基于網損角度的分布式光伏接納對策探析

上海電力大學 趙 靜

1 引言

隨著國內外二氧化碳排放量的增多，大氣污染、全球變暖、生態破壞等一系列環境問題接踵而來，如何實現“碳減排”成為全人類共同面臨的問題。2020年，在第75屆聯合國大會上，習近平總書記作出“雙碳”承諾，力爭2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和，以此為全球的“碳減排”貢獻中國力量。

根據我國最新公布的2020年碳排放數據，2020年我國共排放二氧化碳98.94億噸。其中，電力、鋼鐵、建材、石化化工、有色、航空、造紙七大行業成為主要的碳排放來源[1]。圖1為我國2020年碳排放來源占比圖。

從圖1中數據可以看出，2020年電力行業的碳排放量約占全國碳排放量的40%，電力成為碳排放的主要來源。多年來，經過電力行業的不斷發展，我國已成為電力生產與消費大國，因此電力“碳減排”成為中國實現“雙碳”目標路上的主力軍。2021年，在中央財經委員會第九次會議上，習近平總書記明確提出，構建以新能源為主體的新型電力系統，大力發展可再生能源，利用新型能源發電來改變傳統的能源發電模式，從而減少電力行業的碳排放量[2]。按照供電企業現階段對新型能源特別是分布式光伏的接納對策，在某些區域中，隨著越來越多的光伏并網，其發電量已遠遠超過負荷的消納能力，光伏所發電量傳輸至上一級電網，這在無形之中增加了電網損耗，不利于電網的長久運行。因此，從網損角度出發，通過研究分布式光伏并網后對網損的影響，研究并提出針對性的接納對策，對于提高電網經濟性，維持電網長久穩定運行具有重要意義。

2 分布式光伏發電現狀分析

在各類新型能源中，利用太陽能和風能進行發電受到越來越多的關注，其中太陽能以其綠色、清潔、普遍性、儲量大、易獲得等多種優勢，成為電力行業的首選。太陽能發電是利用太陽能光照使半導體材料的不同部位之間產生電位差，從而實現將光能直接轉變為電能的過程，即產生光生伏特的效果，俗稱“光伏發電”[3]。根據國家能源局公布的有關數據，截至2021年年底，我國光伏發電累計并網容量已達到3.06億kW，位居全球首位。如圖2所示，為我國2016年至2021年光伏累計并網容量統計圖。

從圖2可以看出，隨著國家政策的大力支持，光伏并網容量持續提升。2020年同比增長24%，2021年同比增長20.1%，未來也必將有很大的發展趨勢[4]

在實際工作中，光伏發電按照并網電壓等級的不同，分為集中式光伏與分布式光伏，其中集中式光伏并網電壓一般為35kV或者110kV，經過長距離的線路來輸送高壓電，如我國2022年北京冬季奧運會，就是利用集中式光伏將張北地區的清潔能源輸送至北京電網，創造了“綠色東奧”。分布式光伏一般為380V，多用于某局部區域中的并網發電，其中最常見的就是安裝在平原地區居民房頂處的光伏。表1為集中式光伏與分布式光伏的對比。

表1 集中式光伏與分布式光伏對比

通過對比集中式光伏與分布式光伏可以看出，分布式光伏并網相對簡單，維護相對方便，投資相對較低，因此在現階段推廣分布式光伏發電也得到國家政策的大力支持。根據國家發展和改革委員會發布的《關于調整新能源標桿上網電價的通知》，針對分布式光伏發電按照發電量不同給予不同的電價補貼，光伏發電戶的發電量越多，其得到的相應補貼也越多[5]。隨著國家對補貼政策的推出，分布式光伏得以迅速發展，越來越多的居民客戶選擇在自家大棚或房頂安裝分布式光伏發電設備。圖3為我國2016年至2021年分布式光伏累計并網容量統計圖。

從圖3可以看出，2021年分布式光伏累計并網容量已超1億kW，同比增長37.56%。同時，結合圖1和圖2可以發現，在所有并網的光伏中，分布式光伏并網容量占的比例從2016年的13.40%提升至2021年的35.13%，分布式光伏發展趨勢持續向好。

