀，黄山地区属于丘陵山区，部分农村交通不便，电网网架薄弱，电源结构单一，低容量台区占总公用台区占比：20 kV·A级以下的配电台区占公用台区总数的4%，近两百个台区，长距离低负荷供电的数量较多。黄山地区的农村供电可靠性，受山区自然环境制约，长期以来难以得到提高，特别是遇到泥石流、雨雪等自然灾害时，因道路受限，不能实现快速抢修，常造成供电中断。

为了提高山区农村供电可靠性，黄山公司考虑尝试建设一些小型风光水储柴互补电站，能够实现并网和孤网运行，保证附近居民恶劣天气下也能正常供电［1］。

2 黄山地区新能源发展情况

2.1 新能源的分布基本情况

2.1.1 水资源

黄山市水资源来自天然降水，地表水靠降水补给，据黄山市水资源公报：年平均降水总量152×108m3，其中新安江流域98×108m3，占全市降水总量的64%。全市地表水资源总量丰富。最大月雨量一般出现在5、6、7月份，最小月雨量一般出现在12月份，同时境内降雨的年际变化也相当悬殊，最大最小年份的比值达2.5以上，有时甚至达到3.0。根据地形地貌特点计算得出，黄山市多年平均水资源总量105.56×108m3，人均占有水资源量 7 130 m3，是全省人均占有水资源量的6.4倍，全国人均占有水资源量的3.4倍。全市水能资源理论蕴藏量5.83×105kW，可供开发量 2×105kW，占理论蕴藏量的 34.3%［2］。

2.1.2 太阳能资源

黄山市地处安徽省最南端，在省会合肥之南，介于东经 117°39′～118°26′和北纬 29°24′～30°02′之间。黄山市属于山区，年光照时数1 000 h左右。

2.1.3 风力资源

我国风力资源分布表，如表1所示。

表1 我国风力资源分布表

根据黄山市地形及地理环境结合相关部门对风速的监测结果显示，黄山属于风力资源匮乏地区。风电利用小时数偏低，风电仅作为对系统电量的补充。

2.2 新能源在黄山电网的运行经验

水力发电就是利用位于高处的水位落差，借用其势能转换为水轮机的动能，推动发电机产生电力。以此水位落差的天然条件，结合有效的利用流力工程及机械物理以达到最高的发电量，供人们使用廉价又清洁的电力［3］。目前全市共建有水电站89处，装机总容量110.775MW，单机最大装机容量4.3 MW，以小水电供电为主的乡镇46个，形成了较为完善的水利基础设施。

截止2017年7月底黄山市光伏现状：分布式光伏并网容量9.45 MW，10 kV并网6.00 MW，包括一座善孚光伏电站，装机容量为1 MW，为首座光伏电站，接入10 kV系统；一座吉电新能源光伏电站，装机容量5 MW，接入10 kV系统，其余为用户自建小容量分布式光伏系统，通过0.38（0.22）kV并网3.448 MW，分布式光伏接入座数 215座，0.38（0.22）kV并网214户。

2.3 新能源电站的经济效益分析

2.3.1 光伏发电的经济效益

光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：1）太阳能资源取之不尽，用之不竭。照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6 000倍。2）绿色环保。光伏发电本身不需要燃料，没有二氧化碳的排放，不污染空气，不产生噪声。3）应用范围广。只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统。4）使用寿命长、维护简单、可靠性高。晶体硅太阳能电池寿命长达20～35年；由于无机械转动部件，操作维护简单，可靠性高，加之现在均采用自动控制技术，基本不用人工操作。5）太阳能电池组件结构简单，体积小且轻，便于运输和安装，光伏发电系统建设周期短。6）系统组合容易。若干太阳能电池组件和蓄电池单体组合，成为系统的太阳能电池方阵和蓄电池组；逆变器、控制器也可以集成。太阳能虽然有很多优点，但它的缺点也显而易见，就是具有不确定性，波动性，间歇性的特点。如果随着光伏发电在电网的比例越来越大，将不利于电网的稳定运行［4］。

2.3.2 风力发电的经济效益

影响风电建设项目的主要因素有：1）风资源的分布与储备；2）建设投资费用；3）运营成本；4）上网电价。除了这4个方面以外，风电场项目不同于其他电场项目之处在于，其受政府政策的影响很大。对于风资源的研究，我们需要专业人才进行风资源的分析，微观选址，做到长期的风况预测，从而根据威布尔分布等公式预算发电量。风资源的研究可以验证风电场厂址的优良程度。关于投资，风电厂的投资是比较大的。首先是固定资产投资，包括机电设备及安装工程费，建筑工程费，联网工程费，还有一部分预备费用。除去固定费用以外，风电场还需要考虑建设期的贷款利息和流动资金问题。所以风电场项目是一个投资大，效益少，收益慢的项目。运营成本，首先是经营成本包括维修费，工资福利费，保险费，材料费，保险费，管理费等。这些费用普遍高于常规能源发电的费用。除去运营成本，还要考虑到利息成本和摊销费，还有高昂的折旧费。上述的各种因素都可以或多或少的影响风电场项目的经济效益。

