光伏发电的发展及其对电网规划的影响研究_宋卓然

第 ２９ 卷 第 ７ 期２０１３ 年 ７ 月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.29 No.7Jul. 2013文章编号： １６７４－３８１４ （ ２０１３ ） ０７－００９２－０５ 中图分类号： ＴＭ６１５ 文献标志码： A光伏发电的发展及其对电网规划的影响研究宋卓然 1， 陈国龙 1， 赫鑫 1， 宋颖巍 1， 刘岩 1， 宁辽逸 1， 东方 2（ 1. 辽 宁 省 电力 有限 公司 电力 经 济 技术研究院， 辽 宁 沈阳 110015； 2. 辽 宁 省 电力 有限 公司 检 修 分公司，辽 宁 沈阳 110003）Study on Development of PV Generation and Its Impacts onDistribution Network PlanningSONG Zhuo-ran 1， CHEN Guo-long 1， HE Xin 1， SONG Ying-wei 1， LIU Yan1， NING Liao-yi 1， DONG Fang2（ 1. Economic ResearchInstitute of Liaoning Electric PowerCompanyLimited ， Shenyang110015， Liaoning， China； 2. MaintenanceCompanyof Liaoning Electric Power Company Limited， Shenyang110003， Liaoning， China）ABSTRACT ： This paper clarifies the goal for PV generationdevelopment according to“ The Devolvement Plan of RenewableEnergy in the Twelfth Five-year ” and the specific plan for solarpower developmentissued recently by the National Developmentand Reform Commission. Based on the related information andconditions of the PV power generation standard， installed PVcapacity and on-grid power price， the paper explores theopportunities and existing problems of the PV power generationdevelopmentin the future with focus on the impacts of the rapiddevelopment of the PV power generation on the planning ofpower grids.KEY WORDS ： PV； Twelfth Five -Year ； grid planning； newenergy planning； on-grid price摘要： 根据国家发改委最新出台的可再生能源发展 “ 十二五 ”规划和太阳能发电专项规划， 明确光伏发展提出的明确发展目标； 综合光伏发电标准 、 光伏装机 、 上网电价等相关信息的发展情况，分析光伏电源未来发展的机遇与存在的问题， 并据此研究光伏发电迅速发展对电网规划工作的影响 。关键词： 光伏； 十二五； 电网规划； 新能源规划； 上网电价发展太阳能 、 风能等可再生能源是能源结构转型的重要举措， 已成为世界各国的共识， 也是全球能源变革的大势所趋 。 前不久发布的可再生能源发展 “ 十二五 ” 规划和太阳能发电专项规划 （以下简称 《 规划 》 ） ， 提出到 2015年光伏发电装机容量达到21 GW的发展目标 [1-2] ， 光伏发电系统在用户侧实现平价上网， 并将在光伏电站和分布式光伏两大领域扩大国内光伏应用规模 。基于此， 本文首先分析了光伏发电标准 、 装机及上网电价的相关现状及问题， 进而分析了国家的相关政策， 最后对含大规模光伏发电的电网规划进行了研究 。