扶贫地区光伏消纳能力分析及措施综述

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

光伏扶贫作为国务院扶贫办确定实施的 “十大精准扶贫工程”之一，是实施精准扶贫、精准脱贫的重要举措，是推进产业扶贫的有效措施［1］。光伏扶贫为贫困地区脱贫攻坚培育了新产业，为壮大贫困村集体经济开辟了新路径，为解决贫困群众稳定脱贫提供了新手段。从光伏产业角度看，也实现了拉动产业发展、光伏应用与农村资源的有效利用。

2018 年以来，国家能源局、国务院扶贫办等相关部门相继出台了《光伏扶贫电站管理办法》《村级光伏扶贫电站收益分配管理办法》 等光伏扶贫配套政策文件，在政策补贴、电费结算、电网消纳、运行维护和收益分配等方面加强指导和规范管理［2］。2019 年6 月，在全国光伏扶贫信息监测数据接入试点工作会议上，统计了系统接入纳入国家财政补贴目录的村级扶贫电站有28 584 座，装机规模共计415.9 万kW。

为探索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，需要深入研究扶贫地区提升光伏消纳能力的相关问题。国内研究机构及学者对此已开展大量理论研究，基于此，对光伏扶贫地区的负荷特性和电网结构，光伏出力特性，光伏消纳能力的制约因素和边界条件进行归纳总结，同时，综述提升扶贫地区光伏消纳能力的技术措施和政策措施，为贫困地区开展光伏扶贫相关工作提供参考。

1 光伏扶贫地区的负荷特性和农网情况

1.1 扶贫地区负荷特性情况

随着全国城镇化的推进和国家精准扶贫工程的开展，广大贫困县或农村地区的年用电量逐年上升，电力负荷变化趋势相对稳定。

贫困地区一般为县镇级，电力负荷主要集中在工业生产用电（多为小型乡镇企业）、居民生活用电、公共建筑用电（包括学校、医院等）和农业生产用电（包括灌溉、耕作、农产品加工等）。扶贫地区的月度电力负荷差异主要受乡镇工业和农业生产的季节性用电影响，居民生活用电和公共建筑用电波动性较小；日电力负荷曲线主要由工业生产用电（如图1（a））、农业生产用电（如图1（d））和公共建筑用电（如图1（c））支撑日间负荷高峰，居民生活用电（如图1（b））支撑夜间负荷高峰［3］。

图1 扶贫地区典型用户日负荷曲线

1.2 扶贫地区农网发展情况

扶贫地区多为乡镇或农村，县级以下的电力供应和消费以及相应的管理体制统称为农电。在我国，农电配电网仍然是以无源放射网络结构为主，网架结构薄弱，供电能力差、损耗大，用电秩序混乱，农业生产电价高。目前，农电工作重点主要为提高农村电气化水平，服务新农村建设［4］。

目前，国家电网有限公司经营范围内，乡、村、户通电率分别为98.83%、99.20%、99.69%。根据相关数据测算，到2020 年农网全社会用电量将达到3.99 万亿kWh，最大用电负荷将达到6.93 亿kW，“十三五”期间年均增速分别为7.76%、8.58%；农村居民生活用电量将达到6184 亿kWh，较2015 年增长56%，年均增长7.7%［5］。

2 分布式光伏的出力特性和不确定性模拟

2.1 分布式光伏的出力特性模型

分布式光伏是将太阳能转换为电能的发电装置。光伏电池的出力主要光照强度、电池材料、光伏板表面温度等条件决定［6］。根据分布式光伏的运行情况和输出特性，其发电输出功率可表示为

式中：γpv为分布式光伏的功率因数；为电池板阵列系统容量；GT为T 时段实际工况下的光照强度；为T 时段理想环境下的光热强度；ε 为分布式光伏功率的温度系数；Tcell为实际工况下的太阳板的表面温度；理想环境下的太阳板的表面温度。

2.2 分布式光伏的出力不确定性模拟

随着光伏扶贫工程的深入推进，贫困地区的农网将接入大规模的分布式光伏。由于贫困地区多在我国的中西部，四季气温和昼夜温差较大，使得分布式光伏出力存在较强的随机性和波动性，而贝塔分布能很好描述光照强度的波动性，并模拟分布式光伏接入后的各种可能性［7］。其概率密度函数f（s）可表示为：

式中：s 为实际的光照强度；smax为最大光照强度；α 和β 为贝塔分布的2 个参数，可通过T 时段内的光照强度的期望μ（如式（3）所示）和方差σ2（如式（4）所示）来计算。

3 扶贫地区光伏消纳能力的制约因素和边界条件

3.1 光伏消纳能力评价指标

分布式光伏并网接入后，实际发电量与理想发电量之间总有一定的差异；此外，在相同的光照下，不同并网点的发电效率也存在差别，导致发电效率或发电小时数存在差异的原因是弃光率［8-10］。弃光率是指分布式光伏实际发电与理论发电利用小时数的差值，和理论发电利用小时数的比率，弃光率是衡量分布式光伏运行状态的重要指标，如式（5）所示。

为实现分布式光伏的经济效益，提高发电效率是降低弃光率的重要手段。但由于不同地区的光照情况、电网结构、设备质量、运行维护水平等不同，弃光率的实际数据也有较大差别［11］。

