光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)系統(tǒng)負面影響

徐 楨

山東省煙臺市供電公司

本文簡述光伏發(fā)電基本原理，指出光伏并網(wǎng)發(fā)電的局限性，以德國2014 年6 月9 日光伏出力超過系統(tǒng)負荷的50%為例分析討論光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模后對大電網(wǎng)影響，提出光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模以后對電力系統(tǒng)的負面影響。

太陽能對人類來說幾乎是無限的，隨著傳統(tǒng)能源的日漸減少和環(huán)境污染的日趨嚴重，光伏發(fā)電作為新型清潔可再生能源，近年來得到了人們的廣泛關(guān)注，并迅猛發(fā)展起來。雖然光伏發(fā)電的實際應(yīng)用技術(shù)還沒有完全成熟，存在著包括太陽效能利用率低，蓄電池造價高等問題。在世界范圍內(nèi)大力發(fā)展“低碳經(jīng)濟”呼聲越來越高，光伏發(fā)電作為其中的生力軍和重要組成部分，投入大量的資金和研究力量，隨著科技發(fā)展，問題會得到相應(yīng)解決，將來光伏發(fā)電在各類電源中所占比例會逐步增高。但是，光伏并網(wǎng)發(fā)電超過一定比例對電網(wǎng)形成的影響是否就像人們想的那樣樂觀？

1 光伏發(fā)電的基本原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要部件：太陽能光伏電池組、蓄電池、控制器和交直流逆變器。

太陽能光伏電池板

目前，世界上太陽電池的實驗室效率最高水平為：單晶硅電池24%（4cm2），多晶硅電池18.6%（4cm2），InGaP／GaAs 雙結(jié)電池30.28%（AM1），非晶硅電池14.5%（初始）、12.8%（穩(wěn)定），碲化鎘電池15.8%，硅帶電池14.6%，二氧化鈦有機納米電池10.96%。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)（離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)），光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（集中電站）、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2 光伏發(fā)電的局限性

氣象、氣候條件局限

光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率與光照強度（單位面積上接受可見光能量）有關(guān)，即天氣變化對光伏發(fā)電實時出力影響很大。如果光伏電站并網(wǎng)發(fā)電達到電網(wǎng)電源的一定比例，當(dāng)日照情況發(fā)生突變時（例如陰雨天、空氣污染造成的霧霾等），將造成上網(wǎng)電量大幅波動，而這時電網(wǎng)用電負荷并沒有變化，以此導(dǎo)致電網(wǎng)電源出力不足（部分用戶停電）。同一個地區(qū)一年四季春夏秋冬每個季節(jié)太陽光照情況皆不相同，在一天當(dāng)中白晝到黑夜每個時段太陽光照角度都不一樣，光伏發(fā)電量的變化也是巨大的。

地理條件局限

由于技術(shù)限制，光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)階段還比較低，在標(biāo)準(zhǔn)條件下地面上接收到的太陽輻射強度為1000W/m2，相對于火電、核電等傳統(tǒng)電廠，占地面積將更大。由于太陽能電池板下面不適合植被生長，為了不破壞生態(tài)環(huán)境只能將光伏電站建在建筑物屋頂和和荒漠。

建筑物屋頂遠遠不能滿足大裝機容量電站用地要求，而荒漠是遠離城市等用電負荷中心，需要建設(shè)長距離輸電線路，成本大大提高。

容量傳輸局限

當(dāng)大功率，高電壓，遠距離從荒漠大面積光伏電站輸送電力到負荷中心時，如果通過專線傳送負荷，則只能白天傳送，晚上將沒有電量可傳送，使用效率低。如果通過借道傳輸，白天時由于傳輸電量較大，就必須有大的線路截面，而夜晚或光伏電站出力不足時，同樣會使線路使用效率低，不能滿足經(jīng)濟電流密度要求。

