摘要
“光儲直柔”（PEDF）建筑新型配電系統(tǒng)是助力實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑，在中國大力推進整縣屋頂分布式光伏試點的背景下，農(nóng)村整村的光伏利用模式和系統(tǒng)容量配置問題需要進一步探索?；谖蓓敼夥睦媚Ｊ?，提出了“自用優(yōu)先光伏”和“公共光伏”2種適用于農(nóng)村住宅建筑的PEDF系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)技術(shù)性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，對比分析了不同拓撲結(jié)構(gòu)在不同光伏和儲能容量配置下的系統(tǒng)性能。以北京市某農(nóng)村由18個農(nóng)戶家庭組成的配電臺區(qū)為研究對象進行仿真計算，結(jié)果表明：光伏裝機容量高時，適宜發(fā)展公共光伏系統(tǒng)形式，負荷滿足率可提高0.3~1.9個百分點，年凈收益可提高1.7萬元；光伏裝機容量低時，適宜發(fā)展自用優(yōu)先光伏系統(tǒng)形式，負荷滿足率和光伏消納率可分別提高1.0~3.0個百分點和0.6~2.7個百分點。實際工程中，可結(jié)合投資運行主體進行系統(tǒng)優(yōu)化選擇，并充分利用建筑末端柔性資源的調(diào)蓄能力，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，助力構(gòu)建以新能源為主體的未來電力系統(tǒng)。
1 農(nóng)村住宅光儲直柔系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)基本拓撲
農(nóng)村住宅光儲直柔系統(tǒng)中每戶家庭都是一個獨立自治的微電網(wǎng)，一定數(shù)量的家庭形成一個低壓直流配電系統(tǒng)，電能首先優(yōu)先內(nèi)部流動，不足或多余部分通過集中并網(wǎng)點與交流網(wǎng)交互，始終保持新能源的最大化就地利用。各家農(nóng)戶通過DC/DC變換器與村級直流母線相連接，村級直流母線上還連接有公共空地光伏、公共蓄電池和公共負載等部件，整村通過雙向AC/DC變換器與交流電網(wǎng)實現(xiàn)能量交互。當整村光伏電力富余時，公共蓄電池處于充電狀態(tài)，剩余電力通過AC/DC變換器外送至交流電網(wǎng)；當整村光伏電力不足時，公共蓄電池處于放電狀態(tài)，通過AC/DC變換器從交流電網(wǎng)取電供給負荷用電。根據(jù)農(nóng)戶屋頂光伏的利用模式，本文提出農(nóng)村住宅光儲直柔系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的2種形式：自用優(yōu)先光伏和公共光伏，如圖1所示。
對于自用優(yōu)先光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)（見圖1 a)），農(nóng)戶家庭單元內(nèi)設(shè)計有屋頂光伏、戶內(nèi)蓄電池和戶內(nèi)直流負載。戶內(nèi)蓄電池用以提高光伏消納率和戶內(nèi)負荷滿足率，每戶家庭通過雙向DC/DC與直流母線連接，在保障農(nóng)戶住宅用電的基礎(chǔ)上，也能夠?qū)⑥r(nóng)戶單元內(nèi)富余的光伏電力輸送至直流母線，提高光伏發(fā)電利用率。
公共光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 b)所示，其與自用優(yōu)先光伏系統(tǒng)拓撲的主要區(qū)別表現(xiàn)為：1）屋頂光伏直接與村級直流母線相連接，不直接用于戶內(nèi)負荷；2）農(nóng)戶家庭單元戶內(nèi)不設(shè)置蓄電池，單向從直流母線取電，僅在村級直流母線上設(shè)置公共蓄電池，負責(zé)整村的光伏消納和負荷保障。相比而言，自用優(yōu)先光伏（拓撲1）省去了戶-村DC/DC的轉(zhuǎn)換過程，減少了光伏電力的損耗；公共光伏（拓撲2）系統(tǒng)簡單，節(jié)省了戶內(nèi)儲能成本。
1.2 關(guān)鍵設(shè)備模型
