扶貧地區(qū)光伏消納能力分析及措施綜述

王晟嫣，周鵬程，陳威成

（1.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)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

光伏扶貧作為國(guó)務(wù)院扶貧辦確定實(shí)施的 “十大精準(zhǔn)扶貧工程”之一，是實(shí)施精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧的重要舉措，是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)扶貧的有效措施［1］。光伏扶貧為貧困地區(qū)脫貧攻堅(jiān)培育了新產(chǎn)業(yè)，為壯大貧困村集體經(jīng)濟(jì)開(kāi)辟了新路徑，為解決貧困群眾穩(wěn)定脫貧提供了新手段。從光伏產(chǎn)業(yè)角度看，也實(shí)現(xiàn)了拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、光伏應(yīng)用與農(nóng)村資源的有效利用。

2018 年以來(lái)，國(guó)家能源局、國(guó)務(wù)院扶貧辦等相關(guān)部門(mén)相繼出臺(tái)了《光伏扶貧電站管理辦法》《村級(jí)光伏扶貧電站收益分配管理辦法》 等光伏扶貧配套政策文件，在政策補(bǔ)貼、電費(fèi)結(jié)算、電網(wǎng)消納、運(yùn)行維護(hù)和收益分配等方面加強(qiáng)指導(dǎo)和規(guī)范管理［2］。2019 年6 月，在全國(guó)光伏扶貧信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入試點(diǎn)工作會(huì)議上，統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)接入納入國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼目錄的村級(jí)扶貧電站有28 584 座，裝機(jī)規(guī)模共計(jì)415.9 萬(wàn)kW。

為探索扶貧電站收益分配長(zhǎng)效機(jī)制，確保光伏扶貧電站長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)揮效益，需要深入研究扶貧地區(qū)提升光伏消納能力的相關(guān)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者對(duì)此已開(kāi)展大量理論研究，基于此，對(duì)光伏扶貧地區(qū)的負(fù)荷特性和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，光伏出力特性，光伏消納能力的制約因素和邊界條件進(jìn)行歸納總結(jié)，同時(shí)，綜述提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的技術(shù)措施和政策措施，為貧困地區(qū)開(kāi)展光伏扶貧相關(guān)工作提供參考。

1 光伏扶貧地區(qū)的負(fù)荷特性和農(nóng)網(wǎng)情況

1.1 扶貧地區(qū)負(fù)荷特性情況

隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和國(guó)家精準(zhǔn)扶貧工程的開(kāi)展，廣大貧困縣或農(nóng)村地區(qū)的年用電量逐年上升，電力負(fù)荷變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。

貧困地區(qū)一般為縣鎮(zhèn)級(jí)，電力負(fù)荷主要集中在工業(yè)生產(chǎn)用電（多為小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)）、居民生活用電、公共建筑用電（包括學(xué)校、醫(yī)院等）和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電（包括灌溉、耕作、農(nóng)產(chǎn)品加工等）。扶貧地區(qū)的月度電力負(fù)荷差異主要受鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性用電影響，居民生活用電和公共建筑用電波動(dòng)性較??；日電力負(fù)荷曲線主要由工業(yè)生產(chǎn)用電（如圖1（a））、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電（如圖1（d））和公共建筑用電（如圖1（c））支撐日間負(fù)荷高峰，居民生活用電（如圖1（b））支撐夜間負(fù)荷高峰［3］。

圖1 扶貧地區(qū)典型用戶(hù)日負(fù)荷曲線

1.2 扶貧地區(qū)農(nóng)網(wǎng)發(fā)展情況

扶貧地區(qū)多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村，縣級(jí)以下的電力供應(yīng)和消費(fèi)以及相應(yīng)的管理體制統(tǒng)稱(chēng)為農(nóng)電。在我國(guó)，農(nóng)電配電網(wǎng)仍然是以無(wú)源放射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，供電能力差、損耗大，用電秩序混亂，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價(jià)高。目前，農(nóng)電工作重點(diǎn)主要為提高農(nóng)村電氣化水平，服務(wù)新農(nóng)村建設(shè)［4］。

目前，國(guó)家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營(yíng)范圍內(nèi)，鄉(xiāng)、村、戶(hù)通電率分別為98.83%、99.20%、99.69%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)算，到2020 年農(nóng)網(wǎng)全社會(huì)用電量將達(dá)到3.99 萬(wàn)億kWh，最大用電負(fù)荷將達(dá)到6.93 億kW，“十三五”期間年均增速分別為7.76%、8.58%；農(nóng)村居民生活用電量將達(dá)到6184 億kWh，較2015 年增長(zhǎng)56%，年均增長(zhǎng)7.7%［5］。

2 分布式光伏的出力特性和不確定性模擬

2.1 分布式光伏的出力特性模型

分布式光伏是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。光伏電池的出力主要光照強(qiáng)度、電池材料、光伏板表面溫度等條件決定［6］。根據(jù)分布式光伏的運(yùn)行情況和輸出特性，其發(fā)電輸出功率可表示為

