大量分布式光伏电源并网后能量渗透率的研究

第 38卷 第 9期2010年 9月V o.l 38 No. 9Sept. 2010大量分布式光伏电源并网后能量渗透率的研究赵 波 , 洪博文 , 葛晓慧(浙江省电力试验研究院 , 杭州 310014)摘 要 : 分析了传统电网对大量分布式光伏并网的限制因素 , 重点研究了在传统电网机组调节能力的限制下 ,光伏并网的能量渗透率 极限 , 并通过计算在不同渗透率 水平下光伏 的利用率、 成本、 安装容 量等 , 为 研究光伏电源的优化配置、 提高系统接纳光伏的能力提供建设性意见。关键词 : 分布式光伏电源 ; 能量渗 透率 ; 电网接入作者简介 : 赵 波 ( 1977 ), 男 , 博士 , 高级工程师 , 研究方向为分布式电源、 微网技术。中图分类号 : TM615 文献标志码 : A 文章编号 : 1001 9529( 2010) 09 1388 05Study on Energy Perm eabilit y after M any D istr ibuted Photovoltaic Pow er Supplies Connected to GridZHAO Bo, HONG B o wen, GE X iao hui( ZhejiangE lectric PowerT est energy perm eability; grid accessed[ 2] M OHAN N, UNDELAND T M, ROBBINS W P. Power electronics, converters, appli cations, and design [ M ]. NewYork, NY: W iley, 2003.[ 3] M easu rem ent and assessm ent of power qualit y characteristicsof grid connectedw ind turb in es[ J]. IEC Standard 61400 21,Ed. 2. 0, Aug. 2008.[ 4] Assessm ent of em ission lim its for the connection of distortinginstallations to MV, HV and EHV power system s[ S]. 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Pow er Syst. , 17 ( 1 ), Jan.2002.收稿日期 : 2010 05 13本文编辑 : 王志胜提高能源利用效率、 开发新能源、 加强可再生能源的利用 , 是解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长和节能环保之间矛盾的必然选择。在政府财政补助和优先并网政策的鼓励下 , 光伏发电这一新能源产业迅速发展 , 并网安装容量不断增加 [ 1 3] 。但随着电网中光伏渗透率 (文中的渗透率均指能量渗透率 ) 的升高其利用率会有所下降 , 目前对于高渗透率下光伏利用率的研究较少 [ 4, 5] 。为了更好地引导光伏电站的有 序建设 , 为 电源规 划和电 网的 统一建 设服务 [ 6] , 本文以某 一实际地区为 例 , 根据实 测的负荷和辐照度数据 , 结合网内常规机组最小技术出力限制 , 通过大量分布式光伏并网电源利用率的计算 , 对该地区电网接纳光伏电源的能力进行了赵 波 , 等 大量分布式光 伏电源并网后能量渗透率的研究 1389评估。研究表明 , 光伏电源利用率的分析对优化光伏电源配置水平、 合理安排光伏电源的运行方式具有重要意义。1 光伏接入对电力系统的影响由于光照资源分布不均衡以及光照辐度变化的随机性、 波动性、 间歇性等因素 , 相比于传统可调度电厂 , 光伏电源具有可调可控性较差的特点。