3.2 光伏消纳能力约束因素

1）电网末端电压约束。

对于扶贫地区的农网来说，其供电半径长，末端电压偏差超标问题较为突出［12］。当大规模的分布式光伏并网接入时，随着光伏出力功率的增大，流向用户侧的功率先降至0，之后又向电网反送，导致电压偏差持续增大。

2）变电设备容量约束。

若使并网接入的分布式光伏完全消纳，实现无弃光现象，则需要让光伏出力不受其功率限制。当分布式光伏的接入容量超过电力负荷时，可能会出现剩余功率［13］。剩余功率将从变压器的低压侧沿母线流向高压侧，因此变电设备容量是约束光伏出力功率的关键因素之一。

3）线路载流量约束。

扶贫地区农村电网线路的导线截面普遍偏小，载流量较小［14］。当分布式光伏并网接入后，若出力超过电力负荷，线路的载流量将可能接近极限容量，导致线路发热严重、电流过载、弧垂增大，最终可能造成线路故障频发。

4）电网短路电流约束。

光伏发电作为分布式电源的主要形式，大规模的并网接入对配电网短路电流分布产生影响，导致线路流向故障点的短路电流增加。因此电网短路电流也是约束光伏出力功率的重要因素。

3.3 光伏消纳能力边界条件

大规模分布式光伏并网接入将改变传统配电网功率单向流动的状况，增加配电网调度与运行管理的复杂性。因此，需要确保分布式光伏并网接入规模在合理范围，减小电压偏移的范围和保证电能质量合格，并满足配电设备正常运行的各项额 定 值［15］。

由于供需双侧不确定性影响分布式光伏的接入功率，而接入后的最大功率又受设备容量、末端电压偏差、线路容量等约束影响［16-17］。因此，为提升扶贫地区光伏消纳能力，须明确光伏消纳的边界条件。光伏消纳能力的边界条件可表示为

式中：Ppower-put为分布式光伏接入电网的功率；PGi为第i 台分布式光伏的发电功率；I 为分布式光伏的总台数；为电网接入的第j 个负荷功率；J 为电力负荷的总数；Δu 为各电压等级的电压偏差；ρt为配电变压器负载率；ρ1为线路负载率。

4 提升扶贫地区光伏消纳能力的有效措施

4.1 提升光伏消纳能力的技术措施

1）外送消纳通道的建设。

扶贫地区一般为单一馈线，外送通道不足，可再生能源消纳能力有限，容易造成弃风弃光现象，因此要加强外送通道的建设，提高分布式电源的外送能力。

2）多方式并网接入配电网。

通常在馈线的末端安装分布式电源对电压的抬升作用更为明显，但集中安装在馈线末端时又容易引起电压越限，很大程度上限制了分布式光伏消纳。因此应结合扶贫地区的农网发展等趋势，尽量考虑在靠近变电站处安装分布式电源，以多点方式并网接入［18］。

3）变电站及线路改造。

扶贫地区电网架构薄弱，变电站和线路规格较小，容易造成线路过载、短路电流过大等问题，无法满足大规模分布式光伏并网接入，需要对原有的配电线路及变电站进行改造升级。

4）调整光伏逆变器功率因数。

光伏电源逆变器（Power Inverter，PI）通常以单位功率因数运行，若通过一定的技术手段改造使其运行在滞后功率因数，并适当吸收感性无功来降低农村电网整体电压水平，将有利于提升光伏消纳能力［19］。

5）安装无功补偿装置。

静态无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC）通过向配网提供无功补偿支撑，有效抑制谐波，消除三相不平衡，改善农电配电网的网架结构，提升对高比例分布式光伏并网接入的消纳能力［20］。

4.2 提升光伏消纳能力的政策措施

由于扶贫地区的总体负荷水平较低，在分布式光伏出力高峰时段的负荷可能很小，导致光伏功率渗透率较高，限制了光伏消纳能力。提升光伏消纳能力的政策措施包括电价机制、发电补贴、金融贷款、税收减免等。其中，分时电价是一种需求响应机制，也是常用的提高光伏消纳能力的政策机制。

分时电价是通过不同时段的电价来引导用户的用电行为，调整用电时间，尽量降低高峰时段分布式光伏的功率渗透率，有效提升光伏消纳能力。

1）分时电价模型。

为减少弃光率，通过分时电价机制来提高光伏电源利用率，实现需求响应［21］。传统的需求价格弹性可表示为

式中：E 为需求价格弹性；Q 为用电需求；p 为电力价格。

假设将t1—t2时段内的分时电价记为p（t），初始电价记为p（0），实施分时电价机制后的电力负荷记为f（t），初始负荷记为f（0）。当电价变动引起需求侧响应后，分时电价下的电力负荷模型可表示为

2）分布式光伏消纳率。

式中：Δf（t）为增量；Ppv（t）为光伏出力标幺值。

6 结语

随着光伏扶贫工程的持续推进，大规模的分布式光伏并网接入农电网，将面临就地消纳或外送的问题。为降低弃光率，提升光伏消纳能力，针对如何提升扶贫地区光伏消纳能力相关问题展开了综述研究。梳理光伏扶贫地区的负荷特点和电网发展情况，归纳总结扶贫地区光伏消纳能力的评价指标、制约因素和边界条件；并在前人研究的基础上，综述了提升扶贫地区光伏消纳能力的技术措施和政策措施，为贫困地区开展光伏扶贫相关工作提供参考与借鉴。但随着大规模光伏的并网接入，这些消纳措施实施起来需要多重并举、因地制宜。