光伏扶貧地區就地消納能力評估研究

王晟嫣，周鵬程，陳威成

（1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206；2.南方電網物資有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

光伏扶貧為國務院扶貧辦確定實施的“十大精準扶貧工程”之一。由于光伏發電具有清潔環保、技術可靠、收入穩定等優點，在光照資源條件較好的貧困地區建設用戶級和村級小電站、或大規模的集中式電站，并結合農林業生產開展“光伏+”應用，既有利于新能源產業發展，又有利于增加貧困人口收入，是國家實現精準扶貧、精準脫貧的戰略之舉［1-3］。然而，貧困地區的新能源消納能力有限，如何準確地測算就地消納能力、更好地實現余量外送，是目前貧困地區開展光伏扶貧工作需要深入研究的問題。

文獻［4］針對目前配電網中由于分布式電源規劃不合理而導致的棄光問題，構建了計及光伏消納率的分布式光伏雙層多場景規劃模型。文獻［5］針對高滲透率下的分布式光伏并網接入帶來的改造成本、降調損耗、延緩投資等問題，提出了計及電網改造的分布式光伏接入的綜合效益成本分析方法。文獻［6］以內蒙古某地區村級光伏扶貧電站為研究對象，深入研究了光伏電站選址、并網接入方案等優化設計，明確了光伏扶貧電站的成本及收益問題。文獻［7］采用Monte Carlo 隨機法模擬電網接入分布式電源的場景，并從滲透率等方面全面分析并評估電網的光伏消納能力。上述文獻針對扶貧地區光伏電站并網接入、成本效益、光伏消納能力等方面進行了研究，本文將進一步對光伏扶貧地區就地消納能力評估問題展開研究。

1 光伏扶貧地區光伏出力及負荷不確定性分析

1.1 光伏出力不確定性分析

光伏發電系統是利用電池等半導體材料將表面受到的光照強度（即太陽能）轉換為電能的一種發電裝置［8］。光伏輸出功率（Photovoltaic Output Power，POP）是衡量分布式光伏出力大小的物理參數，POP隨著太陽輻射強度和環境溫度的變化而變化，其物理模型可表示為

式中：Ppv為理想工況下的光伏實際輸出功率；為理想工況下的光伏額定輸出功率；GC為實際工況下的光照強度；為理想工況下的光照強度；η 為功率溫度系數；Tenvironment為實際工況下的環境溫度；TSTC理想工況下的環境溫度。

模擬分布式光伏出力不確定性的概率模型主要有Weibull 和Beta 等函數分布。其中，Beta 函數分布適用于光伏出力預測精度較高的場合，因此選用Beta 函數分布來描述光照強度的波動性［9］。

Beta 函數分布的概率密度fpv（x）可表示為：

式中：x 為實際的光照強度；xmax為最大光照強度；μpv為光照強度的期望值；σpv為光照強度的均方差；α 和β 分別為Beta 分布的2 個參數，可通過t 時段內的光照強度的期望μpv和均方差σpv來計算，如式（3）和式（4）所示。

1.2 電力負荷不確定性分析

扶貧地區的電力負荷主要集中在工業生產用電、居民生活用電、公共建筑用電和農業生產用電等。雖然這些負荷用電具有一定的規律性，但電力預測結果與實際數據也存在波動，電力負荷的不確定性可通過概率模型來描述。分析全年用電量可知，其概率模型主要服從于Normal 函數分布［10］。

Normal 函數分布的概率密度fload（y）可表示為

式中：σload為電力負荷的均方差；μload為電力負荷的期望。

扶貧地區典型光伏出力特性和日負荷曲線如圖1 所示。

圖1 典型光伏出力和日負荷曲線

2 光伏扶貧地區的光伏滲透率分析

大規模的分布式光伏并網接入，給扶貧地區的農村電網帶來了較大壓力。隨著滲透率的提高，電力系統可能會出現逆向潮流現象，進而抬高并網節點處的電壓，導致電壓越限。因此，對扶貧地區光伏滲透率的研究分析是提高就地消納能力的關鍵。

光伏滲透率主要包括發電功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率等。

2.1 發電功率滲透率

分布式光伏的發電功率滲透率（Power Generation Penetration，PGP）是指在扶貧地區內并網接入的分布式光伏的發電功率與同一時段電力負荷的比例，其反映了全年中分布式光伏發電功率對電力負荷的需求最大值［11］。

2.2 容量滲透率

分布式光伏的容量滲透率（Capacity Penetration，CP）是指在扶貧地區內并網接入的分布式光伏的全年最大發電功率與最大電力負荷值的比例，其反映了扶貧地區農村電網的分布式光伏并網接入容量的飽和程度［12］。

