光伏并網發電系統及其對電網的影響

玉 榮，趙明智，宋士金

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特010051）

1 引言

能源是社會發展與科技進步的動力，是社會和經濟可持續發展的有力保證，隨著人類社會的高速發展，能源短缺的問題已經迫在眉睫。以前使用的是化石能源如煤炭、石油、天然氣等，它們是在地殼中經歷了千百萬年才形成的，所以這些能源在短期內是不可以再生的，能源的不斷消耗與減少進而嚴重阻礙了各個國家的發展。除此以外，化石能源在利用的過程中會生成大量的有害氣體造成環境污染和溫室效應。現今，我國的的工業化發展迅速，能源的利用有著很大的壓力，一方面過度依賴化石燃料且社會的發展對能源的要求越來越多，另一方面，能源短缺使實現可持續發展面臨著巨大的挑戰。面對這些問題，人們希望能夠尋找和開發出新的能源來代替這些化石能源。從長遠來看，開發新能源與可再生能源可以逐步改善以化石能源為主的能源結構，緩解化石能源利用的同時帶來的環境污染。因此，研究開發新能源與可再生能源對能源的合理利用和社會的發展有著重要的戰略意義。目前，由于太陽能資源豐富，光伏發電過程清潔低碳等優勢，使得太陽能在新能源的開發利用中擁有更廣闊的前景和市場。但因光伏并網技術尚存在一些問題使得并網存在困難。為了解決國內局部電荒的同時部分電力資源卻閑置浪費的局面，目前急需提出有效的解決方案來解決并網的問題及影響，從而突破國內光伏市場的瓶頸[1]。

2 太陽能光伏并網的利用發展

在太陽能光伏利用發展中，世界光伏組件在過去十幾年中，以平均年增長率為15%的速度發展著，到20世紀90年代后期，發展更加迅速，平均年增長率超過了30%，1999年光伏組件生產達到了200MW，在產業方面，各國不斷擴大生產規模，改進技術水平，以提高自動化程度來降低成本，并取得了很大的進展。而根據最新統計，2011年全球光伏發電裝機27.7GW，較2010年新增光伏裝機量增長了約67%，并高于預期的22GW。至2011年年底，全球累計的光伏發電裝機量達到了67.4GW，光伏發電也成為了第三大可再生能源。而在2011年10月10日，美國商務部對華光伏“雙反”案作出仲裁，中國企業反傾銷稅率從18.32%～249.96%不等，反補貼稅率從14.78%～15.97%不等。至此，必須加速發展我國光伏發電技術才能讓光伏產業走出困境。截至2012年9月，國家電網公司經營區光伏發電并網容量271萬k W，發電量25.2億k W，我國已成為光伏發電裝機增長速度最快的國家之一，成績顯著。2012年10月26日，國家電網發布分布式光伏并網相關方案，對滿足位于用戶附近、所發電能能夠就地利用、10k V以下電壓等級接入電網而且單個并網總裝機容量不超過6MW等條件的光伏項目將免費提供接入服務，并且全額收購這些項目的富余電量，這標志著我國光伏發電發展的新階段即將到來[2]。

3 光伏并網系統組成

光伏并網系統可分為分布式和集中式兩種，分布式主要應用在城市屋頂并網、光伏建筑一體化等方面。分布式并網占地小、安裝方便靈活、不需要安裝蓄電池、資金投入少，且有電網電壓的支撐，可不考慮負載的特性而最大化提供功率。集中式并網主要是指大型光伏并網電站，需要大量的土地，一般建在荒漠無人地區，作為大電源直接向高壓電網送電，其成本較高[3，4]。

現在常用的并網光伏發電系統分帶有蓄電池環節的和不帶有蓄電池環節的兩種結構形式。

帶有蓄電池環節的并網光伏發電系統稱為可調度式并網光伏發電系統，系統中逆變器配有主開關和重要的負載開關，可使系統的電源不間斷，并且系統可以充當功率調節器，穩定電壓提高電能質量。