随着分布式光伏电源并网容量的迅速增加 , 光伏发电的这些问题将对电网在规划设计、 调度运行等方面带来很大影响。在电力系统的规划设计、 调度运行中 , 不仅需要掌握局部负荷变动情况 , 更需要掌握整个系统的负荷变化情况 , 以便合理安排机组开机方式和电源规划。系统的负荷与作息时间、 气候和季节等因素相关 , 因此 , 用电负荷的总量和分布情况会随时间发生变化。通常情况下 , 年最大负荷出现在夏季 , 最小负荷发生在春节期间 ; 一周内各天的负荷变化较小 , 工作日的负荷略高于休息日。系统的最小技术出力是由系统中常规机组的调节能力和调节成本决定的 , 本文定义系统调节系数的概念 , 即系统中的传统机组正常运行时可调节的负荷占峰荷的比例。系统最小技术出力与常规机组的组成和开机方式有关。不同类型和容量的机组具有不同的最小技术出力 , 如以水电为主的电网其系统最小技术出力通常低于以火电机组为主的电网。此外 , 在不同的季节调度部门会安排不同的开机方式 , 因此同一个系统在不同季节系统最小技术出力也不相同。本文所研究地区电网以火电机组为主 , 单台机组的最小技术出力允许在 60%左右。本文对调节系数为 60% ~ 100% 的系统情况进行了研究 , 并对 60% 的情况进行了详细分析。系统最小技术出力对光伏渗透率的影响不仅与负荷分布和光伏安装容量有关 , 还与天气条件有关。例如 , 在光伏安装容量使全年光伏渗透率达到 10% 时 , 系统最小技术出力在不同季节接纳光伏的情况就有明显差异。为了分析的需要 , 引入净负荷的概念 , 表示负荷与光伏出力 的差值。如图 1所示 , 在 2009 年春季 3 月份的第一周 , 受光照条件影响 , 光伏出力维持在一个较低的水平 ,系统中的机组基本能在最小技术出力线以上稳定运行。但在 2009年夏季的 6月份 , 由于光照条件已经达到了较高水平 , 在一周的很多时间内系统的净负荷已经穿越了系 统最小技术出力 线的范围 , 如图 2所示 , 表示部分常规机组将被迫退出运行。在本文研究光伏渗透率时 , 为了避免常规机组穿越最小技术出力线 , 根据系统最小技术出力对可用的光伏电量进行限制。在该假设之下 , 对不同渗透率下光伏发电量的利用效率、 成本等进行计算和分析。图 1 某地区 2009年 3月第 1周光伏发电和负荷需求曲线图 2 某地区 2009年 6月第 1周光伏发电和负荷需求曲线2 分析方法文中分析的内容包括不同光伏渗透率下的净负荷持续时间曲线、 光伏电源利用率、 光伏电源的成本和光伏利用小时数。综合上述计算结果 , 对当前系统条件下光伏电 源的渗透率水平 进行分析 , 研究系统条件对光伏渗透率的限制因素和相应措施。2. 1 计算内容( 1) 光伏渗透率 : 光伏渗透率是指分布式光伏电源全年提供的电量占系统负荷全年耗电总量的百分比 , 而不是传统定义的光伏安装容量与最大负荷的比值 ;( 2) 光伏利用率 : 光伏电源实际发电量与实际光照条件下允许的最大发电量的比值 ;( 3) 光伏电源安装容量 : 光伏电源实际安装容量与系统最大负荷的比值 ;( 4) 光伏利用小时数 : 光伏电源在一年中发出的可用电量与安装容量的比值 ;( 5) 光伏成本 : 实际光伏成本相对于光伏利1390 2010, 38( 9)用率为 1时的数值 , 用光伏利用率的倒数表示。为了加深对以上概念的理解 , 以该地区 2009年的数据为例。假设系统的最小技术出力为年最大负荷的 40% , 光伏渗透率约为 9% 。在该条件下 , 2009年 6月 1日的可用光伏发电量占到了当日负荷总量的 13% , 光伏利用率为 99. 5%。图 3中的划线部分为光伏发电符合系统调节要求的部分 , 即 可用光伏发电量 !; 黑色 阴影部分表示不满足系统调节要求的光伏发电量 , 即不可用的光伏发电量 , 灰色阴影部分为常规机组运行负荷。图 3 全年光伏渗透率为 9%, 系统调节系数为 0. 6时的光伏利用情况保持上述条件不变 , 将光伏安装容量扩大为原来的 2倍 , 同日可用光伏发电量与当日负荷总量的 比 值 上 升 为 15. 