光伏并網發電對電網系統負面影響

徐 楨

山東省煙臺市供電公司

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

太陽能對人類來說幾乎是無限的，隨著傳統能源的日漸減少和環境污染的日趨嚴重，光伏發電作為新型清潔可再生能源，近年來得到了人們的廣泛關注，并迅猛發展起來。雖然光伏發電的實際應用技術還沒有完全成熟，存在著包括太陽效能利用率低，蓄電池造價高等問題。在世界范圍內大力發展“低碳經濟”呼聲越來越高，光伏發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，隨著科技發展，問題會得到相應解決，將來光伏發電在各類電源中所占比例會逐步增高。但是，光伏并網發電超過一定比例對電網形成的影響是否就像人們想的那樣樂觀？

1 光伏發電的基本原理

太陽能光伏發電系統的組成

太陽能光伏發電系統主要部件：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 雙結電池30.28%（AM1），非晶硅電池14.5%（初始）、12.8%（穩定），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%。

太陽能光伏發電系統的分類

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

2 光伏發電的局限性

氣象、氣候條件局限

光伏電池光電轉換效率與光照強度（單位面積上接受可見光能量）有關，即天氣變化對光伏發電實時出力影響很大。如果光伏電站并網發電達到電網電源的一定比例，當日照情況發生突變時（例如陰雨天、空氣污染造成的霧霾等），將造成上網電量大幅波動，而這時電網用電負荷并沒有變化，以此導致電網電源出力不足（部分用戶停電）。同一個地區一年四季春夏秋冬每個季節太陽光照情況皆不相同，在一天當中白晝到黑夜每個時段太陽光照角度都不一樣，光伏發電量的變化也是巨大的。

地理條件局限

由于技術限制，光伏電池光電轉換效率現階段還比較低，在標準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，為了不破壞生態環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，需要建設長距離輸電線路，成本大大提高。

容量傳輸局限

當大功率，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，不能滿足經濟電流密度要求。

3 發達國家發展光伏已出現的負面影響

德國光伏超過系統負荷的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負荷的50%。

對電力系統影響分析

除了出力的變化，光伏給電力系統帶來的最大挑戰：夜幕降臨后的晚上。當夜間光伏出力為零時，或者連續陰雨天時，電力系統維持安全穩定運行，滿足用電負荷需求，必須依靠能夠靈活響應的常規電源。因此，光伏發電并網大規模增長后，主要是發揮電量替代作用，而要滿足電力系統實時平衡要求，對常規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。

光伏并網發電增加不能減少其他形式發電機組

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

4 我國光伏發電發展及可能對電網造成的影響

我國光伏發展趨勢

近年來我國光伏產業的產能已經遠遠超過了市場需求。由于美國和歐盟采取反傾銷、反補貼等傳統貿易保護手段，將使我國光伏產業主要依賴國際市場的狀況難以持續，從而加劇光伏組件產能的繼續過剩，使得光伏生產廠家不得不將目光轉向國內，同時，根據國家能源發展規劃，“十二五”期間將以加快轉變能源發展方式為主線，規劃能源新技術的研發和應用，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光伏并網發電的快速發展。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。我國光伏產業正以每年30%的速度增長。

光伏并網可能對電力系統造成的負面影響

氣候、氣象條件對太陽能光伏發電量有很大制約，并網發電后將影響整個電網的電能質量，還可能影響電網供電安全。為了應付這個情況，電網不得不配備與光伏裝機容量相當的旋轉電機型發電機組處于旋轉備用狀態，浪費了發電機旋轉能量，引起不必要的經濟損失。

5 結語

我國的能源結構以常規能源（煤、石油和天然氣）為主，由于常規能源的不可再生性，使得能源的供需矛盾日益突出。發展太陽能發電，改善傳統的能源結構，實現能源多元化，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，應該清醒的認識到光伏并網發電的局限性和負面影響，切忌盲目發展，光伏并網發電遠期定位只能作為電網節能降耗的重要補充手段。如果超出這個戰略定位，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。