“雙碳”目標下分布式光伏發電技術的研究進展及展望

張珍珍，呂清泉，張健美

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730070)

0 引言

分布式光伏發電系統是指在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側“自發自用、余電上網”為主，且以在配電系統平衡調節為特征的光伏發電設施[1]。由于分布式光伏發電具有靠近用戶側、位置分散等優勢，能夠有效解決中國能源資源與負荷需求分布不一致的問題，為新能源開發與利用提供良好發展途徑，是中國新能源發展的重點方向之一。

本文對國內外分布式光伏發電的發展歷程進行回顧，分別從輸出功率特性建模和并網運行角度對分布式光伏發電技術發展現狀進行分析，在此基礎上對其未來的關鍵技術及研究方向進行展望，并對碳達峰和碳中和目標(即“雙碳”目標)下中國分布式光伏發電未來的發展提出幾點建議。

1 分布式光伏發電的發展現狀

1.1 發展歷程回顧

國外分布式光伏發電起步較早，早在1997年美國就提出了“百萬太陽能屋頂”工程，計劃到2020年在100萬個屋頂上建設分布式光伏電站。此外，由于早期光伏發電的平準化度電成本較高，發達國家為推進分布式光伏發電的發展，提出了各種投資補貼政策。德國作為全球推廣分布式光伏發電最成功的國家之一，于2004年提出了對光伏發電企業采取由政府補貼70%成本費用的政策。新加坡也是大力鼓勵光伏發電企業的發展，于2011年提出了不僅由政府補貼50%的企業研發資金，更對進入該國內的光伏發電企業免10年稅收的利好政策。

中國分布式光伏發電的技術應用較晚，從2002年啟動的“送電到鄉工程”開始，一直到2006年，中國分布式光伏發電一直處于初期試點階段。從2007年開始，中國分布式光伏行業逐漸進入產業化發展階段：2008年啟動了“金太陽示范工程”與“光電建筑應用示范工程”，2009～2012年，中國共組織了4期“金太陽示范工程”及“光電建筑應用示范工程”的項目招標，總裝機容量達到6.6 GW，極大推動了分布式光伏發電的發展；2013年，國家發展和改革委員會發文，明確要求對實行“自發自用”模式的分布式光伏發電按照發電量提供補貼，補貼標準為0.42元/kWh，此外，各級地方政府也積極出臺了與額外補貼相關的政策，由此促進了分布式光伏發電的進一步發展。2016～2020年，中國分布式光伏發電進入快速發展階段，其累計裝機容量占光伏發電累計裝機容量的比重從13.33%增長至31.57%。2016～2020年中國分布式光伏發電累計裝機容量占光伏發電累計裝機容量的比例如圖1所示。

圖1 2016～2020年中國分布式光伏發電累計裝機容量占光伏發電累計裝機容量的比例Fig. 1 Proportion of China’s cumulative installed capacity of distributed PV power generation in the cumulative installed capacity of PV power generation from 2016 to 2020

2020年中國光伏發電新增裝機容量為48.2 GW，其中分布式光伏發電新增裝機容量為15.52 GW，占比高達32.2%，分布式光伏發電已成為光伏行業的發展重點。

1.2 技術發展現狀

分布式光伏發電系統的結構示意圖如圖2所示。受太陽輻照的影響，分布式光伏發電系統的有功功率輸出時的平滑可控性較差，主要表現為白天發電、晚上停發，在晚上負荷高峰時無法提供電量；同時云彩的遮擋會導致光伏組件輸出功率的急劇下降，秒級最大降幅可達50%以上。因此，分布式光伏發電具有間歇性、波動性及隨機性的特點。

圖2 分布式光伏發電系統的結構示意圖Fig. 2 Structure diagram of distributed PV power generation system

目前，針對分布式光伏發電輸出功率特性建模有兩種常用方法。一種方法是不考慮時序特性，建立輸出功率的概率分布模型，例如基于貝塔概率密度函數的輸出功率模型，此類模型無法給出輸出功率隨時間變化的特性，一般適用于基于能量平衡的規劃研究，無法用于潮流分布、損耗和電壓等確定性的計算分析。另一種方法是反映輸出功率隨時間變化的時序功率模型，可以結合配電網網架及負荷情況，開展潮流計算，得出較為詳細的分布式光伏發電并網時對電網損耗、電網電壓等方面產生的影響，該方法精確度較高，但獲取光伏發電現場小時級歷史氣象信息的難度較大。

在分布式光伏發電并網運行方面，配電網大多為簡單的單電源輻射狀供電模式，接入分布式光伏發電后，供電網絡將由單電源變成雙電源甚至多電源，由此引起饋線潮流的方向和大小發生改變。此外，由于分布式光伏發電系統包括大量的電力電子元件，會對電網造成一定的諧波污染，嚴重時會影響電網的電能質量。通過對接入配電網的分布式光伏電力進行合理規劃，可有效改善配電網電壓、降低網絡損耗、提高供電可靠性。現有文獻對如何改善分布式光伏發電接入對電網的影響做了大量研究。文獻[2]提出了考慮配電網信息系統可靠性的分布式光伏發電優化配置方法，結果表明：在輻射狀配電網中，分布式光伏發電應配置較高的裝機容量，并安裝于配電網信息系統可靠性較高且靠近變電站的節點處。文獻[3]以改善電壓質量和電網損耗為考量因素，以綜合費用最小為目標建立了分布式光伏發電優化規劃模型，結果表明：分布式光伏發電接入農村配電網能有效改善電網損耗高和電壓質量低的問題。