不帶有蓄電池環節的并網光伏發電系統稱為不可調度式并網光伏發電系統，系統中逆變器將太陽能電池板產生的直流電能轉化為和電網電壓同頻、同相的交流電能。當用電負荷較大的時候，太陽能供電不足可向市電購電，當用電負荷較小時，或所發電用不完的時候，可將多余的電力賣給市電。因并網省去了蓄電池，所以擴大了使用范圍和靈活性，降低了造價?，F今我國光伏產業正以每年30%的速度增長，在今后并網應用會有較大的發展領域。

一般光伏并網發電系統主要是由太陽能光伏陣列、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要是由電子元器件構成，這使光伏發電設備更為精煉、可靠穩定、安裝維護方便。

（1）太陽能光伏陣列。光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。太陽能電池是太陽能光伏發電系統中的核心部分，因為一般的單個的太陽能電池的工作電壓和工作電流很小，不能夠單獨作為電源使用，而將一定的電池串并聯構成太陽能電池組件，其功率可以達到要求作為電源使用。

（2）控制器?？刂破鞯淖饔檬菍φ麄€光伏系統的運行進行控制，并對蓄電池的過充電、過放電進行保護，為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，并且能夠快速平穩地為蓄電池充電，除此以外可以在充電過程中減少損耗盡量地延長蓄電池的使用壽命，在溫差較大的地方，控制器還具有溫度的補償功能?？刂破饕话阌沙潆婋娐泛妥畲蠊β庶c跟蹤控制構成。光伏發電系統中使用的控制器類型很多，例如智能控制器、大功率跟蹤充電控制器、多路順序控制器、2點式控制器，智能型控制器適用于較大型的光伏電站系統。

（3）逆變器。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，當負載是交流負載時，為使系統發出的電能夠符合使用的要求，逆變器將直流電流轉換為交流電流。逆變器的運行方式，可以分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器適用于離網光伏發電系統，而并網逆變器適用于并網光伏發電系統。按照輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器，方波逆變器電路簡單且造價較低，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統；正弦波逆變器成本較高，但可以適用于各種負載。

在電路系統中，光伏發電系統直接與電網連接，逆變器將太陽能電池發出的直流電變成交流電流入電網中，控制器控制太陽能電池最大功率點跟蹤、控制逆變器并網電流的波形和功率，使向電網傳送電能的功率與光伏陣列所發的最大功率電能相平衡（圖1）。

圖1 光伏并網發電系統

4 光伏并網發電優勢

太陽能光伏并網發電系統將太陽能轉化成為電能不通過蓄電池儲能，而是直接通過逆變器，將電能送入電網。并網發電體現了太陽能發展的一個方向，與太陽能離網發電系統相比，主要有以下幾個優點。

（1）光伏并網發電系統的建設需要較大的空間，因為光伏組件的安裝需建設大量的地基?？蓪l電系統建設在荒漠，這樣既可減少其對生產可用土地的占用，又減少了地面的蒸發量。若在光伏板下種植耐寒喜陰的植物，還可以在一定程度上對水土保持有正面的影響。

（2）并網后所發電饋入電網，依靠電網存儲電能，不通過蓄電池，節省了在光伏系統建設的部分投資，從而降低了成本。不通過蓄電池又可以減少蓄電池對環境的污染。

（3）并網除了大型光伏系統還可進行分布式建設，進退電網靈活，不但可以增強電力系統對自然災害的抵御能力，而且可以改善電力系統的負荷平衡。

5 太陽能并網存在的問題及其影響

5.1 光伏并網存在的問題

（1）自身問題：光伏發電自身缺陷導致電網建設滯后，根據太陽能能量密度低、穩定性差，且受到地理因素、溫度變化、季節變化，晝夜交替的影響，光伏發電的局限性分為以下幾點[5，6]。

溫度和季節周期變化局限。有日照的情況下，光伏發電設備才能正常地工作發電，因此，黑夜光伏發電停止，一年當中春夏秋冬各個季節對光伏發電的負荷影響巨大。為了應付這種情況，電網不得不配備相應容量的發電機處于旋轉備用狀態，以備條件改變時可維持設備工作。