4% , 光 伏 利 用 率 降 为55 4% , 如图 4所示。对比图 3和图 4黑色阴影部分面积明显增加 , 而划线部分只是在两侧面积略有增加。统计系统新增的光伏发电利用率仅为11 3% , 并且可以判断随着光伏安装容量的增加 ,废弃率还将进一步升高。从可利用光伏发电量的增长方式可以看出 ,划线部分及其两侧阴影部分面积所占比例即该最小技术出力限制下的光伏渗透率极限。图 4 光伏安装容量加倍后的利用情况2. 2 基本假设与计算条件研究中对计算条件作如下假设 :( 1) 不考虑系统在不同运行方式时开机方式对系统最小技术出力的影响 , 即系统最小技术出力是一个固定值 , 该出力水平由系统机组的调节能力决定 ;( 2) 系统接纳光伏的能力只受系统最小技术出力的影响 , 不考虑机组的爬坡率和启动成本等因素的影响 ;( 3) 不考虑光伏发电的传输损耗 , 即认为分布式光伏电源接在系统的负荷侧 , 光伏出力可以直接满足等量的负荷需求 ;( 4) 逆变器和光伏 元件采用 统一的效 率曲线 , 不考虑生产厂家和环境因素差异的影响 ;( 5) 假设研究系统为独立供电系统 , 即系统的负荷由系统内的机组供应 , 系统的光伏接纳能力不受外部系统的影响。在上述假设的基础上 , 建立分布式光伏电源的模型 , 根据 2009年实测模块温度和辐照度计算出单位分布式光伏电源全年出力的小时平均值 , 通过不断增加分布式光伏电源安装容量得到不同的光伏渗透率水平 , 并在该渗透率下 , 计算相应的光伏利用率、 成本、 利用小时数 , 得到它们随光伏渗透率变化的曲线。计算的基本流程如图 5所示。图 5 计算流程图3 光伏渗透率分析3. 1 负荷与辐照度相关性赵 波 , 等 大量分布式光 伏电源并网后能量渗透率的研究 1391根据某一实际地区 2009年统计的每小时负荷平均值实测数据 , 该地区 2009 年全年最大负荷为 7 207 MW, 最小负荷为 1 145MW, 峰荷全年持续时间 为 4 410 h, 年 平 均 负 荷 为 4 321 MW。2009年该地区全年最大辐照度 (小时平均值 )为0. 886 kW /m2, 全年平均为 0. 113 W /m2, 满足分布式 光伏 电源 可利用 的最 小辐 照度 ( 约 0. 015W /m2 )的光照时间为 3 789 h。图 6为该地区 2009 年的月平均负荷曲线和月平均辐照度曲线。地区全年负荷高峰出现在夏季温度较高的 7月份 , 这是由于空调负荷的大量增加 , 但地区全年辐照度最大值却没有出现在相应的高温时段 , 这是由于该地区夏季雨水较多 , 相比春季的 3、 4月份地面辐照度平均值有所降低。地区全年负荷低谷出现在 1月春节期间 , 并在春节前后发生较大变化。此时各类工业用电和商业用电都很低。图 6 某地区 2009年月负荷和月辐照度平均值根据 2009年春季、 夏季、 秋季和冬季负荷曲线的统计结果可知 , 日负荷曲线在早晚 2个时段都出现了不同程度的峰值 , 分别对应于该地区用电的早高峰和晚高峰 , 而日负荷曲线的低谷出现在凌晨。辐照度最大点一般出现在午间时段 , 但在夏季的正午时间会出现一次跌落 , 在两侧呈现全日的最大辐照度 (跟该地区夏季的高温、 高湿天气有关 )。总体看来 , 春夏比秋冬季的 平均辐照度水平高。3. 2 光伏渗透率对光伏利用率的影响随着系统中光伏安装容量的不断加大 , 渗透率也会逐渐提高 , 但提高的速度会随着光伏电源的利用效率的改变而发生变化。图 7反映了该地区净负荷持续时间曲线随渗透率变化的情况。在系统调节系数为 60%的条件下 , 即满足净负荷在系统峰荷 40% 以上条件的光伏出力才是可用光伏出力 , 此时系统光伏电源的渗透率极限略大于 17%。图 7 净负荷持续时间曲线从图 7中可以看出 , 随着光伏渗透率的增加 ,越来越长的时间段内系统的净负荷处于最小技术出力线以下 , 这就意味着增加的光伏电源在更长的时间内被迫停止出力 , 大大降低了光伏电源的利用效率。