摘要：纵观全球，中国光伏产业已经成为当之无愧的领跑者，是光伏产业生产和应用的双料冠军，在“重开发、轻消纳”的光伏产业发展思想的引导下，大量光伏电站项目为赶上优惠政策的“末班车”，仓促上马，造成光伏大规模集中上网与当地电网配套建设滞后这两者间的矛盾。于此同时，光伏发电的波动性强，给电网的稳定性带来冲击，导致电网不得不采取“弃光”限电的措施，这种现象在电力需求较弱的西北五省（区）尤为严重。
关键词：光伏技术；新能源消纳；AGC系统
来自2017年国家能源局的数据显示，西北五省（区）全年光伏发电量407．3亿kWh，弃光电量66．7亿kWh，弃光率14．1％，其中新疆地区弃光率为21．6％，其他西北四省（区）弃光率由高到低依次为甘肃20．8％、陕西13．0％、宁夏6．4％、青海6．2％，均高于全国6%的平均线，“弃光”现象持续较为严重。至2018年，西北五省（区）统调口径新增光伏并网容量546.3万kW，累计并网容量4046万kW，占全网总装机的16.0%；光伏发电量481.85亿kWh，占全网总发电量的6.27%；利用小时数1372小时，弃光电量47.14亿kWh，弃光率8.91%。五省（区）弃光率分别为：新疆15.84%、甘肃10.00%、陕西7.39%、青海4.76%、宁夏4.41%。光伏产业“弃光”现象造成的电量损失，不但是一种能源浪费，而且已经成为了制约中国光伏产业市场扩容的一大掣肘因素。
弃光现象的直接表现形式是网调AGC负荷指令低于光伏电站的当前最大负荷出力，这两者的偏差是因“弃光”造成的损失电量，通常被称为富余电量。针对西北地区的弃光现象，国家采取堵疏结合的方式积极加以引导。一方面，在弃光现象突出的地区对新建电站项目踩刹车；另一方面，为光伏应用开绿灯，鼓励提升太阳能的利用效率，即处理好富余电量的消纳问题。
对于光伏发电企业来说，如何利用国家政策支持和现有厂网条件，解决好富余电量消纳问题，不仅可以解决当下企业的良性经营和发展问题，而且可以为未来光伏产业的发展方向、产业布局等重大问题提供参考。
图1 新疆某光伏园区富余电量日变化
如图1所示为新疆某地光伏园区2月25日富余电量变化图，该日天气为“晴”，日辐照量12MJ/ m²，理论发电量为206.26万kWh，实际发电量68.75万kWh，弃光率为66.6%，富余电量为137.51万kWh。该曲线为理想外部条件下（天气状况晴、电网调度指令全天变化不大）的富余电量变化图。红色曲线为根据依据样板逆变器推算出的光伏园理论发电量，蓝色曲线为该光伏园依据电网调度AGC指令送出的实际发电量曲线，红色曲线、蓝色曲线中间的部分是因弃光损失的富余电量，电网AGC调度指令变化和天气状况变化引起的光伏电站理论出力的变化均会引起当日的光伏站富余电量的变化。
图2为该光伏园区2月10日至2月28日的统计图表，图表中标注了统计时段内天气状况、日辐照度、理论发电量、实际发电量、富余电量、弃光率等信息。从曲线来看，富余电量可出力均在50MW以上。据统计，2017年该光伏园区“弃光”损失富余电量达到2616.6万kWh，开展富余电量消纳领域的相关技术研发工作，减少和降低“弃光”引起的富余电量损失并加以利用，将产生可观的经济效益。
图2 新疆某光伏园区20日发电量分析
一、技术方案路线
基于电力生产和使用的特殊性，富余电量消纳必须解决好电力传输通道建设、用电客户选择和配套设施建设等三部分内容。目前，光伏发电企业富余电量的消纳方案大致有两种，即远距离消纳和就地消纳，两者相比较有各自的特点。
（一）传输通道建设方面：
远距离消纳方案中电力传输通道建设由电网公司主导，新疆地广人稀输电距离远，电力通道建设速度受技术、政策等诸多因素的限制，难在短期内给远距离消纳足够的支持。
（二）用电客户选择方面：
远距离消纳方案中的受电端和发电端是非面对面交易，现有的经验和模式是根据远距离电能输送通道的容量，发电端报价，受电端可接受的价格，在电力交易平台完成发、受电端的电量期货、现货交易。其中电网的承受能力也是最重要的考虑因素，又归结到电力传输通道上，没有电力传输通道建设，远距离消纳方案中受电端客户的选择就无从谈起。
（三）配套设施建设方面：