地理位置局限。光伏發電設備基本上只能依附建筑物安裝建設，也就是光伏屋頂就地供電。而大型并網光伏系統的建設需要很大的空間，只能建設在荒漠、無人居住的地方。

氣象條件局限。氣候對光伏發電的影響也是巨大的，環境溫度、雨雪天氣、空氣質量都會直接影響發電量，電力負荷大幅波動。

容量傳輸局限：光伏發電并沒有傳統電機的旋轉慣量、調速器及勵磁系統，因此，光伏發電系統遠距離從荒漠，大功率、高電壓、大面積輸送電力到負荷中心，將給交流電網帶來新的經濟和穩定問題。無論采用交流或是直流高壓電大功率遠距離從荒漠地區輸送電力，前3點的局限性也都將大大增加單位千瓦的輸送成本。

光能轉換效率偏低。太陽能電池的轉換率和傳統能源的轉換效率相比較低，在發電過程中又會損失掉一部分，光伏能量的轉換效率仍不能令人滿意。

（2）太陽能間歇性的特點：太陽能光伏發電屬于調節能力差的能源，由于光伏發電系統不具備調峰和調頻能力，其接入對電網接納能力提出了更高要求，面對調控性差的光伏發電，國內電網還未能升級到能與其匹配的程度。

（3）國家對“智能電網”建設的忽視，要發展清潔能源，首先應建立起能夠適應清潔能源間歇式發電的特點，構建信息化、自動化、互動化特點的“智能電網”。而要實現電網的智能化就意味著對電網的投入經費要高于常規發電項目對應的電網。多年來智能電網投資部分僅為發電投資的30%左右，“智能電網”發展緩慢。

（4）電廠電網規劃脫節，入網標準制定滯后，光伏行業強制標準缺失，雖然目前國內太陽能方面的標準有40多個，但其中多半是關于太陽能產品的，與光伏并網發電相關的很少且一些已經過期[7]。

5.2 太陽能并網現存問題帶來的影響

（1）負荷峰谷對電網的影響：由于光伏并網發電系統不具備調峰和調頻能力，這將對電網的早晚峰負荷造成沖擊，光伏并網發電系統增加的發電能力并不能減少傳統旋轉機組的擁有量，電網必須為光伏發電系統準備大量的旋轉備用機組來解決早晚峰的調峰問題。光伏并網發電系統向電網供電是以機組利用小時數下降為代價的，這當然是發電商不愿意看到的。

（2）晝夜變化帶來的影響：東西部時差以及季節的變化對電網的影響，由于陽光和負荷出現的周期性，光伏并網發電量的增加并不能減少對電網裝機容量的需求。

（3）氣象條件的變化帶來的影響：當一個城市的光伏屋頂并網發電達到一定規模的時候，如果地理氣象出現大幅變化，電網將為光伏并網發電系統提供足夠的區域性旋轉備用機組和無功補償容量，來控制和調整系統的頻率和電壓，在這種情況下，電網將以犧牲經濟運行方式為代價來保證電網的安全穩定運行。

（4）遠距離光伏電能輸送帶來的影響：當光伏并網發電遠距離輸送電力在經濟和技術上成為可能時，由于光伏并網發電沒有旋轉慣量、調速器及勵磁系統，它將給交流電網帶來新的穩定問題，如果光伏并網發電形成規模采用高壓交直流送電，將會給與光伏發電直流輸電系數相鄰的交流系統帶來穩定和經濟問題，而專門用于光伏并網發電的輸電線路，由于負荷率低下，顯得很不經濟。

（5）耗能問題帶來的影響：光伏并網發電的一個主要優勢是可替代礦物質燃料的消耗。由于光伏并網發電增加了發電廠旋轉發電機的旋轉備用或是熱備用，因此，光伏并網發電的實際降耗比率應該扣除旋轉備用或熱備用的損失的熱量，光伏并網發電的降耗效率應該考慮到由于光伏并網發電系統提供的電力導致發電公司機組利用小時數降低帶來的效率損失。系統中總的光伏并網發電量所等效的理論降耗標煤量前應該乘以一個小于1的系數，并且等比例地減去旋轉備用機組的點損量[8～10]。

6 對于光伏并網帶來影響的解決辦法

面對可調性、可控性能差的光伏發電，國內的電網也未能升級到與其匹配的程度，業內認為要實現可以發展的清潔能源為目標的新一輪的“能源革命”，應首先實現電網的革命，建立起能夠適應清潔能源間歇式發電特點，具有信息化、自動化、互動化特點的“智能電網”。