光儲直柔系統(tǒng)的主要建模部件由光伏、蓄電池和變換器組成。其中變換器承擔(dān)電力轉(zhuǎn)換的角色，如電壓等級變換、交流直流變換等，為了刻畫該轉(zhuǎn)換過程中的損失，變換器效率在本研究中選取定值0.98。
1.2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)
光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率由組件額定功率、太陽輻射強度、室外溫度及組件自身特性參數(shù)等決定，光伏系統(tǒng)的輸出功率PPV(kW)為
式中：PPV,rated為光伏組件的額定功率，kW；Rt為光伏板平面上所接收的太陽輻射強度，W/m2；γ為光伏組件的溫度功率系數(shù)，取0.003 5/℃；TPV為光伏板表面溫度，℃；Ta為光伏組件的環(huán)境空氣溫度，℃； TNOC為標稱電池工作溫度，取45 ℃。
1.2.2 蓄電池
電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC） 被定義為蓄電池剩余容量與標稱容量的比值，其模型為
式中：SOC(t)為t時刻的蓄電池荷電狀態(tài)；Pb,ch、Pb,dis分別為蓄電池的充、放電功率；ηch、ηdis分別為蓄電池充、放電效率；Pb為蓄電池實際功率；Cb為蓄電池的標稱容量；α為蓄電池工作狀態(tài)的指示值，α取1時，蓄電池處于充電狀態(tài)，α取0時，蓄電池處于放電狀態(tài)；Δt為時間間隔。
本文采用的蓄電池特性參數(shù)如表1所示。在蓄電池容量配置過程中，其運行狀態(tài)還受到蓄電池剩余容量和額定功率的限制，即
式中：SOCmin、SOCmax分別為安全運行限制下蓄電池荷電狀態(tài)的最小值和最大值；圖片分別為蓄電池的最大充、放電功率。
1.3 系統(tǒng)控制策略
對于自用優(yōu)先光伏系統(tǒng)（拓撲1），當屋頂光伏發(fā)電功率大于戶內(nèi)負載用電功率時，戶內(nèi)蓄電池優(yōu)先充電，充電功率受到蓄電池最大充電功率和蓄電池SOC的限制，剩余電力通過戶村DC/DC變換器傳輸至直流母線；當屋頂光伏發(fā)電功率小于戶內(nèi)負載用電功率時，戶內(nèi)蓄電池優(yōu)先放電，放電功率受到蓄電池最大放電功率和蓄電池SOC的限制，蓄電池放電功率不足以維持戶內(nèi)負載用電時通過戶村DC/DC變換器從直流母線獲取電力。農(nóng)戶單元和村級直流母線的交互功率由戶內(nèi)負荷功率、光伏功率和蓄電池功率的平衡計算得出；整村凈功率由公共空地光伏、公共負載功率、各農(nóng)戶與直流母線的交互功率求和進行計算。
對于公共光伏系統(tǒng)（拓撲2），農(nóng)戶單元和村級直流母線的交互功率僅取決于戶內(nèi)負荷功率；整村凈功率由公共空地光伏功率、公共負載功率、各農(nóng)戶與直流母線的交互功率、各農(nóng)戶屋頂光伏功率求和進行計算。整村凈功率大于0時意味著光伏輸出功率富余，對公共蓄電池進行充電，反之意味著光伏輸出功率不足，公共蓄電池處于放電狀態(tài)，供給負載用電；最終通過村級直流母線的功率平衡計算得到整村與交流電網(wǎng)的交互功率。
總而言之，2種拓撲控制策略的不同之處主要在于：拓撲1自用優(yōu)先光伏電力經(jīng)過戶內(nèi)負載用電和戶內(nèi)蓄電池的調(diào)蓄后與村級直流母線交互；拓撲2屋頂光伏為公共資源，光伏電力直接與村級直流母線交互，農(nóng)戶負載用電單向從直流母線取電。
2 系統(tǒng)性能評價方法
本文主要從技術(shù)性和經(jīng)濟性2個方面進行評價分析。技術(shù)性指標主要關(guān)注光伏消納率和負荷滿足率，用于評價系統(tǒng)的自給自足性和相對獨立性；經(jīng)濟性指標則綜合考慮光伏系統(tǒng)、蓄電池、變換器等系統(tǒng)投資和光伏售電、負載用電費用減少帶來的運行收益。
2.1 技術(shù)性指標
光伏消納率（LPV，%）被定義為整村光伏發(fā)電中用于負載耗電的比例；負荷滿足率（Lload，%）被定義為負載用電中來自光伏電力的比例。系統(tǒng)追求高光伏消納率和負荷滿足率，意味著系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時有利于建設(shè)綠色清潔的配用電系統(tǒng)。