3 發(fā)達國家發(fā)展光伏已出現(xiàn)的負面影響

德國光伏超過系統(tǒng)負荷的50%

德國國土面積大概360000km2，太陽輻射全國一致性比較好，光伏出力同時率高。在2014 年6 月9 日這一天，光照條件特別好，光伏發(fā)電從早上6 點開始，從17萬kwh 快速攀升至中午13 時的2300 萬kWh（算上自發(fā)自用部分，光伏出力達2600 萬kWh），隨后逐步下降至20 時到8 萬kWh。在中午13 時光伏出力超過系統(tǒng)負荷的50%。

對電力系統(tǒng)影響分析

除了出力的變化，光伏給電力系統(tǒng)帶來的最大挑戰(zhàn)：夜幕降臨后的晚上。當(dāng)夜間光伏出力為零時，或者連續(xù)陰雨天時，電力系統(tǒng)維持安全穩(wěn)定運行，滿足用電負荷需求，必須依靠能夠靈活響應(yīng)的常規(guī)電源。因此，光伏發(fā)電并網(wǎng)大規(guī)模增長后，主要是發(fā)揮電量替代作用，而要滿足電力系統(tǒng)實時平衡要求，對常規(guī)電源的需求不僅不會大幅度減少，反而對其靈活性的要求越來越高。

光伏并網(wǎng)發(fā)電增加不能減少其他形式發(fā)電機組

前面已經(jīng)說過光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)電量受天氣變化等影響較大，而不是像旋轉(zhuǎn)電機型發(fā)電機組（包括煤電、水電、核電等）根據(jù)電網(wǎng)實際負荷調(diào)節(jié)發(fā)電量。由于增加的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能減少相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機型發(fā)電機組（煤電、水電、核電等），而是將其在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電時轉(zhuǎn)為熱備用機組，一旦放生突發(fā)情況（陰雨天、空氣污染造成的霧霾）使光伏電站上網(wǎng)電量下降時，旋轉(zhuǎn)電機型發(fā)電機組（煤電、水電、核電等）需立即運行發(fā)電，以補租光伏電站發(fā)電量下降形成的電網(wǎng)電量缺口，防止電源供應(yīng)不足造成的用戶停電。

4 我國光伏發(fā)電發(fā)展及可能對電網(wǎng)造成的影響

我國光伏發(fā)展趨勢

近年來我國光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)遠遠超過了市場需求。由于美國和歐盟采取反傾銷、反補貼等傳統(tǒng)貿(mào)易保護手段，將使我國光伏產(chǎn)業(yè)主要依賴國際市場的狀況難以持續(xù)，從而加劇光伏組件產(chǎn)能的繼續(xù)過剩，使得光伏生產(chǎn)廠家不得不將目光轉(zhuǎn)向國內(nèi)，同時，根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃，“十二五”期間將以加快轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式為主線，規(guī)劃能源新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，解決有限能源和資源的約束。國家出臺一系列政策扶持國內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電的快速發(fā)展。2013 年我國新增光伏容量12.92GW，在全球新增光伏容量中排首位。2014 年計劃完成14GW 光伏裝機。我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長。

光伏并網(wǎng)可能對電力系統(tǒng)造成的負面影響

氣候、氣象條件對太陽能光伏發(fā)電量有很大制約，并網(wǎng)發(fā)電后將影響整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量，還可能影響電網(wǎng)供電安全。為了應(yīng)付這個情況，電網(wǎng)不得不配備與光伏裝機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機型發(fā)電機組處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)，浪費了發(fā)電機旋轉(zhuǎn)能量，引起不必要的經(jīng)濟損失。

5 結(jié)語

我國的能源結(jié)構(gòu)以常規(guī)能源（煤、石油和天然氣）為主，由于常規(guī)能源的不可再生性，使得能源的供需矛盾日益突出。發(fā)展太陽能發(fā)電，改善傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源多元化，緩解對有限礦物能源的依賴與約束有著積極作用。但是，作為政策制定者，應(yīng)該清醒的認識到光伏并網(wǎng)發(fā)電的局限性和負面影響，切忌盲目發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠期定位只能作為電網(wǎng)節(jié)能降耗的重要補充手段。如果超出這個戰(zhàn)略定位，將造成投資和能源額外的浪費，對減少污染排放量的樂觀看法也要大打折扣。