风力发电机组的本地化将会逐步形成，风电的成本会逐步下降。而且随着项目业主对风电厂前期工作的重视，深入和完善，将会使风电场的经济效益不断提高。另外风电市场不断扩大形成规模效应，也会使风电投资成本降低。随着风电项目业主运营管理经验的增加，也会使风电运营成本逐步降低。随着国家扶持风电发展的政策如《可再生能源法》等，以及哥本哈根气候大会的召开，对风电的发展产生非常积极的作用。特许项目的实施也会使风电项目的成本下降［5］。

2.3.3 水力发电的经济效益

1）售电经济效益。向电网或用户出售电力与电量所获得的经济收益，为水力发电最基本的直接效益和评价工程效益的重点。2）给电网带来的安全与经济效益。水电站担任电网的调峰、调频（维持电网规定的周波水平）和事故备用等，提高电网生产运行的经济性、安全性和可靠性所产生的经济效益。3）由于兴建水电站后，可相应少建火电站，因而减少火力发电所需燃料用量和相应的开采与运输费用。4）综合利用经济效益。当水电站水库具有灌溉、供水、航运、水产养殖和发展旅游等一项或几项功能时，则带来相应的经济效益（即水利工程效益）。

2.4 新能源电站的社会效益

带来经济效益的同时，还能带来节能环保、绿色的社会效益。能够促进地区国民经济发展，改善人民的物质与文化生活条件。

3 新能源提高供电可靠性的可行性

3.1 新能源建设的可行性

3.1.1 普通山区线路的投资

根据我公司经验值，传统的35 kV配电线路造价为48～57.6万元／km，10 kV线路造价为25～30万元／km，常规台区的配变单个造价为10万元。

3.1.2 新能源项目的投资

分布式电源打破了传统被动配电网，可以有效地提升其在运行期间的质量与效率，是整个电力系统中重要组成部分，对于电力系统的安全、稳定运行来说有着非常重要的作用。目前成本：地面荒地：除地价 大型并网8～8.5元／W；大型离网 12～14元／W；混合微网14～17元／W；屋顶工程：大型并网9～11元／W；大型离网 13～15 元／W；混合微网 15～18 元／W；其中屋顶工程的安装费及二次运输，设备地价较高。风电场的投资目前成本：陆上风电8 500元／kW，海上19 000元／kW。大型离网设备一般采用蓄电池，使用寿命5～8年。微网系统中锂电池用的较多，充电效率及使用寿命高于其他储能装置，锂电池成本大约在 3 000 元 ／kW 左右［6］。

3.1.3 单台区供电方案比较

方案一：通过新增一条10 kV线路来提高山区某个台区的供电可靠性，使其满足N-1条件。黄山山区线路长度平均20 km，造价约为500万元，台区单个配变造价约为10万元，两台配变之间切换装置造价约为10万元，造价估算见表2。

表2 10 kV线路造价估算表

方案二：通过新建一座新能源电站（包括储能装置）来提高山区某个台区的供电可靠性，使其满足N-1条件。建设一个装机容量为20 kW的并网分布式光伏电站，大约需要投资16万元左右；建设一个装机容量为20 kW的陆上分布式风力电站，大约需要投资17万元；配置20 kW锂电池储能装置，大约需要投资6万元；配变与储能电站之间切换装置造价约为10万元。造价估算见表3。

表3 新能源电站造价估算表

山区农村线路大都线路长、轻负荷，线路轻载居多使得投资经济性较差。通过与建设35 kV配电线路比较，山区农村的新能源在经济性方面占据优势。

3.2 提高供电可靠性的途径

3.2.1 途径一 新能源+储能装置

在有太阳照射的情况下，光伏发电系统的电能在供给用户的同时，多余或不足的电力通过联接电网和储能装置来调节。黄山地区小型水电站众多，小水电存在丰水期多发和枯水期少发的季节性波动问题。输配电系统面临提高系统可靠性、稳定性，改善电能质量，预防停电的要求，而储能是最佳解决方案。风电供应的短时间歇性和不稳定性问题，通过储能装置能够得到改善，并能系统调频。风储工程主要作用是平滑波动之消峰填谷、按计划出力、调频。

3.2.2 途径二 新能源任意组合

风光水储联合供电微电网特点是利用风能、光能和水能在时间分布上的互补性，在夏季丰水灌概期，太阳能最丰富，而在冬季枯水期，风能比较丰富。通过合理的规划就可以实现风能、太阳能与水能这3种绿色能源的互补，充分发挥互补能源的优势。当风机和光伏的出力波动时，水电站可快速调节出力进行补偿，克服风光间歇性和不稳定性的缺点，同时节省单独运行建设各类微电网系统的投资，通过配置储能设备和柴油发电机以提高供电可靠性。这种含风光水储能源结构的微电网典型供电模式如图1所示。