式中：WPV、Wload分別為計算時間段內(nèi)的光伏發(fā)電量和負荷耗電量，kW·h；Wgrid,export、Wgrid,import分別為系統(tǒng)向電網(wǎng)出口的售電量和進口的購電量，kW·h。
2.2 經(jīng)濟性指標
系統(tǒng)投資（Isys，萬元）由光伏系統(tǒng)成本（IPV，萬元）、蓄電池成本（Ibattery，萬元）和變換器成本（Iconverter，萬元）組成，如式（9）所示。其中，光伏系統(tǒng)成本主要包括組件和其他配套成本。為了便于比較分析，在本研究的后續(xù)分析中，系統(tǒng)投資均指年平均投資。
式中：YPV、Ybattery、Yconverter分別為光伏系統(tǒng)、蓄電池和變換器的運行年限，年。
系統(tǒng)年運行收益（Rsys，萬元）由售電收益、購電費用和光伏發(fā)電補貼組成，即
式中：Pexport、Pimport分別為系統(tǒng)上網(wǎng)電價和購電電價，元/(kW·h)；Psubsidy為光伏發(fā)電補貼單價，元/(kW·h)。
系統(tǒng)年凈收益（Csys，萬元）由年運行收益和系統(tǒng)投資作差計算得到，即
光伏系統(tǒng)、蓄電池和變換器的單位成本及運行年限，研究案例所處地區(qū)（北京市）的購電電價、上網(wǎng)電價、光伏發(fā)電補貼成本等系統(tǒng)經(jīng)濟性計算參數(shù)整理如表2所示。
2.3 設(shè)備容量無量綱化
為了便于對比分析，將光伏和蓄電池容量進行了無量綱化，定義光伏容量PE為年光伏發(fā)電量與年負荷用電量的比值，蓄電池容量Eb為蓄電池標稱容量與系統(tǒng)日均用電量的比值，即
式中：Wload,average為系統(tǒng)日均用電量，kW·h。
3 案例分析
3.1 基本信息
3.1.1 農(nóng)戶用電負荷
本文選取北京市某農(nóng)村由18個農(nóng)戶家庭組成的配電臺區(qū)為研究對象。典型農(nóng)戶用電負荷數(shù)據(jù)和整村農(nóng)戶用電負荷分別如圖2 a)和圖2 b)所示，平均每戶年用電量為2 571 kW·h，整村年用電總量為54 620 kW·h，用電負荷高峰主要集中于冬季和夏季，負荷峰值約為35 kW。
3.1.2 光伏容量
該地區(qū)太陽輻射強度如圖3 a)所示，年平均輻照度為160 W/m2，進一步根據(jù)對該農(nóng)戶房屋屋頂面積和農(nóng)戶年用電量的調(diào)研，計算繪制了農(nóng)戶住宅可鋪設(shè)光伏容量與年耗電的相對關(guān)系，如圖3 b)所示，農(nóng)村屋頂光伏以最大容量安裝時，其發(fā)電量可提供農(nóng)村生產(chǎn)生活用能，并具備外送電能的潛力，在本研究中分別選取PE=8和PE=1代表“光伏富余”和“光伏不足”2種典型工況進行計算。
圖4展示了在不同光伏容量下典型天負荷用電與光伏出力的對比關(guān)系，當PE=8時，全年光伏出力是總負荷用電的8倍，但由于光伏出力存在間歇性，夜間負荷用電無法由光伏發(fā)電供給；當PE=1時，全年光伏出力與總負荷用電相當，但二者在時間尺度上存在不匹配關(guān)系，即光伏出力不一定可以實時滿足負荷用電。將2種光伏容量下總負荷用電和光伏出力的不匹配關(guān)系整理如表3所示，進一步揭示了農(nóng)村住宅光儲直柔系統(tǒng)配置蓄電池的必要性。
3.2 性能分析
3.2.1 技術(shù)性分析
不同光伏容量下系統(tǒng)技術(shù)性對比結(jié)果如圖5所示，光伏消納率和負荷滿足率均隨著儲能容量增加而升高。當PE=8時，光伏出力遠大于負荷耗電，光伏消納率僅為0.1~0.2，儲能作用十分顯著，若系統(tǒng)不設(shè)置儲能，負荷滿足率僅為0.574，意味著系統(tǒng)需要從交流電網(wǎng)獲取40%以上的電能供給負荷用電。若系統(tǒng)設(shè)置儲能容量增加至日均負荷的50%，負荷滿足率可達到0.921，相比不設(shè)置儲能，負荷滿足率大大提高，意味著降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)取電量，整村光儲直柔系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的交互更加趨近于單向上網(wǎng)的過程。但是儲能容量的增加對光伏消納率的提升效果甚微，在此光伏容量下，自用優(yōu)先光伏拓撲1相比公共光伏拓撲2具有更高的光伏消納率，但同時負荷滿足率降低，這主要是因為當光伏電力富余需要外送至交流電網(wǎng)時，拓撲1相比拓撲2多了一道戶村DC/DC變換器的步驟，此過程中的能量損失導(dǎo)致拓撲1的光伏消納率提高，負荷滿足率降低。