3 現階段供電企業對分布式光伏的接納對策分析

3.1 現階段接納對策概況

供電企業作為一家國有大型服務企業，在國家政策的倡導和客戶報裝申請下，在實際工作中盡量滿足廣大電力客戶的合理需求，因此當客戶在供電營業廳申請安裝分布式光伏時，供電企業對客戶申請安裝的光伏先行受理接入，將其并網至就近的變壓器下。在供電企業中，以一個變壓器為單位，其所帶線路及所有用電戶、發電戶組成的區域為一個臺區。隨著某臺區下并網光伏的增多，部分光伏發電量因不能被該臺區中用電戶所及時消納而被傳輸至上一級電網中，在這過程中會增大電網損耗，此時供電企業再根據實際需要對該臺區進行現場改造，通過增加變壓器容量或者分臺區分戶等方式來分擔光伏所發電量，從而減少光伏在向上一級電網傳輸電量過程中的損耗。供電企業這種對客戶申請的分布式光伏發電并網在前、臺區改造在后的接納對策，在供電企業日常工作中被稱為“先接入、后改造”。圖4為“先接入、后改造”接納對策的流程示意圖。

供電企業通過對分布式光伏實行“先接入、后改造”的接納對策，既滿足客戶需求，響應了國家倡導分布式光伏的號召，又在后續工作中結合實際，滿足電網自身發展要求。

3.2 現階段接納對策存在的問題

近年來，隨著國家惠民政策的提出，工商業等行業電價多次下調，因此供電企業從一定的經濟效益角度出發，加大了對網損的關注。隨著部分臺區中分布式光伏數量的增多，其對臺區損耗的影響也逐漸顯現。以山東省某供電企業2022年2月的臺區損耗為例，在其管轄的1760個臺區中，安裝有分布式光伏的臺區603個，光伏并網容量超過其負荷容量的臺區43個，其中有38個臺區線損率超過5%，在光伏容量未超用戶負荷容量的臺區中線損率大于5%的有2個，其余非光伏臺區中線損率大于5%的有4個。圖5為所有線損率大于5%的臺區分類占比圖。

從圖5可以發現，在線損率大于5%的臺區中，其中光伏容量超過負荷容量的臺區最多，占所有臺區的86%，這說明光伏發電與網損之間存在一定的聯系。同時，值得注意的是在2017年，未接入光伏或接入光伏尚不多時，此部分臺區的線損率普遍較低，這說明隨著后來部分光伏的接入與發電，增加了電網損耗。

“先接入、后改造”的接納對策作為供電企業對國家倡導分布式光伏的積極響應，只是供電企業在理想狀態下的工作方式。在實際工作中，由于后期臺區改造涉及資金多、工程廣，需要經過企業立項與層層審批，因此臺區現場改造落地較慢，從改造計劃提報至改造完成往往需要至少一年的時間。在這期間當客戶申請安裝光伏時，供電企業按照“先接入、后改造”的接納對策，接受客戶安裝申請，對其分布式光伏先行并網。這雖滿足了客戶需求，但是隨著并網光伏的增多，當并網容量超過臺區用戶消納能力時，不能做到及時將現場改造完畢，在這期間使電網損耗越來越大，對電網運行帶來極大的挑戰。

通過上述分析可以發現，在原本變壓器容量與用戶數量相對穩定的前提下，當光伏接入不多時，對電網損耗不會產生不利影響，但是隨著光伏接入的增多，會使部分臺區網損持續偏高。供電企業現階段對于分布式光伏一律采取“先接入、后改造”的接納對策存在一定的盲目性，無形之中增大了部分臺區的電網損耗與運行壓力，為以后的工作帶來一定的不便與安全隱患。因此，有必要對光伏并網后產生的損耗進行分析，根據不同臺區的實際情況，對分布式光伏并網提出具有針對性的接納對策，從而使所有臺區符合電網的經濟性要求。

4 光伏接入對電網損耗影響的分析

電網在正常輸送電能的過程中，其經濟得失主要體現在電網損耗上。當某臺區未并網光伏時，臺區用戶僅依靠變壓器對其進行供電，此時該臺區內的電網損耗為從變壓器處供入到臺區內的電量與所有用戶處用電量的差值。圖6為某臺區未并網光伏時對用戶供電的示意圖，其中負荷L處所用電能均來自變壓器S。

對于電網而言，電網損耗為一定時間內功率損失的多少，即電網損耗：

其中，R為電阻，U為電壓，P、Q分別為有功功率和無功功率。

設負荷L處的有功功率和無功功率分別為PL和QL，變壓器至負荷的電阻為RSL，則此時變壓器至負荷處的網損為：

當該臺區下接入并網光伏后，光伏發電的電經過逆變器進入電網線路，此時除了原本變壓器外，所并網的光伏也成為臺區的供電來源，即供入到臺區的電量為變壓器處的供入電量與光伏發電量的和，此時的電網損耗由變壓器至光伏間的網損和光伏至負荷間的網損所組成。圖7為該臺區并網光伏后對用戶供電的示意圖，其中變壓器S和光伏G共同為負荷L提供電能。