图1 含风光水储能源的微电网典型供电模式

3.3 含风光水储供电新能源容量配置分析

在网架结构分布式电源种类基本确定的情况下，微电源容量配比是设计的关键。由于配置选择的多样性以及关键参数的不确定性，例如负荷大小、燃料价格、外部电网影响、可再生能源的输出具有间歇性、季节性、不可调度性以及使用的不可确定性等等，使得微电网系统优化配置显得十分复杂和困难。

以黄山市休宁县郎口村3个供电台区 （郎口台区、岩坑台区、潘村台区）为例分析新能源容量配置。供电区域常住人口约200人，结合当地经济发展及人均用电分析，人均电力装机按0.75 kW估算，则最大负荷为150 kW，一般夏季负荷最高。年平均负荷为90 kW，年消费电量约为80×104kW·h。由于农村负荷大部分为居民用电，负荷相对稳定。

考虑郎口电站有一个装机容量为125kW的发电机，配变容量 160 kV·A，年发电量约为 29×104kW·h。当地全年用电量还有约51×104kW·h需要解决。现在就对当地波动较大的风能和太阳能资源进行容量配置分析。本方案采用的含风光水储的微电网容量优化配置模型，主要从经济角度建立，包括设备成本、运行维护成本、燃料成本等等，通过比较回收成本所需时间得到最优配置。

3.3.1 柴油发电机容量

在风机和光伏的容量计算时，以能量平衡为基础，按风机和光伏的年发电量需求进行配置。蓄电池容量计算时，以满足当地居民夜间8 h基本生活供电的原则进行配置，同时根据风机和光伏的年平均功率，对蓄电池容量进行校核，使蓄电池能够消化吸纳可再生能源。根据当地负荷和已有电源情况并结合实际，首先确定选用150 kW备用柴油发电机1台。

3.3.2 储能蓄电池配置

从提高可再生能源平均渗透率和减少柴油消耗量的角度出发，应加大蓄电池容量来解决可再生能源的储能问题，采用不含柴油发电机的风光互补独立供电系统，蓄电池容量一般以满足3～5 d的消耗电量配置。但在现有技术条件下，蓄电池使用寿命有限，以蓄电池一天充放循环一次设计，蓄电池电量能满足当地夜间8 h基本生活的消耗电量即可，这样夜间柴油发电机无需运行，减少环境污染和噪声污染。根据当地夜间基本生活平均负荷约为30 kW，按照蓄电池功率要能够满足最大负荷功率需求，容量为240 kW·h左右较为合理。本方案蓄电池选用铅酸蓄电池2 V／1 500 Ah，从而选取蓄电池数为80个。

3.3.3 风力发电机和光伏电池容量配置

本方案中，所采用的上网配变容量为160 kV·A，风机选用3kW的小型直驱风机，光伏电池单体容量为200 W，柴油发电机油价为6元／L，各自成本价如表4。

表4 风光柴储能源成本价格

通过对风光储设备容量的确定，现进一步确定风机台数、光伏容量。根据当地条件分析可知，风能资源相对太阳能资源匮乏，由于没有日风速统计，取年平均风速在3m／s以上的等效利用小时数约为800 h，风力发电经济性一般。黄山市地处安徽省最南端，在省会合肥之南，介于东经 117°39′～118°26′和北纬 29°24′～30°02′之间，年光照等效利用小时数1 000 h左右。本文选取风电和光伏总装机容量为50 kW、100 kW、150 kW 3种方案进行配比容量分析，每种配置方案中的风光发电比例为：1）风力发电占新能源发电30%，光伏发电占70%；2）风力发电占70%，光伏占30%；3）风力发电占50%，光伏发电占50%。光伏和风电上网电价分别为0.98元／kW·h、0.60元／kW·h，通过比较3种配置方案所需成本回收时间，并结合当地条件选择最优的符合当地微电网配置。分析结果如表5。

表5 不同配比容量回报率分析

以上表格列出了不同类型组合的计算结果，根据现场地理条件和总净现成本综合考虑，通过分析得到由风光水柴储组合的微电网的最佳配置，即方案2中的配置1）为最佳配置，电力成本约为0.525元／kW·h（按回收成本时间19.64年计算）。在此配置情况下，总净现成本为相对不高，收回成本的时间控制在20年之内，占地面积也较合适。综合考虑可得到当地最终的优化配置方案，具体为光伏电池装机容量70 kW（350块光伏电池板），风机装机容量30 kW（10台风机），150 kW的柴油发电机1台，铅酸蓄电池80个。

在微电网容量配置中，需要考虑的因素还有很多，比如供电模式不同造成变流器的选择会使供电成本发生变化，而柴油机组在投产后由于原料供应造成的成本变化也需要考虑，同时造成的污染评估也值得量化讨论等等，本文都视为其他成本粗略考虑。

4 结论

黄山地区的农村供电可靠性，受山区自然环境制约，长期以来难以得到提高，特别是遇到泥石流、雨雪等自然灾害时，因道路受限，不能实现快速抢修，常造成供电中断，随着新能源的广泛应用，将成熟的技术引入到提高山区居民可靠性的研究中是今后的一个重要方向。