目前，盡管太陽能發電的某些領域正在重復風電當年的坎坷，不過在專家們看來，現今國內光伏發電的大規模應用并未展開，因此急需提前布局，為光伏發電并網鋪路。

并網并非電力部門一家的事，要滿足電網的安全穩定，也需太陽能企業的考慮，在并網環節需要電網企業、制造企業、開發商形成一個共同取向，電力部門加強電網建設的同時，光伏行業亦需提高產品質量，制定出合理入網標準。

（1）將電網建設提升為國家工程，加大投入的同時設定合理建設目標，不光要考慮投入，還要從技術層面出發。新能源的發展需要智能電網的支持，新能源因為具有隨機性不能大量地商業化儲存，所以更適合采用分散式、分布式開發方式，建在用戶側，使生產的電力自發自用，多余上傳，發電不足時從電網購電。配電側智能化改造，投資小，見效快，可快速解決光伏并網難題。要接納新能源配電網需要進行智能電網改造升級，滿足以下要求。

在電源側，在電網配備可支持不同電源的設備，方便各類電網并入。

在電網側，完善電網系統，運用計算機創建具有可視化、數字化、智能化的集成系統。

在用戶側，安裝智能電表，用戶與電網雙向通信，依情況分析，合理計費。

（2）統一規劃電網和電廠建設，光伏發電站布局不能各搞各的，應圍繞電網規劃進行。要讓電網建設適應光伏產業的快速發展，在光伏產業規劃和前期工作中就要有地方供電公司參與，并將配套電網設施作為產業的一個組成部分，同步辦理相關用地等手續，以便電網項目和光伏產業能同步核準，同步建設。

（3）借鑒其他國家經驗，盡快制定合理入網標準，提高國內太陽能產品的檢測能力，消除不良產品帶給電網的隱患，出臺切實可行、簡單易操作的光伏并網電站等技術標準規范和實施手冊，將達到標準、危害市場的企業排除在外，有效防止行業亂局，提高光伏發電的整體水平，保障電網運行安全。

（4）資源勘探評估，太陽能系統因易受天氣因素影響，只有根據當地的氣象和地理條件進行系統的優化配置，才能達到可靠性和經濟性的最佳結合，發揮太陽能發電的優勢。

（5）按照太陽能資源分布，將其劃分成若干資源區，確定不同地區的上網電價，根據項目的總發電量、上網電量進行補貼，可有效遏制“騙補”問題，使發電項目的建設運營向健康良性的方向發展。

7 結語

（1）一般光伏并網發電系統主要由太陽能光伏陣列、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要是由電子元器件構成，沒有機械部件。

（2）光伏并網發電系統的優點是建設時可減少對生產可用土地的占用，可以節約初期投資并降低環境污染，可以進行有利于改善電力系統的分布式建設。

（3）并網發電系統由于自身技術和法律規章的不足，還存在一些問題，并帶來了負荷峰谷對電網的影響，晝夜變化、氣象變化，給遠距離光伏電能輸送和耗能問題帶來了影響。

（4）解決這些不利影響需要進行滿足一定要求的智能電網改造升級；統一規劃電網和電廠建設，制定合理并網的標準法規；進行資源勘探評估，根據當地的氣象和地理條件進行系統的優化配置；按太陽能資源分布劃分若干資源區來確定不同地區的上網電價。

從長遠來看，新能源和可再生能源的開發利用不但可以改善以煤炭為主的能源結構，促進常規能源更加合理有效的利用，而且對解決邊疆、海島、偏遠地區的用電用能等問題起到了重要的作用。目前各國對新能源的發展主題是以電力為中心的能源革命，電網是推進新能源發展的關鍵環節。新能源若想更好地發展，首要解決的是并網問題。此前，風能的發展就已經受到了并網的限制，現在要實現光伏并網發電就要吸取以往的經驗教訓，采取有效的措施?？梢酝ㄟ^一些方法來進行改進，首先，制定合理的入網標準，其次，加快“智能電網”的發展是克制光伏并網自身缺陷的有效手段。最后，應借鑒其他國家的先進管理方式，保證電網的安全運行。雖然光伏并網存在著諸多的問題，但是光伏產業仍具有巨大的潛力，并且在國家對新能源產業的不斷關注與建設下，這些瓶頸都會得到解決。

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