2 分布式光伏發電關鍵技術及研究方向展望

2.1 分布式光伏電站實時全景監測及故障預警技術

分布式光伏電站一般規模較小、分布廣、數量多，而且電站之間又相對獨立。目前大多數分布式光伏電站主要運行參數(有功功率、無功功率、功率因數等)的監測及地調調度優化處于“盲區”，省調地調無法實時掌握運行狀況，隨著分布式光伏發電接入量的日益增大，給區域配電網的安全穩定運行帶來了非常大的隱患。此外，部分分布式光伏電站因建成投入使用后處于缺乏專業人員監管的狀態，面臨脫網頻發、逆變器故障等運維難題，給電站的運維管理帶來嚴峻挑戰，導致發電量大幅下降，影響光伏發電用戶的發電效益。因此，為了給分布式光伏發電用戶提供運維指導和故障預警，給調度提供監測手段，如何基于電站運行數據和資源監測數據開展分布式光伏電站實時全景監測網絡布局，并實現在線故障診斷及預警將成為未來研究的一項關鍵技術。

2.2 分布式光伏電站-站群發電能力評估技術

準確對分布式光伏電站-站群進行發電能力評估有助于電網調度，能夠顯著提高光伏發電利用率，提升電站發電效益。現階段，由于分布式光伏電站位置分散、裝機容量小，大多數電站未配置相應的運行監控系統和測光站，不具備數值天氣預報功能，無法通過太陽輻照信息、氣象數據、運行數據等直接進行發電能力評估。此外，分布式光伏電站發電量和系統效率的影響因素較多，例如氣候、光伏組件、逆變器等因素的影響較大，增加了發電能力評估的不確定性和難度，分布式光伏電站發電能力預測處于未知狀態，無相應的最大功率點跟蹤(MPPT)優化調節，有功功率輸出普遍較低，與區域負荷匹配性能較低，且無法參與區域電網調度運行優化。因此，如何基于相關性分析，提出分布式光伏電站-站群短期、超短期發電能力評估方法和中長期發電量評估方法，并在此基礎上建立分布式光伏電站-站群運行優化模型，提供分布式光伏電站逆變器有功無功優化控制策略，提升分布式光伏電站-站群發電能力將成為未來研究的一項關鍵技術。

2.3 高比例分布式光伏發電接入配電網的優化運行控制技術

高比例分布式光伏發電接入配電網可能引起潮流倒送及電壓越限問題，且當前分布式光伏電站無功功率調節能力不足，會出現因天氣突變而導致輸出功率大幅波動時的較大無功功率缺額，影響并網點及電網電壓水平和供電質量。隨著分布式光伏發電的快速接入，未來的配電網必須要滿足對分布式光伏發電的高度兼容性，需研究的關鍵技術主要體現在兩個方面：1)如何結合主動配電網，對大量接入的分布式光伏發電進行主動管理，實現長時間尺度下的全局優化控制和短時間尺度下的區域自治控制；2)如何基于分布式光伏發電并網點電壓優化，開展多時間尺度下的配電網有功-無功聯合調度，實現協調控制。

2.4 友好型分布式光伏發電綜合評價機制

分布式光伏發電作為未來新能源發展的重要方向，在能源轉型過程中，必須要考慮與電力系統、其他能源類型、生態環境及用戶等各個方面的統籌協調，從粗放式發展過渡到精細化發展，實現分布式光伏電站全生命周期友好性建設，推動能源低碳發展，帶動鄉村振興。因此，未來可重點進行友好型分布式光伏發電綜合評價機制研究，考慮分布式光伏電站運行參數及并網要求，基于電站可監測、可預測、可控制等目標，建立友好型分布式光伏發電綜合評價指標體系，研究計及電站-站群最優發電能力和電網安全穩定運行的分布式光伏發電友好性提升策略。

2.5 計及儲能的分布式光伏發電運行模式

分布式光伏發電具有間歇性、強波動性和隨機性，大規模分布式光伏發電的發展和并網可能導致電網安全穩定運行遭受嚴重威脅。而儲能具備良好的調峰調頻能力，將其應用于發電側、電網側和用戶側，可實現輸出功率波動平抑、電網調峰調頻輔助服務、電能質量改善、應急備用和無功功率補償等功能。因此，給分布式光伏電站配置儲能，可有效實現削峰填谷，降低高峰負荷壓力，提高新能源利用率。未來，可積極推進分布式光伏發電用戶側配置儲能的發展模式。此外，隨著儲能技術成本的不斷下降，用戶側利用儲能進行調節的經濟性已在很多情形下優于供應側，且優勢將越來越明顯[4]。因此，對計及儲能的分布式光伏發電運行模式開展研究很有必要，可分別在平抑光伏發電輸出功率波動條件下和參與站外優化調度條件下開展“分布式光伏發電+儲能”模式的儲能選型及最優配置容量的研究，并基于最優發電能力，研究“分布式光伏發電+儲能”友好電源的協調優化控制策略，開展“分布式光伏發電+儲能”電源友好性分析。