式中：γpv為分布式光伏的功率因數(shù)；為電池板陣列系統(tǒng)容量；GT為T(mén) 時(shí)段實(shí)際工況下的光照強(qiáng)度；為T(mén) 時(shí)段理想環(huán)境下的光熱強(qiáng)度；ε 為分布式光伏功率的溫度系數(shù)；Tcell為實(shí)際工況下的太陽(yáng)板的表面溫度；理想環(huán)境下的太陽(yáng)板的表面溫度。

2.2 分布式光伏的出力不確定性模擬

隨著光伏扶貧工程的深入推進(jìn)，貧困地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)將接入大規(guī)模的分布式光伏。由于貧困地區(qū)多在我國(guó)的中西部，四季氣溫和晝夜溫差較大，使得分布式光伏出力存在較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，而貝塔分布能很好描述光照強(qiáng)度的波動(dòng)性，并模擬分布式光伏接入后的各種可能性［7］。其概率密度函數(shù)f（s）可表示為：

式中：s 為實(shí)際的光照強(qiáng)度；smax為最大光照強(qiáng)度；α 和β 為貝塔分布的2 個(gè)參數(shù)，可通過(guò)T 時(shí)段內(nèi)的光照強(qiáng)度的期望μ（如式（3）所示）和方差σ2（如式（4）所示）來(lái)計(jì)算。

3 扶貧地區(qū)光伏消納能力的制約因素和邊界條件

3.1 光伏消納能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

分布式光伏并網(wǎng)接入后，實(shí)際發(fā)電量與理想發(fā)電量之間總有一定的差異；此外，在相同的光照下，不同并網(wǎng)點(diǎn)的發(fā)電效率也存在差別，導(dǎo)致發(fā)電效率或發(fā)電小時(shí)數(shù)存在差異的原因是棄光率［8-10］。棄光率是指分布式光伏實(shí)際發(fā)電與理論發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的差值，和理論發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的比率，棄光率是衡量分布式光伏運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，如式（5）所示。

為實(shí)現(xiàn)分布式光伏的經(jīng)濟(jì)效益，提高發(fā)電效率是降低棄光率的重要手段。但由于不同地區(qū)的光照情況、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行維護(hù)水平等不同，棄光率的實(shí)際數(shù)據(jù)也有較大差別［11］。

3.2 光伏消納能力約束因素

1）電網(wǎng)末端電壓約束。

對(duì)于扶貧地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其供電半徑長(zhǎng)，末端電壓偏差超標(biāo)問(wèn)題較為突出［12］。當(dāng)大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入時(shí)，隨著光伏出力功率的增大，流向用戶(hù)側(cè)的功率先降至0，之后又向電網(wǎng)反送，導(dǎo)致電壓偏差持續(xù)增大。

2）變電設(shè)備容量約束。

若使并網(wǎng)接入的分布式光伏完全消納，實(shí)現(xiàn)無(wú)棄光現(xiàn)象，則需要讓光伏出力不受其功率限制。當(dāng)分布式光伏的接入容量超過(guò)電力負(fù)荷時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)剩余功率［13］。剩余功率將從變壓器的低壓側(cè)沿母線流向高壓側(cè)，因此變電設(shè)備容量是約束光伏出力功率的關(guān)鍵因素之一。

3）線路載流量約束。

扶貧地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)線路的導(dǎo)線截面普遍偏小，載流量較?。?4］。當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)接入后，若出力超過(guò)電力負(fù)荷，線路的載流量將可能接近極限容量，導(dǎo)致線路發(fā)熱嚴(yán)重、電流過(guò)載、弧垂增大，最終可能造成線路故障頻發(fā)。

4）電網(wǎng)短路電流約束。

光伏發(fā)電作為分布式電源的主要形式，大規(guī)模的并網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)短路電流分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致線路流向故障點(diǎn)的短路電流增加。因此電網(wǎng)短路電流也是約束光伏出力功率的重要因素。

3.3 光伏消納能力邊界條件

大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)接入將改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動(dòng)的狀況，增加配電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行管理的復(fù)雜性。因此，需要確保分布式光伏并網(wǎng)接入規(guī)模在合理范圍，減小電壓偏移的范圍和保證電能質(zhì)量合格，并滿(mǎn)足配電設(shè)備正常運(yùn)行的各項(xiàng)額 定 值［15］。

由于供需雙側(cè)不確定性影響分布式光伏的接入功率，而接入后的最大功率又受設(shè)備容量、末端電壓偏差、線路容量等約束影響［16-17］。因此，為提升扶貧地區(qū)光伏消納能力，須明確光伏消納的邊界條件。光伏消納能力的邊界條件可表示為