远距离消纳方案需要电网进行大量配套设施建设，建设速度和推进力度由电网主导，其着眼点在电网安全和电网收益。从电网安全角度，受电端电网必须配备足够大的调峰容量来预防电力传输通道故障带来严重后果，远距离消纳方案中配套设施建设的难度很大，而配套设施建设又制约着远距离传输通道中电力的实际传输容量。
综上所述，远距离传输方案具有消纳容量大、电网公司主导、发电企业参与度低、对电网公司软硬件系统依赖度高的特点，而就地消纳方案具有消纳容量灵活、发电企业主导、发电企业参与度高、对电网公司软硬件系统依赖度低的优势。在当前阶段，就地消纳富裕电量对解决发电企业富余电量问题具有更大的可行性。
二、技术方案设计
（一）方案概述。研究光伏电站富余电量就地消纳系统的工艺流程和控制原理，设计开发基于虚拟AGC系统的富裕电量消纳系统，并完成该系统软硬件的设计、安装、调试及现场应用。
系统设计的核心思想是使光伏电站发电量实时响应电网增量客户的用电需求，即用电网增量用户的用电量信息远程控制光伏电站的实际发电量。为实现该控制要求，系统在现有网调AGC控制系统的下端创建一个虚拟AGC系统，替代原先的网调AGC系统调用光伏电站监控系统完成负荷控制。虚拟AGC系统除响应电网AGC调度指令外，还接受增量客户的实时用电信息，从而实现光伏电站发电侧与电网、增量客户等受电侧的电量平衡。
（二）系统架构。在传统的网调AGC控制系统中，光伏电站的光伏阵列发出的电通过逆变器完成交直流转换后，通过配电柜、变压器送入电网，电流经电网的输配电操作后，通过计量用的电表和用户开关送给电网用户。为维持电网发电、用电平衡，电网通过网调AGC主机下达光伏电站负荷指令给场站AGC主机，场站AGC主机通过控制光伏电站的监控系统，完成光伏电站负荷控制。
基于虚拟AGC系统的光伏富余电量消纳系统的架构图如图3所示。具体分为增量用户终端和虚拟AGC系统两个子系统，也是本系统与原有系统的区别所在。
图3 基于虚拟AGC系统的光伏富余电量消纳系统
新系统中，光伏阵列直至电网的部分没有变化，这也是就地消纳富余电量的优势所在，可以充分利用现有的厂网系统。在电网和增量用户间新增了增量用户终端，该终端的主要功能是向虚拟AGC系统送出增量用户的实时用电量信息，同时接受虚拟AGC系统送出的增量用户开关操作指令，以便在光伏电站富余电量不足以供给增量用户足够的电量时自动切除增量用户。场站AGC主机不再直接控制光伏电站监控系统，而是通过虚拟AGC系统中的虚拟AGC主机控制光伏电站监控系统。虚拟AGC系统的主要功能是将各个增量用户终端送来的用户用电信息汇总，根据当前光伏电站富余电量的实际情况进行光伏电站负荷分配，必要时执行增量用户的切除/投入工作。
基于虚拟AGC系统的富余电量消纳系统主要包括的技术条件：一是掌握光伏电站富余电量随时间变化的规律，以安全、经济为判定标准，掌握增量用户最大负荷容量的选取方法。二是掌握光伏电站AGC额外发电量与增量用户用电负荷间平衡的控制策略及软、硬件系统设计方案。三是掌握增量客户用电信息中市电电量和光伏电站增发电量的测算方法及计价体系。四是设计光伏富余电量的分时报价算法，用价格机制引导增量用户用电习惯，使增量用户用电负荷更贴近光伏电站富余电量的时间变化规律，达到更全面消纳富余电量的目的。
三、技术方案步骤
在现有电力政策的允许范围内，采用虚拟AGC系统完成光伏电站富余电量消纳系统的设计开发。整体来说，项目分为新增用户选取、系统整体设计、分系统功能设计与调试、系统集成与实施等四个步骤：
（一）新增用户选取。通过数据分析总结出光伏电站富余电量的变化特点及影响因素，找出其变化范围和单日内不同时段的变化规律，选择合适的电网新增用户与之匹配，在保证现有电网安全及用户用电安全的前提下，提高新增用户用电的经济性。
当增量用户是单一客户时，经济性和安全性的综合考虑较为简单。一方面，为了电网安全，增量用户最大负荷在当地电网安全可承受的范围内；另一方面，为了用电经济，增量用户用电时间与光伏电站富余电量产生时间一致，且总量更少。在由于天气原因导致富余电量不能满足增量用户需求时，提供用户通过市电保证供电的手段。
