光伏扶贫地区就地消纳能力评估研究

王晟嫣，周鹏程，陈威成

（1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206；2.南方电网物资有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

光伏扶贫为国务院扶贫办确定实施的“十大精准扶贫工程”之一。由于光伏发电具有清洁环保、技术可靠、收入稳定等优点，在光照资源条件较好的贫困地区建设用户级和村级小电站、或大规模的集中式电站，并结合农林业生产开展“光伏+”应用，既有利于新能源产业发展，又有利于增加贫困人口收入，是国家实现精准扶贫、精准脱贫的战略之举［1-3］。然而，贫困地区的新能源消纳能力有限，如何准确地测算就地消纳能力、更好地实现余量外送，是目前贫困地区开展光伏扶贫工作需要深入研究的问题。

文献［4］针对目前配电网中由于分布式电源规划不合理而导致的弃光问题，构建了计及光伏消纳率的分布式光伏双层多场景规划模型。文献［5］针对高渗透率下的分布式光伏并网接入带来的改造成本、降调损耗、延缓投资等问题，提出了计及电网改造的分布式光伏接入的综合效益成本分析方法。文献［6］以内蒙古某地区村级光伏扶贫电站为研究对象，深入研究了光伏电站选址、并网接入方案等优化设计，明确了光伏扶贫电站的成本及收益问题。文献［7］采用Monte Carlo 随机法模拟电网接入分布式电源的场景，并从渗透率等方面全面分析并评估电网的光伏消纳能力。上述文献针对扶贫地区光伏电站并网接入、成本效益、光伏消纳能力等方面进行了研究，本文将进一步对光伏扶贫地区就地消纳能力评估问题展开研究。

1 光伏扶贫地区光伏出力及负荷不确定性分析

1.1 光伏出力不确定性分析

光伏发电系统是利用电池等半导体材料将表面受到的光照强度（即太阳能）转换为电能的一种发电装置［8］。光伏输出功率（Photovoltaic Output Power，POP）是衡量分布式光伏出力大小的物理参数，POP随着太阳辐射强度和环境温度的变化而变化，其物理模型可表示为

式中：Ppv为理想工况下的光伏实际输出功率；为理想工况下的光伏额定输出功率；GC为实际工况下的光照强度；为理想工况下的光照强度；η 为功率温度系数；Tenvironment为实际工况下的环境温度；TSTC理想工况下的环境温度。

模拟分布式光伏出力不确定性的概率模型主要有Weibull 和Beta 等函数分布。其中，Beta 函数分布适用于光伏出力预测精度较高的场合，因此选用Beta 函数分布来描述光照强度的波动性［9］。

Beta 函数分布的概率密度fpv（x）可表示为：

式中：x 为实际的光照强度；xmax为最大光照强度；μpv为光照强度的期望值；σpv为光照强度的均方差；α 和β 分别为Beta 分布的2 个参数，可通过t 时段内的光照强度的期望μpv和均方差σpv来计算，如式（3）和式（4）所示。

1.2 电力负荷不确定性分析

扶贫地区的电力负荷主要集中在工业生产用电、居民生活用电、公共建筑用电和农业生产用电等。虽然这些负荷用电具有一定的规律性，但电力预测结果与实际数据也存在波动，电力负荷的不确定性可通过概率模型来描述。分析全年用电量可知，其概率模型主要服从于Normal 函数分布［10］。

Normal 函数分布的概率密度fload（y）可表示为

式中：σload为电力负荷的均方差；μload为电力负荷的期望。

扶贫地区典型光伏出力特性和日负荷曲线如图1 所示。

图1 典型光伏出力和日负荷曲线

2 光伏扶贫地区的光伏渗透率分析

大规模的分布式光伏并网接入，给扶贫地区的农村电网带来了较大压力。随着渗透率的提高，电力系统可能会出现逆向潮流现象，进而抬高并网节点处的电压，导致电压越限。因此，对扶贫地区光伏渗透率的研究分析是提高就地消纳能力的关键。

光伏渗透率主要包括发电功率渗透率、容量渗透率和能量渗透率等。

2.1 发电功率渗透率

分布式光伏的发电功率渗透率（Power Generation Penetration，PGP）是指在扶贫地区内并网接入的分布式光伏的发电功率与同一时段电力负荷的比例，其反映了全年中分布式光伏发电功率对电力负荷的需求最大值［11］。

2.2 容量渗透率

分布式光伏的容量渗透率（Capacity Penetration，CP）是指在扶贫地区内并网接入的分布式光伏的全年最大发电功率与最大电力负荷值的比例，其反映了扶贫地区农村电网的分布式光伏并网接入容量的饱和程度［12］。