當PE=1時，系統(tǒng)發(fā)電量等于用電量，若系統(tǒng)不設(shè)置儲能，光伏消納率為0.464，負荷滿足率為0.424，若系統(tǒng)設(shè)置儲能容量為日均負荷的50%時，光伏消納率增大為0.829，負荷滿足率為0.768，此時系統(tǒng)的自給自足性能提高，降低整村配用電系統(tǒng)對交流電網(wǎng)的依賴。公共光伏拓撲2對應(yīng)的系統(tǒng)形式具有更高的負荷滿足率和光伏消納率，代表著在該光伏容量下，拓撲2下的蓄電池能夠更多地發(fā)揮調(diào)蓄作用，具有更優(yōu)的技術(shù)性能。
3.2.2 經(jīng)濟性分析
不同光伏容量下系統(tǒng)經(jīng)濟性對比結(jié)果如圖6所示，運行收益和系統(tǒng)投資均隨著儲能容量增加而增大。當PE=8時，公共光伏拓撲2對應(yīng)的系統(tǒng)形式相比自用優(yōu)先光伏拓撲1的運行收益更高且系統(tǒng)投資更??；當PE=1時，公共光伏相比自用優(yōu)先光伏運行收益更高但系統(tǒng)投資也高。
為了對比不同拓撲結(jié)構(gòu)在不同光伏和儲能容量下的系統(tǒng)經(jīng)濟性，整理不同工況下的系統(tǒng)年凈收益如表4所示，當整村無光伏、儲能、變換器等部件，在現(xiàn)有條件下工作時，年運行費用為2.67萬元，即年凈收益為–2.67萬元，可作為參考年凈收益。PE=8時，公共光伏的年凈收益高于自用優(yōu)先光伏，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢；當PE=1時，公共光伏的年凈收益略低于自用優(yōu)先光伏，雖然系統(tǒng)年凈收益均為負值，但當儲能容量不超過0.5時，相比參考工況，2種拓撲均具有經(jīng)濟優(yōu)勢。值得注意的是，隨著儲能容量的增加，不同工況下年凈收益都呈現(xiàn)降低的趨勢，意味著在當前儲能成本下，配置儲能并不是一個經(jīng)濟性的選擇。
總體而言，當光伏容量較大時，其發(fā)電量遠超農(nóng)戶用電量，公共光伏具有更高的經(jīng)濟性，負荷滿足率也更高，更多的光伏電力被輸送至交流電網(wǎng)；光伏容量小時，其發(fā)電量和農(nóng)戶用電量相當，自用優(yōu)先光伏的經(jīng)濟性略有優(yōu)勢，但負荷滿足率和光伏消納率均低于公共光伏，即在自用優(yōu)先光伏的系統(tǒng)形式下，農(nóng)戶與交流電網(wǎng)的交互更加頻繁，從電網(wǎng)取電量和上網(wǎng)量均高于公共光伏。
4 討論
通過3.2節(jié)的性能分析可以看出，2種拓撲在不同光伏容量下的技術(shù)、經(jīng)濟性能有所差別，而實際工程中PEDF系統(tǒng)的投資經(jīng)營模式對拓撲結(jié)構(gòu)的選擇也顯得尤為重要。
對于自用優(yōu)先光伏（拓撲1）而言，戶內(nèi)部分由農(nóng)戶家庭負責(zé)，包括屋頂光伏、戶內(nèi)蓄電池、戶內(nèi)變換器和其他配套設(shè)施的成本投資，農(nóng)戶和直流母線的用電量和送電量均在戶內(nèi)計量，通過增加售電收入和減少購電成本實現(xiàn)成本回收和運行收入，戶內(nèi)系統(tǒng)完全由農(nóng)戶負責(zé)運營管理，農(nóng)戶甚至可以根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)、峰谷電價等模式進行管理，發(fā)揮蓄電池和農(nóng)戶住宅內(nèi)其他負荷的柔性調(diào)節(jié)能力最大化運行收益；村級公共部分的成本投資包括電網(wǎng)變壓器增容改造和公共空地光伏、公共蓄電池，可由村集體或者其他政府有關(guān)部門進行投資負責(zé)，村級部分的上網(wǎng)電價可略高于居民上網(wǎng)電價，通過該差價實現(xiàn)成本回收和運行盈利。