1 光伏发电发展现状1.1 标准发展现状近年来， 我国光伏发电发展迅速 。 为保障光伏发电可靠并网， 以及大规模光伏发电接入后电力系统的安全稳定运行， 按照国家标准化管理委员会 “ 光伏发电及产业化标准推进组 ” 的统一安排， 中国电科院积极配合国家电网公司研究制定了光伏发电技术标准体系框架， 牵头承担了 10项国家标准和 15项行业标准， 并据此成功申报一批国家标准和行业标准 。由中国电科院主编的 《 光伏发电站接入电力系统技术规定 》 、 《 光伏发电系统接入配电网技术规定 》 、 《 光伏发电站无功补偿技术规范 》 、 《 光伏发电站接入电力系统设计规范 》 和 《 光伏发电接入配电网设计规范 》 等五项国家标准报批工作全部完成 。 上述标准构成了较为完善的光伏发电接入电力系统技术规定和设计规范体系， 涵盖了从接入低压配电网的户用光伏发电系统至接入高压电网的大型光伏发电站 /群等方面内容， 标准的发布实施将为光伏发电及电力系统的安全稳定运行提供重要技术保障 。1.2 光伏装机现状1.2.1 国 际光伏装机 发展现 状太阳能光伏产业是 20世纪 80年代以来世界上清洁能源Clean Energy第 ２９ 卷 第 ７ 期 电网与清洁能源增长最快的高新技术产业之一，截至 2011年底， 全球光伏装机容量为 67.3 GW， 欧洲超过 50 GW， 约占 全球光伏总装机容量 74.2% 。 德国装机容量以24.8 GW排名第一，根据意大利能源监管局 GSE（ Gestore dei Servizi Energetici SpA） 公布的 “ 光伏装机量统计器 ” （ Photovoltaic counter） ，意大利累计光伏装机量已经达到 15 GW， 据法国电网运营商 ErDF与 EDF SEI公布的统计数据透露， 2012 年第二季度法国累计光伏装机量达到 3.28 GW，较今年第一季度上涨 9.2%。 英国 DECC数据清晰可见， 光伏装机量已达到 1 GW。 希腊光伏能源发电商协会 （ SPEF） 估计， 按照希腊光伏上网电价补贴计划， 迄今为止已安装了 950 MW光伏系统， 包括希腊小岛的 200 MW。另外， 2012年美国新增装机量占 40%， 累计装机量增至 3.5 GW， 或将成为第三大光伏市场 。1.2.2 国内 光伏装机 现 状与国际上更多地重视分布式发电不一样， 中国将精力更多地投入到了兴建光伏电站 。 截至 2011年底， 在中国太阳能总装机容量的 3.6 GW中， 分布式太阳能装机容量仅为 0.2 GW。2011年我国新增装机容量 2.7 GW， 其中青海占据 1/3。 截至 2011年 12月， 青海大型太阳能光伏电站建成项目共 44个， 并网容量大 1 003 MW， 包括格尔木100 MW大型并网光伏示范电站 、 中广核锡铁山一期 10 MW项目 、 国投华靖格尔木一期 20 MW项目 、 百科光电一期 2 MW项目等，并力争 2012年再新建 1 GW光伏电站； 宁夏截至 2011年 12月， 已建成并网的光伏电站包括宁夏发电集团总机 103.33 MW光伏电站项目，宁夏国电阿特斯新能源开发有限公司总计70 MW 的光伏电站项目，另外还有中国恩菲工程技术有限公司天景山 30 MW光伏电站项目， 宁夏能源铝业太阳山一期 30 MW光伏电站项目等 。 2010年底， 内蒙古太阳能光伏发电并网容量为 14.6 MW， 离网型太阳能发电容量为 5.8 MW。 2011年 12月， 内蒙古首个光伏发电预报系统 “ 鄂尔多斯市伊泰太阳能光伏发电预报系统 ” 完成建设， 并投入业务运行 。 该系统可预报光伏电站未来三天逐小时光伏发电两级太阳辐射量 [3-8] 。为了推动分布式光伏发电的应用， 近年来国家推动了 “ 金太阳工程 ” 。 该工程就是以投资补贴的方式支持用户端分布式光伏发电系统的应用， 但实施的效果并不理想 。1.3 电价情况1.3.1 国 际 电 价 现 状太阳能发电的成本不断地降低 。 光伏组件成本价格从 20世纪 70年代的 70美元 /W， 下降到 2008年约3美元 /W， 据 EPIA估算， 2007年不同地区装机的光伏发电系统成本价，从每度电 0.22 欧元 ～ 0.44欧元不等， 简单平均约为 0.32欧元 /kW· h， 该价格约为 3元人民币 /kW· h。 