光伏扶貧地區(qū)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(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206；2.南方電網(wǎng)物資有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

光伏扶貧為國務(wù)院扶貧辦確定實施的“十大精準扶貧工程”之一。由于光伏發(fā)電具有清潔環(huán)保、技術(shù)可靠、收入穩(wěn)定等優(yōu)點，在光照資源條件較好的貧困地區(qū)建設(shè)用戶級和村級小電站、或大規(guī)模的集中式電站，并結(jié)合農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)開展“光伏+”應(yīng)用，既有利于新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，又有利于增加貧困人口收入，是國家實現(xiàn)精準扶貧、精準脫貧的戰(zhàn)略之舉［1-3］。然而，貧困地區(qū)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(xiàn)余量外送，是目前貧困地區(qū)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(wǎng)中由于分布式電源規(guī)劃不合理而導(dǎo)致的棄光問題，構(gòu)建了計及光伏消納率的分布式光伏雙層多場景規(guī)劃模型。文獻［5］針對高滲透率下的分布式光伏并網(wǎng)接入帶來的改造成本、降調(diào)損耗、延緩?fù)顿Y等問題，提出了計及電網(wǎng)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(nèi)蒙古某地區(qū)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(wǎng)接入方案等優(yōu)化設(shè)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(wǎng)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(wǎng)的光伏消納能力。上述文獻針對扶貧地區(qū)光伏電站并網(wǎng)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(qū)就地消納能力評估問題展開研究。

1 光伏扶貧地區(qū)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(fā)電系統(tǒng)是利用電池等半導(dǎo)體材料將表面受到的光照強度（即太陽能）轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)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(shù)，POP隨著太陽輻射強度和環(huán)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(shù)；Tenvironment為實際工況下的環(huán)境溫度；TSTC理想工況下的環(huán)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(shù)分布。其中，Beta 函數(shù)分布適用于光伏出力預(yù)測精度較高的場合，因此選用Beta 函數(shù)分布來描述光照強度的波動性［9］。

Beta 函數(shù)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(shù)，可通過t 時段內(nèi)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(qū)的電力負荷主要集中在工業(yè)生產(chǎn)用電、居民生活用電、公共建筑用電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電等。雖然這些負荷用電具有一定的規(guī)律性，但電力預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)據(jù)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(shù)分布［10］。

Normal 函數(shù)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(qū)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(qū)的光伏滲透率分析

大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入，給扶貧地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)帶來了較大壓力。隨著滲透率的提高，電力系統(tǒng)可能會出現(xiàn)逆向潮流現(xiàn)象，進而抬高并網(wǎng)節(jié)點處的電壓，導(dǎo)致電壓越限。因此，對扶貧地區(qū)光伏滲透率的研究分析是提高就地消納能力的關(guān)鍵。

光伏滲透率主要包括發(fā)電功率滲透率、容量滲透率和能量滲透率等。

2.1 發(fā)電功率滲透率

分布式光伏的發(fā)電功率滲透率（Power Generation Penetration，PGP）是指在扶貧地區(qū)內(nèi)并網(wǎng)接入的分布式光伏的發(fā)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(fā)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(qū)內(nèi)并網(wǎng)接入的分布式光伏的全年最大發(fā)電功率與最大電力負荷值的比例，其反映了扶貧地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)的分布式光伏并網(wǎng)接入容量的飽和程度［12］。

在分布式光伏的相關(guān)滲透率研究中，容量滲透率是最為重要的，為此，將扶貧地區(qū)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(tǒng)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(dǎo)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(qū)內(nèi)并網(wǎng)接入的分布式光伏的全年發(fā)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(tǒng)電量的占比。

3 光伏扶貧地區(qū)就地消納能力影響因素分析

目前，扶貧地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多以無源放射型網(wǎng)絡(luò)為主，分布式光伏并網(wǎng)接入方式主要為就地消納、余量上網(wǎng)形式。影響光伏扶貧地區(qū)就地消納能力主要因素有農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電力負荷特性、光伏出力特性。

3.1 農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致不同的對外輸送電能能力。一方面，由于農(nóng)村電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)對新能源的消納水平。另一方面，隨著大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入，對電網(wǎng)將在電壓偏差、電能質(zhì)量等方面造成影響，若沒有堅強的電網(wǎng)將導(dǎo)致事故頻發(fā)。因此，擁有穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是光伏接入消納的先決條件。

3.2 電力負荷特性

扶貧地區(qū)的負荷需求具有明顯的波動性，系統(tǒng)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(wǎng)接入電網(wǎng)的容量大小，進而間接限制了光伏扶貧地區(qū)就地消納能力。

3.3 光伏出力特性

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

4 計及雙側(cè)不確定性的光伏扶貧地區(qū)就地消納能力分析

隨著光伏扶貧工程的持續(xù)推進，農(nóng)村電網(wǎng)中的光伏滲透率不斷提高，其產(chǎn)生的電壓質(zhì)量降低、線路過載、反向潮流等問題突出，給農(nóng)電安全穩(wěn)定運行帶了較大挑戰(zhàn)，也限制了分布式光伏并網(wǎng)允許接入的最大容量，為在保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行的前提下更大程度地就地消納光伏發(fā)電，需要對扶貧地區(qū)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(qū)消納能力的因素較多，難以完全實現(xiàn)就地消納。計及雙側(cè)不確定性的光伏扶貧地區(qū)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(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入將對傳統(tǒng)系統(tǒng)和電網(wǎng)運行方式造成調(diào)整或改變，且扶貧地區(qū)無法完全實現(xiàn)就地消納，因此一部分電能將送回電網(wǎng)，間接導(dǎo)致原有電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性的降低。因此，送回電網(wǎng)的電能應(yīng)滿足變電容量約束條件，則變電容量約束下光伏發(fā)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(wǎng)時，應(yīng)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(fā)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(fā)電最大出力Ppv，max應(yīng)滿足Ppv，max=。光伏扶貧地區(qū)就地消納能力可表示為

光伏扶貧地區(qū)就地消納能力評估模型充分考慮了電力供需雙側(cè)的不確定性，通過光伏消納率指標可以簡單判斷扶貧地區(qū)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(qū)就地消納的經(jīng)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(jié)合定期消納率折線圖綜合判定。

5 結(jié)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(xù)發(fā)揮效益，針對光伏扶貧地區(qū)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(qū)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(shù)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(guān)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(jié)了光伏扶貧地區(qū)就地消納能力的影響因素，主要包括農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電力負荷特性、光伏出力特性；在上述相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對光伏扶貧地區(qū)就地消納能力測算評估進行了理論分析，為光伏扶貧地區(qū)測算新能源消納能力、實現(xiàn)高比例就地消納提供了理論支撐。