對于公共光伏（拓撲2）來講，適用的經(jīng)營模式為光伏、變換器和蓄電池部分均由投資公司負責(zé)，專業(yè)人士對村級系統(tǒng)進行日常運維和管理，集中管理光伏出力上網(wǎng)和整村負荷取電，投資公司通過上網(wǎng)售電獲得經(jīng)濟收益，農(nóng)戶通過租賃屋頂?shù)姆绞将@得收益。
另一方面，雖然在目前的儲能成本下，配置儲能會導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟性變差，但通過3.2.1技術(shù)性分析可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置部分儲能能夠有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和獨立性，使得整村系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的交互更加簡單，有利于降低電網(wǎng)整體的潮流波動。在現(xiàn)有電網(wǎng)線路和變壓器容量下，農(nóng)村末端接入大量高比例光伏電力，可能會導(dǎo)致尖峰出力負荷超過線路和變壓器的容量限制，此時儲能資源的削峰、調(diào)節(jié)作用顯得尤為重要，可以大大提高電網(wǎng)安全性。未來隨著儲能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其成本呈現(xiàn)下降的趨勢，極有可能成為不可或缺的經(jīng)濟性選擇。與此同時，由于住戶末端存在著電動汽車充電樁、電熱水器和空調(diào)等柔性用能資源，在未來隨著對這些柔性資源調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，負荷用電曲線將實現(xiàn)“荷隨源變”，系統(tǒng)光伏消納率和負荷滿足率也將大幅度提高，進而提高系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性。
5 結(jié)論
“光儲直柔”建筑新型配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)零碳轉(zhuǎn)化的重要途徑，在中國大力推進整縣屋頂分布式光伏試點的背景下，研究農(nóng)村整村的光伏利用模式和系統(tǒng)容量配置意義深遠。本文提出了2種適用于農(nóng)村住宅的光儲直柔系統(tǒng)形式，結(jié)合農(nóng)村住宅的實際用電負荷和屋頂光伏容量，討論了不同拓撲形式下的系統(tǒng)性能，并對不同系統(tǒng)形式的經(jīng)濟適用性進行了分析，得到主要結(jié)論如下。
1）公共光伏系統(tǒng)模式在光伏發(fā)電量大時，經(jīng)濟性占優(yōu)，負荷滿足率更高。當PE=8時，在各種儲能容量配置下，公共光伏相比自用優(yōu)先光伏對應(yīng)的系統(tǒng)形式，年凈收益高約1.7萬元，系統(tǒng)負荷滿足率可提高0.3~1.9個百分點。
2）自用優(yōu)先光伏系統(tǒng)模式在光伏容量小時，經(jīng)濟性略有優(yōu)勢，且系統(tǒng)上網(wǎng)電量更高。當PE=1時，在各種儲能容量配置下，自用優(yōu)先光伏相比公共光伏對應(yīng)的系統(tǒng)形式，年凈收益高約200元，系統(tǒng)負荷滿足率高1.0~3.0個百分點，光伏消納率高0.6~2.7個百分點。
3) 實際工程中，農(nóng)村住宅建筑屋頂光伏接入系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)直接影響投資經(jīng)營模式，須根據(jù)實際投資運行主體進行系統(tǒng)形式選擇。在當前儲能成本下，農(nóng)村住宅光儲直柔系統(tǒng)配置蓄電池經(jīng)濟性差，但可以有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，配合調(diào)度建筑末端柔性資源的調(diào)蓄能力后，可助力構(gòu)建以新能源為主體的未來電力系統(tǒng)。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