商业太阳能电池转换效率不到 20％ ， 发电的成本价格高出常规能源许多， 故虽然太阳电池行业近年来快速增长， 但需要政府政策补贴才能得以发展 。 转换效率太低， 成本太高， 是目前限制太阳能发电事业发展步伐的主要因素 。 德国政府明确其光伏发电上网电价降为 0.185欧元 /kW· h，低于居民用电价格的 0.32欧元，并希望在 52 GW的上限范围内， 保持每年 2 500~3 000 MW的太阳能发电增长趋势 。 英国政府 2012年将削减对家庭用户光伏发电电价补贴至现有水平的 1/3， 同时提高全国总补贴资金的规模， 此外， 意大利 、 希腊 、 日本等国家政府 2009年以来继续推出极具吸引力的光伏补贴政策， 推动了光伏发电市场的迅速扩大 。 日本为安装太阳能光伏系统提供 42日元的上网电价补贴 [9]。1.3.2 国内 光伏 电 价 现 状当前国内用于光伏项目的补贴政策有 3种形式： 大型光伏电站上网电价补贴 、 金太阳示范工程补贴与光电建筑一体化补贴 。上网电价补贴方面，国家发改委于 2011年 8月出台上网电价政策， 即在 2011年 7月 1日及以后核准的太阳能光伏发电项目， 以及 2011年 7月 1日之前核准但截至今年年底仍未建成投产的太阳能光伏发电项目， 上网电价按每千瓦时 1元执行 。 此外， 2011年 7月 1 日前核准建设 、 年底前建成投产 、 发改委尚未核定价格的太阳能光伏发电项目， 上网电价统一核定为每 1.15元 /kW· h。 江苏将光伏上网电价定为 1.3 元 /kW· h， 国家补贴 1元， 地方补贴 0.3元， 省级补贴部分将在 0.3元的基础上， 每年下降 10%。 光伏 “ 十二五 ” 规划对我国光伏组件成本及光伏电价情 况也做了展望， 到 2015年， 光伏组件成本下降到7 000 元 /kW，光伏系统成本下降到 1.3万元 /kW， 发电成本下降到 0.8元 /kW· h， 到 2020年， 光伏组件成本下降到 5 000元 /kW， 光伏系统成本下降到 1万元 /kW，发电成本下降到 0.6元 /kW· h。金太阳示范工程补贴方面， 为启动国内光伏应清洁能源Clean Energy93用市场， 财政部 、 科技部 、 国家能源局连续几年推出了 “ 金太阳示范工程 ” 。 2009年印发的 《 关于实施金太阳示范工程的通知 》 （财建 [2009]397 号 ） ， 规定对并网光伏发电项目原则上按光伏发电系统及其配套输配电工程投资的 50%给予补助， 对于偏远无电地区的独立光伏发电系统按总投资的 70%给予补助 。光伏建筑一体化方面， 财政部与 2011年底公布的 《 关于组织实施 2012年度太阳能光电建筑应用示范的通知 》 中提到对于建材型等与建筑物高度紧密结合的光电建筑一体化项目， 2012年度补助标准为9元 /W， 较 2011 年提高 3元； 对于一般结合的光电建筑一体化项目补贴为 7.5元 /W ， 具体数字还会根据光伏产业情况进行调整 。2 现状问题2.1 标准问题2009年 12月，国家标准化委员会已联合工信部 、 国家能源局组建了光伏发电及产业化标准推进组， 并确定中电联为推进组并网发电工作组组长单位， 组织中国电科院 、 国网电科院等部门， 负责光伏并网发电标准化日常管理工作 。 该工作组已制定了多项光伏并网发电国家标准行业标准 。 但要构建完善的光伏并网发电标准体系，至少需要上百项标准， 所以我国制定光伏并网标准体系的工作仍任重而道远 。2.2 装机容量2010年中国电池组件产量上升到 10 GW，占世界产量 45%， 连续 4年太阳能电池产量居世界第一， 但与此不匹配的是其装机容量， 截至 2010年， 中国累计安装光伏装机达到 0.9 GW， 与 《 规划 》 提出的 2015年装机容量达到 21 GW以上， 2020年装机容量达到50 GW以上相比， 显得目标跨越很大， 同时， 也预示着电网企业需要更加重视光伏发电对电网的影响 。2.3 并网问题根据中电联的统计， 2011年国内光伏系统并网率仅为 73.4%， 有 1/4项目未能实现并网 。 如果解决不了电网的消纳， 21 GW的装机指标就毫无意义， 只是一个空洞的数字 。 另外， 光伏需要更灵活的调峰电源及更强的并网技术设施， 造成脱网事故的概率和影响更大， 由此带来的技术问题同样棘手 。 《 规划 》中提出， 开展微电网供用电示范， 建设太阳能示范城市； 适时大规模推进太阳能光伏光热发电机太阳能在供暖 、 制冷和中高温工业领域的应用 。