当增量用户是多个客户时，经济性和安全性的综合考虑要复杂的多。一方面，增量用户最大负荷的总和在当地电网安全可承受的范围内；另一方面，在增量用户的负荷超过当前光伏电站富余电量时，根据用户的用电等级，切除用电等级较低的用户，保障用电等级高用户的正常供电。在由于天气原因导致富余电量不能满足新增用户需求时，提供用户通过市电保证供电的手段。
（二）系统整体设计。按照光伏电站动态响应用电侧负荷变化的整体思路，完成系统中电气系统与通信系统和控制系统的整体设计。
电气系统整体设计中，原有发电侧、电网通路、新增用户侧不做大的改变，仅在新增用户侧的电气系统设计中考虑实时用电量信息的外送和受光伏电站控制的电气开关。
信息处理系统整体设计中，需要考虑不同系统间传递信息的采样速率、时钟同步、不同区域数据的安全等级要求等。
控制系统整体设计中，需要完成光伏电站负荷出力控制和新增用户投、脱网控制，并完成诸如富余电量电价核算等辅助工作。
（三）分系统功能设计与调试。将整套系统按功能、位置和安全的要求划分为增量用户终端系统和虚拟AGC系统，每个子系统完成特定的功能。
设计增量用户终端系统，完成增量用客电量检测、传输，控制增量用户的在网、脱网，区分增量用户用电来源是市电或光伏电站富余电量。
设计中心服务器系统，完成用户侧富余电量负荷指令的汇总，生成虚拟AGC系统所需的增量负荷指令，并依据增量负荷与当前富裕电量的相互关系给出新增客户在网、脱网指令。
设计虚拟AGC控制系统，在原有场站AGC主机与光伏逆变器监控系统间增设虚拟AGC主机，该主机除接受网调AGC指令外，也接受增量用户侧的增量负荷指令，由虚拟AGC系统控制光伏电站出力。经过虚拟AGC系统控制后，光伏电站的负荷出力不但满足网调AGC关于基础电负荷的调度要求，而且满足增量用户关于增量负荷的需要。
（四）系统集成与安装调试。完成增量用户终端系统和虚拟AGC系统的安装及分系统调试工作，完成后，进行子系统软硬件系统的集成和整机调试工作，验证整套系统运行的准确性、稳定性和可靠性。
四、产生效益和作用
富裕电量就地消纳带来的用电费用降低对促进地方经济发展、社会进步都有非常重要的意义，会带来显著的经济效益和社会效益。
（一）经济效益。对发电企业来说，富余电量的就地消纳可为企业带来显著经济效益，若富裕电量能够得到全部或部分消纳，即使采用更低的上网电价，也能带来可观的收益。对新增电力用户来说，富裕电量的就地消纳解决了当地电力用户用电贵的问题，降低了其能源消费成本。对电网公司来说，富余电量就地消纳针对者是本地电网认可的新增用户，新增用户由于地理位置上就在本地，因此可使用现有的输配电网络，无需增加额外的成本投入，电网还可以享受过网费收益。对地方政府来说，1至10kV大工业用户享受到富余电量低廉的电价可以作为地方招商引资重要优势，吸引新技术、新产业投入到地方经济建设中。
（二）社会效益。从国家能源发展战略的角度来看，光伏富余电量就地消纳系统的研究，不但很好的配合了国家能源局解决西北地区弃风、弃光工作的开展，而且可以提升光伏发电在国家电力消费中所占的比重，与国家十三五能源发展规划中“逐步降低化石能源在整个能源消耗中比重，增加可再生能源在国家能源结构中占比”的观点不谋而合，对改善国家能源结构，降低环境污染物排放等都具有非常重要的意义。
从当地社会发展和进步的角度来看，光伏电站富余电量就地消纳系统的实施，可以很好的支持和促进本地相关民生配套设施的建设，尤其是在经济相对落后、对供电价格敏感的西北五省（区）。富余电量就地消纳对提高当地城市人群的生活质量、提高农村生产效率、满足贫困人群用电需求及冬季安全洁净取暖等问题都有非常积极的作用。
结语：总的来说，富余电量就地消纳方案的实施，全面兼顾了发电企业、电网公司、电力用户三者间的利益关系，具有非常显著的经济效益和社会效益。
参考文献：
中国光伏行业协会：《2017-2018年中国光伏产业年度报告》；2018年5月
论文作者:邹刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：电量论文; 富余论文; 光伏论文; 增量论文; 电网论文; 用户论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第32期论文;