式中：Ppower-put為分布式光伏接入電網(wǎng)的功率；PGi為第i 臺(tái)分布式光伏的發(fā)電功率；I 為分布式光伏的總臺(tái)數(shù)；為電網(wǎng)接入的第j 個(gè)負(fù)荷功率；J 為電力負(fù)荷的總數(shù)；Δu 為各電壓等級(jí)的電壓偏差；ρt為配電變壓器負(fù)載率；ρ1為線路負(fù)載率。

4 提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的有效措施

4.1 提升光伏消納能力的技術(shù)措施

1）外送消納通道的建設(shè)。

扶貧地區(qū)一般為單一饋線，外送通道不足，可再生能源消納能力有限，容易造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，因此要加強(qiáng)外送通道的建設(shè)，提高分布式電源的外送能力。

2）多方式并網(wǎng)接入配電網(wǎng)。

通常在饋線的末端安裝分布式電源對(duì)電壓的抬升作用更為明顯，但集中安裝在饋線末端時(shí)又容易引起電壓越限，很大程度上限制了分布式光伏消納。因此應(yīng)結(jié)合扶貧地區(qū)的農(nóng)網(wǎng)發(fā)展等趨勢(shì)，盡量考慮在靠近變電站處安裝分布式電源，以多點(diǎn)方式并網(wǎng)接入［18］。

3）變電站及線路改造。

扶貧地區(qū)電網(wǎng)架構(gòu)薄弱，變電站和線路規(guī)格較小，容易造成線路過(guò)載、短路電流過(guò)大等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)接入，需要對(duì)原有的配電線路及變電站進(jìn)行改造升級(jí)。

4）調(diào)整光伏逆變器功率因數(shù)。

光伏電源逆變器（Power Inverter，PI）通常以單位功率因數(shù)運(yùn)行，若通過(guò)一定的技術(shù)手段改造使其運(yùn)行在滯后功率因數(shù)，并適當(dāng)吸收感性無(wú)功來(lái)降低農(nóng)村電網(wǎng)整體電壓水平，將有利于提升光伏消納能力［19］。

5）安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC）通過(guò)向配網(wǎng)提供無(wú)功補(bǔ)償支撐，有效抑制諧波，消除三相不平衡，改善農(nóng)電配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升對(duì)高比例分布式光伏并網(wǎng)接入的消納能力［20］。

4.2 提升光伏消納能力的政策措施

由于扶貧地區(qū)的總體負(fù)荷水平較低，在分布式光伏出力高峰時(shí)段的負(fù)荷可能很小，導(dǎo)致光伏功率滲透率較高，限制了光伏消納能力。提升光伏消納能力的政策措施包括電價(jià)機(jī)制、發(fā)電補(bǔ)貼、金融貸款、稅收減免等。其中，分時(shí)電價(jià)是一種需求響應(yīng)機(jī)制，也是常用的提高光伏消納能力的政策機(jī)制。

分時(shí)電價(jià)是通過(guò)不同時(shí)段的電價(jià)來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)的用電行為，調(diào)整用電時(shí)間，盡量降低高峰時(shí)段分布式光伏的功率滲透率，有效提升光伏消納能力。

1）分時(shí)電價(jià)模型。

為減少棄光率，通過(guò)分時(shí)電價(jià)機(jī)制來(lái)提高光伏電源利用率，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)［21］。傳統(tǒng)的需求價(jià)格彈性可表示為

式中：E 為需求價(jià)格彈性；Q 為用電需求；p 為電力價(jià)格。

假設(shè)將t1—t2時(shí)段內(nèi)的分時(shí)電價(jià)記為p（t），初始電價(jià)記為p（0），實(shí)施分時(shí)電價(jià)機(jī)制后的電力負(fù)荷記為f（t），初始負(fù)荷記為f（0）。當(dāng)電價(jià)變動(dòng)引起需求側(cè)響應(yīng)后，分時(shí)電價(jià)下的電力負(fù)荷模型可表示為

2）分布式光伏消納率。

式中：Δf（t）為增量；Ppv（t）為光伏出力標(biāo)幺值。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著光伏扶貧工程的持續(xù)推進(jìn)，大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)接入農(nóng)電網(wǎng)，將面臨就地消納或外送的問(wèn)題。為降低棄光率，提升光伏消納能力，針對(duì)如何提升扶貧地區(qū)光伏消納能力相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)了綜述研究。梳理光伏扶貧地區(qū)的負(fù)荷特點(diǎn)和電網(wǎng)發(fā)展情況，歸納總結(jié)扶貧地區(qū)光伏消納能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)、制約因素和邊界條件；并在前人研究的基礎(chǔ)上，綜述了提升扶貧地區(qū)光伏消納能力的技術(shù)措施和政策措施，為貧困地區(qū)開(kāi)展光伏扶貧相關(guān)工作提供參考與借鑒。但隨著大規(guī)模光伏的并網(wǎng)接入，這些消納措施實(shí)施起來(lái)需要多重并舉、因地制宜。