2.6 區域電網源網荷儲協調優化運行技術

隨著“雙碳”目標及鄉村振興戰略的提出，分布式光伏發電必將大規模接入配電網。然而，相比于傳統優化調度，分布式光伏發電具有的間歇性、隨機性、難以準確預測等特點使其接入的區域電網源網荷儲協調優化調度發電場景的不確定性更明顯，給協調優化運行模型的建立增加了難度。因此，未來可從規模化分布式光伏發電接入的區域電網源網荷儲協調優化運行模式方面開展進一步研究，考慮分布式光伏發電多目標場景，開展計及出力置信度的分布式光伏電源負荷平衡能力分析，研究區域電網日前-日內雙層調度運行優化策略，研究考慮源荷互動的區域電網源網荷儲協調優化運行方法，提出規模化分布式光伏發電接入的區域電網源網荷儲協調控制策略。

3 中國分布式光伏發電未來發展的建議

在“雙碳”目標指引下，分布式光伏發電將成為推動能源轉型的重要抓手。2021年以來，國家層面、地方層面和行業層面均針對分布式光伏發電的發展先后出臺了一系列支持政策。比如，2021年5月，住房和城鄉建設部等15個部門發布《關于加強縣城綠色低碳建設的意見》(建村[2021]45號)，要求推廣分布式光伏發電，提升屋頂光伏發電比例和實施光伏建筑一體化開發；同年7月，國家發展和改革委員會印發《“十四五”循環經濟發展規劃》，指出要推行分布式能源及“光伏+儲能”一體化系統應用。在政策支持持續加強、國內市場不斷啟動的情況下，中國分布式光伏發電將在“十四五”期間步入新一輪產業化、規模化發展階段。根據前文總結的發展現狀和關鍵技術研究方向，對中國分布式光伏發電未來發展提出幾點建議：

1)從大規模化開發利用角度，目前中國集中式光伏電站主要集中在西部地區，但由于分布過于集中，電網消納是長期挑戰。而分布式光伏電站主要分布在中、東部地區，用電需求大，采用“自發自用、余電上網”模式時，電力基本可全部消納，不易出現“棄光”現象。因此，可選擇主要在中、東部太陽能資源豐富的地區大規模開發建設分布式光伏電站。“十四五”時期，分布式光伏發電的發展模式已由原來的單個項目開發模式，變成多種開發模式，例如2021年推出的整縣規模化開發，投資企業建議由原來的以民營企業為主變為以央企、國企為主。

2)從價格機制角度，2021年6月，國家發展和改革委員會發布《關于2021年新能源上網電價政策有關事項的通知》(發改價格[2021]833號)，要求新備案的工商業分布式光伏發電項目實現平價上網。因此，需要在國家層面繼續完善分布式光伏發電上網電價政策的基礎上，積極推動各地區制定與當地光照資源稟賦和能源發展需求相適宜的針對性扶持政策，加大分布式光伏發電收益，吸引各方主體投資，支持分布式光伏產業持續健康發展。

3)從鄉村振興角度，大力發展分布式光伏發電不僅能促進農村地區經濟發展，更有利于農村地區用能轉型，因此“十四五”期間，靠近電力負荷側的分布式光伏發電將成為光伏產業發展的重要方向。未來，可進一步通過開展村級光伏扶貧電站、屋頂分布式光伏發電、“分布式光伏發電+農業”、“分布式光伏發電+種植業”等多種形式的分布式光伏發電應用，充分調動農村資源，提高農民經濟收益，優化農村能源結構。

4 結論

本文對國內外分布式光伏發電的發展歷程進行了回顧，對分布式光伏發電技術發展現狀進行了分析，在此基礎上對其未來的關鍵技術及研究方向進行了展望，并對碳達峰和碳中和目標下中國分布式光伏發電未來發展提出幾點建議。總體而言，國內外已開展了分布式光伏發電技術的大量研究和應用，在工程應用等方面日趨成熟，在并網運行和優化配置等方面不斷探索。近年來，分布式光伏發電成為光伏行業的發展重點，得到國家和地方政府的大力支持，而“鄉村振興”戰略和碳達峰、碳中和目標的提出，更是給分布式光伏發電帶來了廣闊的發展前景和機遇。隨著分布式光伏電站的大規模接入，其發電能力評估、運行控制、調度策略、源網荷儲協調優化運行等技術將成為專家學者研究的重點，對于新能源的發展和構建新型電力系統具有重要意義。