在分布式光伏的相关渗透率研究中，容量渗透率是最为重要的，为此，将扶贫地区的典型日电力负荷与不同容量渗透率的曲线进行对比分析，具体如图2 所示。

图2 不同光伏渗透率下的日负荷曲线

由图2 可知，典型日净负荷的渗透率分别为20.7%（春季）、26.4%（秋季）、38.1%（冬季）时，对电力系统的负荷平抑作用显著；而夏季电力负荷需求较高、多为晚间处于用电高峰，导致光伏渗透率较高，对净负荷的平抑作用有限。

2.3 能量渗透率

分布式光伏的能量渗透率（Energy Penetration，EP）是指在扶贫地区内并网接入的分布式光伏的全年发电总量占电力负荷全年用电总量的比例，反映了分布式光伏相对于传统电量的占比。

3 光伏扶贫地区就地消纳能力影响因素分析

目前，扶贫地区的农村电网结构多以无源放射型网络为主，分布式光伏并网接入方式主要为就地消纳、余量上网形式。影响光伏扶贫地区就地消纳能力主要因素有农村电网结构、电力负荷特性、光伏出力特性。

3.1 农村电网结构

不同的电网结构将导致不同的对外输送电能能力。一方面，由于农村电网的网架结构普遍较为薄弱，且供电半径长，末端电压偏差超标问题较为突出，造成线路传输功率降低，限制了电网对新能源的消纳水平。另一方面，随着大规模的分布式光伏并网接入，对电网将在电压偏差、电能质量等方面造成影响，若没有坚强的电网将导致事故频发。因此，拥有稳定可靠的电网结构是光伏接入消纳的先决条件。

3.2 电力负荷特性

扶贫地区的负荷需求具有明显的波动性，系统的负荷特性尤其是峰谷差和最小负荷等因素直接决定了光伏并网接入电网的容量大小，进而间接限制了光伏扶贫地区就地消纳能力。

3.3 光伏出力特性

光伏发电的间歇性和不可控性导致其出力的不确定性。目前，储能技术的发展还无法实现新能源完全消纳，因此需要常规机组为其提供功率补偿。

4 计及双侧不确定性的光伏扶贫地区就地消纳能力分析

随着光伏扶贫工程的持续推进，农村电网中的光伏渗透率不断提高，其产生的电压质量降低、线路过载、反向潮流等问题突出，给农电安全稳定运行带了较大挑战，也限制了分布式光伏并网允许接入的最大容量，为在保证电网稳定运行的前提下更大程度地就地消纳光伏发电，需要对扶贫地区光伏消纳能力进行测算。

4.1 光伏就地消纳能力约束

影响光伏扶贫地区消纳能力的因素较多，难以完全实现就地消纳。计及双侧不确定性的光伏扶贫地区消纳能力测算研究由光伏出力特性、电力负荷特性、变电容量和线路容量等因素决定。

1）变电容量约束。

光伏发电系统的并网接入将对传统系统和电网运行方式造成调整或改变，且扶贫地区无法完全实现就地消纳，因此一部分电能将送回电网，间接导致原有电网的灵活性和稳定性的降低。因此，送回电网的电能应满足变电容量约束条件，则变电容量约束下光伏发电最大出力可表示为

2）线路容量约束。

与变电容量约束条件类似，线路容量约束是指在未就地消纳的电能送回电网时，应避免造成线路负载过大，保障线路通过“N-1”校验。线路容量约束下光伏发电最大出力可表示为

4.2 光伏就地消纳能力测算

分布式光伏发电最大出力Ppv，max应满足Ppv，max=。光伏扶贫地区就地消纳能力可表示为

光伏扶贫地区就地消纳能力评估模型充分考虑了电力供需双侧的不确定性，通过光伏消纳率指标可以简单判断扶贫地区的消纳能力，提供了理论支撑。但若要精准掌握光伏扶贫地区就地消纳的经济效益，还要考虑其他影响光伏消纳指标（如储能容量等），并结合定期消纳率折线图综合判定。

5 结语

为研究扶贫电站收益分配长效机制，确保光伏扶贫电站长期持续发挥效益，针对光伏扶贫地区就地消纳能力评估问题进行了研究。首先，梳理分析了扶贫地区光伏出力特性的不确定性和电力负荷需求特性的波动性，并基于不同分布函数建立了特性不确定性模拟模型；其次，针对与测算光伏消纳能力密切相关的渗透率指标进行研究，深入分析了功率渗透率、容量渗透率和能量渗透率；再次，归纳总结了光伏扶贫地区就地消纳能力的影响因素，主要包括农村电网结构、电力负荷特性、光伏出力特性；在上述相关研究的基础上，针对光伏扶贫地区就地消纳能力测算评估进行了理论分析，为光伏扶贫地区测算新能源消纳能力、实现高比例就地消纳提供了理论支撑。