3 国家对促进光伏发电采取的政策举措针对我国光伏发电存在的问题， 国家能源局将会同有关部门制定和完善相关政策和措施， 促进光伏产业的健康持续发展，重点开展以下几项工作：一是会同财政部 、 中国气象局支持开展太阳能资源的详查和评价工作， 为下一步大规模发展太阳能光伏发电提供基础支撑； 二是制定和实施可再生能源电力配额制， 为可再生能源电力需求提供制度和政策保障；三是制定太阳能光伏发电产业指导意见，全面协调推进光伏发电产业发展； 四是制定分布式发电项目管理办法和促进分布式光伏发电发展的实施意见， 加速启动国内分布式光伏市场； 五是结合新能源示范城市和绿色能源县建设， 集中开展一批光伏发电示范项目建设； 六是继续深化电力体制改革和机制创新， 为光伏发电等可再生能源发展创造良好的体制机制环境 [10]。4 光伏发电对电网规划的影响4.1 含光伏电源电网规划流程含光伏电源的配电网规划流程见图 1。传统的配电网计算分析和规划设计方法已经图 1 含光伏电源的配电网规划流程Fig. 1 Distribution network planningprocess with PV power宋卓然， 等： 光伏发电的发展及其对电网规划的影响研究 Vol.29 No.7清洁能源Clean Energy94第 ２９ 卷 第 ７ 期 电网与清洁能源表 1 我国太阳能资源分布情况Tab. 1 Distribution of solar energy resources in China地区类型 年日照时数 /h 年辐射量 /（ MJ· m－ 2） 分布地区一类地区 3 200~3 300 6 680~8 400 宁夏北部 、 甘肃北部 、 新疆东南部 、 青海西部 、 西藏西部二类地区 3 000~3 200 5 852~6 680 河北西北部 、 山西北部 、 内蒙古南部 、 宁夏南部 、 甘肃中部 、 青海东 部 、 西藏东南部和新疆南部三类地区 2 200~3 000 5 016~5 852东东南部 、 河南东南部 、 河北东南部 、 山西南部 、 新疆北部 、 吉林 、 辽 宁 、 云南 、 陕西北部 、 甘肃东南部 、 广东南部 、 福建南部 、 江苏北部 、 安徽北 部 、 天津 、 北京和台湾西南部四类地区 1 400~2 200 4 190~5 016湖南 、 湖北 、 广西 、 江西 、 浙江 、 福建北部 、 广东北部 、 陕西南部 、 江苏南部 、 安徽南部以及 黑龙江 、 台湾东北部五类地区 1 000~1 400 3 344~4 190 四川 、 贵州 、 重庆不适用于包含大量分布式光伏发电的配电网， 因此， 必须针对新型的电源结构和供电方式， 研究适合分布式光伏系统接入的配网分析理论和规划设计方案 。 我国的太阳能光伏发电与欧洲等国家以“ 分散开发 、 低电压就地接入 ” 的发展方式不同 [11]， 呈现出 “ 大规模集中开发 、 中高压接入 ” 与 “ 分散开发 、低电压就地接入 ” 并举的发展趋势 。与过去相比， 由于光伏电源等分布式电源的出现会使电力系统的负荷预测 、 规划和运行具有更大的不确定性， 当大量用户安装分布式电源为其提供电能时，使得规划人员很难准确预测负荷增长情况， 从而影响配电网规划的准确性 。 光伏电源合理的选址定容可以推迟或减少电网升级投资， 在保证电网运行的安全性与经济性的同时， 推进光伏电源在电网的逐步渗透 。规划数据量方面， 传统配电网规划考虑的年限一般为 5~20年， 在这年限内， 通常假定电网的负荷逐年增长， 新的中低压节点不断出现， 结果会增建一个或多个变电站 。 规划问题的动态属性同维数紧密关联 。 光伏电源的接入无疑增加了更多的发电机节点， 增加了电网的维度， 使得寻求最优网架结构的过程变得更为困难 。二次规划方面， 自动化系统 、 通信系统 、 保护装置等相关规划都需要做以改变， 以满足新形势下的需求 。设备方面， 光伏电源通过逆变器并网， 需要大量的电力电子装置， 配套的控制设备以及将光伏电源集成到既有配电系统中都是对设备的一次升级 。4.2 太阳能资源分布我国太阳能资源分布情况见表 1。 一 、 二 、 三类地区， 年日照时数大于 2 200 h， 太阳年辐射总量高于 5 016 MJ/m2， 是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区， 面积较大， 约占全国总面积的 2/3以上， 具有利用太阳能的良好条件 。 