图 8直接反映了对于不同的系统调节系数 ,光伏渗透率对光伏电源利用效率的影响 , 图 9则反映了相应的成本变化情况。从图 8和图 9可以看出在同等渗透率下 , 系统调节能力较强时 , 分布式光伏电源的平均利用率和边际利用率都明显提高 , 成本也大大降低。此外 , 提高系统的调节能力还可以提高系统中的光伏渗透率极限 , 更好的发挥光伏发电的潜能。图 8 平均利用率和边际利用率在图 8右侧的纵坐标反映的是对于不同的系统调节系数 , 光伏渗透率对光伏全年利用小时数的影响。在同等渗透率下随着系统调节能力的提高 , 分布式光伏电源的平均利用小时数和边际利用小时数均会有所提高。因此 , 采用合适的技术减小系统机组最小技术出力 , 在同等渗透率下 , 分布式光伏电源的平均利用小时数和边际利用小时数可以得到明显的提高。此外 , 从图 8还可以看出 , 光伏全年利用小时1392 2010, 38( 9)图 9 光伏成本数与光伏利用率呈一一对应的关系 , 它实际是光伏发电利用率和全年光照条件综合后的结果 , 可以有效的反映光伏安装容量的实际利用情况。图8中光伏利用率为 1的点对应的光伏全年利用小时数约为 873. 5, 即在不考虑光 伏发电废弃的情况下 , 2009年该地区的光照条件对应的光伏发电总量相当于全部光伏在额定功率下运行 873. 5 h所发出的电量。图 10反映了不同渗透率水平对应的实际光伏安装容量。系统调节能力为 60% 以及渗透率为 10% 时 , 需要安装额定容量为最大负荷 0. 7倍的光伏电源 , 此时分布式光伏电源的平均利用率只有 37 8% 。然而只要将系统调节能力 提高到80%, 同样的渗透率只需要最大负荷 0. 5倍的光伏电源 , 大大降低了光伏设备的安装容量和投资成本。图 10 光伏安装容量对于长期发展而言 , 为了系统达到更高的分布式光伏电源渗透率水平 , 除新增分布式光伏电源安装容量外 , 提高系统可调节能力也是非常有效的措施。因此 , 改善系统中的机组组成结构 , 扩大火电机组的稳定运行范围 , 结合负荷和光伏发电预测对机组开机方式进行优化等措施都可以有效提高系统光伏渗透率水平。除此之外 , 通过电价激励等方法将负荷转 移到光伏出力较 大的时段 , 鼓励用户安装或在系统安装储能装置更好的利用光伏发电能力 , 都是较为有效的方法 , 这方面的研究将有助于引导相关制度的制定 , 以充分发掘光伏发电的应用潜能。4 结语随着电网中光伏渗透率的升高 , 光伏的利用率、 利用小时数、 成本和安装容量都会受到不同程度的影响 , 并制约着光伏渗透率的进一步提高。本文以系统的最小技术出力为基础 , 对地区电网接纳光伏电源的能力进行了详细地评估。从分析结果可知 , 提高系统机组的调节能力对提高光伏利用率、 降低光伏发电成本具有重要作用 , 并且随着系统中光伏渗透率水平的上升这种作用更加显著。由于光伏发电和负荷分布之间的不匹配 , 通过降低系统最小技术出力的方法来提高光伏渗透率的作用范围是很有限的 , 为了进一步提高系统的光伏渗透率水平 , 必须改变或调整光伏和负荷分布 , 这就需要使用负荷转移和储能等措施 , 根据所选取的措施也可以利用本文的方法对利用率等进行分析。参考文献 :[ 1] 刘 伟 , 彭 冬 , 卜广全 , 等 . 光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述 [ J]. 电网技术 , 2009, 33( 19): 2 60.[ 2] 李维亚 . 未 来光伏 并网发 电对 电网 的影响 [ J]. 阳光能源 , 2008( 2 ): 57 58.[ 3] 徐嘉龙 . 推进太阳能光伏发电并网运行 [ J]. 中国电力企业管理 , 2009( 28 ): 48 49.[ 4] DENHOLM A P, M ARGOLIS R M. 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