在分布式光伏的相關滲透率研究中，容量滲透率是最為重要的，為此，將扶貧地區的典型日電力負荷與不同容量滲透率的曲線進行對比分析，具體如圖2 所示。

圖2 不同光伏滲透率下的日負荷曲線

由圖2 可知，典型日凈負荷的滲透率分別為20.7%（春季）、26.4%（秋季）、38.1%（冬季）時，對電力系統的負荷平抑作用顯著；而夏季電力負荷需求較高、多為晚間處于用電高峰，導致光伏滲透率較高，對凈負荷的平抑作用有限。

2.3 能量滲透率

分布式光伏的能量滲透率（Energy Penetration，EP）是指在扶貧地區內并網接入的分布式光伏的全年發電總量占電力負荷全年用電總量的比例，反映了分布式光伏相對于傳統電量的占比。

3 光伏扶貧地區就地消納能力影響因素分析

目前，扶貧地區的農村電網結構多以無源放射型網絡為主，分布式光伏并網接入方式主要為就地消納、余量上網形式。影響光伏扶貧地區就地消納能力主要因素有農村電網結構、電力負荷特性、光伏出力特性。

3.1 農村電網結構

不同的電網結構將導致不同的對外輸送電能能力。一方面，由于農村電網的網架結構普遍較為薄弱，且供電半徑長，末端電壓偏差超標問題較為突出，造成線路傳輸功率降低，限制了電網對新能源的消納水平。另一方面，隨著大規模的分布式光伏并網接入，對電網將在電壓偏差、電能質量等方面造成影響，若沒有堅強的電網將導致事故頻發。因此，擁有穩定可靠的電網結構是光伏接入消納的先決條件。

3.2 電力負荷特性

扶貧地區的負荷需求具有明顯的波動性，系統的負荷特性尤其是峰谷差和最小負荷等因素直接決定了光伏并網接入電網的容量大小，進而間接限制了光伏扶貧地區就地消納能力。

3.3 光伏出力特性

光伏發電的間歇性和不可控性導致其出力的不確定性。目前，儲能技術的發展還無法實現新能源完全消納，因此需要常規機組為其提供功率補償。

4 計及雙側不確定性的光伏扶貧地區就地消納能力分析

隨著光伏扶貧工程的持續推進，農村電網中的光伏滲透率不斷提高，其產生的電壓質量降低、線路過載、反向潮流等問題突出，給農電安全穩定運行帶了較大挑戰，也限制了分布式光伏并網允許接入的最大容量，為在保證電網穩定運行的前提下更大程度地就地消納光伏發電，需要對扶貧地區光伏消納能力進行測算。

4.1 光伏就地消納能力約束

影響光伏扶貧地區消納能力的因素較多，難以完全實現就地消納。計及雙側不確定性的光伏扶貧地區消納能力測算研究由光伏出力特性、電力負荷特性、變電容量和線路容量等因素決定。

1）變電容量約束。

光伏發電系統的并網接入將對傳統系統和電網運行方式造成調整或改變，且扶貧地區無法完全實現就地消納，因此一部分電能將送回電網，間接導致原有電網的靈活性和穩定性的降低。因此，送回電網的電能應滿足變電容量約束條件，則變電容量約束下光伏發電最大出力可表示為

2）線路容量約束。

與變電容量約束條件類似，線路容量約束是指在未就地消納的電能送回電網時，應避免造成線路負載過大，保障線路通過“N-1”校驗。線路容量約束下光伏發電最大出力可表示為

4.2 光伏就地消納能力測算

分布式光伏發電最大出力Ppv，max應滿足Ppv，max=。光伏扶貧地區就地消納能力可表示為

光伏扶貧地區就地消納能力評估模型充分考慮了電力供需雙側的不確定性，通過光伏消納率指標可以簡單判斷扶貧地區的消納能力，提供了理論支撐。但若要精準掌握光伏扶貧地區就地消納的經濟效益，還要考慮其他影響光伏消納指標（如儲能容量等），并結合定期消納率折線圖綜合判定。

5 結語

為研究扶貧電站收益分配長效機制，確保光伏扶貧電站長期持續發揮效益，針對光伏扶貧地區就地消納能力評估問題進行了研究。首先，梳理分析了扶貧地區光伏出力特性的不確定性和電力負荷需求特性的波動性，并基于不同分布函數建立了特性不確定性模擬模型；其次，針對與測算光伏消納能力密切相關的滲透率指標進行研究，深入分析了功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率；再次，歸納總結了光伏扶貧地區就地消納能力的影響因素，主要包括農村電網結構、電力負荷特性、光伏出力特性；在上述相關研究的基礎上，針對光伏扶貧地區就地消納能力測算評估進行了理論分析，為光伏扶貧地區測算新能源消納能力、實現高比例就地消納提供了理論支撐。