四 、 五类地区， 虽然太阳能资源条件较差， 但是也有一定的利用价值， 其中有的地方是有可能开发利用的 。 总之， 从全国来看， 中国是太阳能资源相当丰富的国家， 具有发展太阳能利用事业得天独厚的优越条件 。4.3 分布式光伏电源的对负荷特性影响光伏电源一般通过配电网母线或者馈线接入配电网， 光伏电源接入后， 配电网的负荷分布将发生变化 。 光伏电源发电功率随日照强度变化， 大量光伏电源的接入会改变配电网的负荷曲线特征及最大负荷点， 年负荷 、 日负荷等都会因此而改变 。由于光伏并网不具备调峰和调频能力， 这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击， 光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量， 电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题 。 光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的， 这对本来生存就艰辛的发电企业无疑是雪上加霜 。 如果配以大容量储能装置， 可以适当缓解这方面的问题 。4.4 光伏电源选址定容在城市配电网中， 变电站及设备 、 配电网络 、用户及负荷等资源都是按照地理位置分布的 。 在进行配电网络规划之前， 变电站的位置和容量 、 负荷位置和负荷预测值均已在变电站选址与定容和负荷预测工作中完成，即配电网络规划是建立在变电站选址与定容和负荷预测工作之后进行的 。 在已有电网的基础上进行含分布式电源的配电网规划，应在系统达到其容量限制时， 根据系统的负荷增长情况， 以满足电网安全可靠供电 、 能够适应电网未来发展和接入为目标， 规划出可以满足负荷增长需要的系统最佳方案， 即由电网升级 、 增建线路和变电站以及在适当的位置安装光伏电源所组成的最清洁能源Clean Energy95佳方案 。4.5 光伏电源并网通道选择远距离光伏电能输送 。 当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为可能时， 由于光伏并网发电没有旋转惯量， 调速器及励磁系统， 它将给交流电网带来新的稳定问题 。 如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电， 将会给与光伏发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题，（专门用于光伏并网发电的输电线路，由于使用效率低， 将对荒漠太阳能的利用形成制约 。 用于借道或者兼顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路，由于负荷率低下， 显得很不经济 。 ） 不论采用高压交流或直流送出， 光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置 。4.6 光伏电源对二次规划影响目前， 我国的中低压配电网主要是不接地 （或经消弧线圈接地 ） 单侧电源 、 辐射型供电网络 。 变电站保护是基于短路器的三段式电流保护， 主馈线上装设自动重合闸装置， 支路上装设熔断器 。 光伏电源接入后的网络结构是双端甚至多端网络， 从而改变故障电流的大小 、 持续时间及方向 。 规划人员需要根据一次网络特征而进行合理的二次规划 。5 结论1）光伏发展面临巨大机遇 。 距离 2015年的 21 GW的 指 标 差 距 17.4 GW， 距 离 2020 年 50 GW 差 距46.4 GW。 具备较好太阳能资源的地区会得到国家 、地方大力支持发展光伏， 同时分布式光伏发电将迎来春天 。2）相关政府部门及电网企业要超前谋划， 制定合理电网规划方案， 提升电网消纳能力 。3）光伏相关标准逐渐完善 。 部分标准制定还处于空白， 相关部门及电力企业需加快步伐 。参考文献[1] 国家发展改革委员会 . 可再生能源发展 “ 十二五 ” 规划 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