設光伏G處的有功功率和無功功率分別為PG和QG，變壓器至光伏出的電阻為RSG，光伏至負荷處的電阻為RGL，此時電網損耗為：

當并網光伏后，從變壓器至負荷途經線路的總電阻為變壓器至光伏處的電阻與光伏處至負荷處的電阻之和，即RSG+RGL，其等于光伏未并網前的線路總電阻，即RSL=RSG+RGL。

所以，光伏并網后與光伏并網前的電網損耗差值：

通過以上分析可以看出，在用戶負荷一定的情況下，光伏并網前后的損耗差值取決于兩個變量值。一個是變壓器至光伏板之間的電阻，當所用線路一定時，電阻的大小與兩者距離長短有關，也可看作與光伏板與負荷的距離長短有關。另一個是光伏板的功率，其與光伏板容量有關。所以宏觀表示的話，電網損耗差值取決于光伏板的安裝位置和光伏板自身容量。在光伏板安裝位置不變的情況下，當光伏板安裝容量小于兩倍的用戶負荷容量時，損耗差值小于0，即安裝光伏后的電網損耗小于安裝光伏前的損耗，說明此時光伏可以起到減少電網損耗的作用，且光伏發電量基本可以實現就地消納。反之，當光伏安裝容量大于兩倍的用戶負荷容量時，損耗差值大于0，即安裝光伏后的電網損耗大于安裝光伏前的損耗，說明此時安裝的光伏會增加電網損耗，且光伏發的部分電量將通過線路傳輸到上一級電網中，使電網存在的一定的經濟損失。

其中，對于光伏板的容量小于兩倍的用戶負荷容量，即安裝光伏對降損有利時，在其容量不變的條件下，由于線路已確定，所以變壓器至光伏板之間的電阻與取決于兩者之間的距離，光伏板距離變壓器越遠而距離負荷越近時，光伏板至變壓器之間的電阻越大，對增大并網前后的網損差值越起到積極作用，說明光伏發的電越容易被負荷所就地消納，此時網損越小。反之，當光伏板距離變壓器越而距離負荷越遠時，光伏板至變壓器之間的電阻越小，并網前后的網損差值越小，說明光伏發的電大多進入到上一級電網中，此時雖對網損有利但作用不大。

通過以上分析可以看出，光伏并網的容量與安裝位置都對電網損耗有著一定的影響，或可增大網損，或可減少網損，同時也因為安裝位置的不同對減少網損有著不同程度的影響。因此，在工作中應按照臺區與光伏的實際情況，對分布式光伏入網采取針對性的接納措施，盡可能減少電網損耗，從而提高電網的經濟性，保證電網穩定運行。

5 基于網損影響的接納對策研究

根據上述的分析，可以發現分布式光伏與臺區損耗之間有著密切關系，因此應按照光伏的并網容量與安裝位置，在不同情況下采用不同的接納對策。

客戶申請光伏并網時，應首先預估并網后臺區內總的光伏容量，并通過對比預估的臺區光伏容量與現有用戶負荷容量的大小來判斷其對網損的影響。根據前面的理論計算與分析，當臺區內總的光伏安裝容量小于兩倍的用戶負荷容量時，安裝光伏可以減少電網損耗，因此供電企業可以按照客戶的入網申請安裝光伏發電板。同時，為保證可以最大限度地減少網損，應結合臺區與客戶的實際情況，將光伏盡量安裝在距離用戶負荷近的位置，遠離線路末端，盡可能使光伏所發電量就近消納，從而減少光伏發電量在傳輸過程中的消耗，發揮光伏發電對減少電網損耗的最大優勢。

若按照客戶的并網申請容量，會使臺區總的光伏安裝容量大于兩倍的用戶負荷容量時，此時安裝光伏將增大電網損耗，不利于電網的穩定運行，因此供電企業應與客戶協商，重新規劃光伏并網情況，比如可以將客戶所申請光伏連接至附近的合理臺區進行并網，同時利用預留資金，集中力量在規定時限內完成對原臺區的現場改造，采用增大變壓器容量或通過對原臺區進行分臺區分戶，來擴大負荷容量，分擔光伏發電量，以此在符合電網自身穩定運行的條件下再進行后續的光伏接入等相關工作。

在“雙碳”政策和國家對新型電力系統的大力倡導下，分布式光伏數量明顯增多，與此同時，供電企業“先接入、后改造”的接納對策在分布式光伏并網的過程中存在一定盲目性，增加了部分臺區的電網損耗，對電網的安全運行帶來一定的風險隱患，不利于電網長久運行。本文通過探究分布式光伏并網后對網損的影響，發現光伏容量和安裝位置與網損之間都有著密切聯系，因此應根據光伏接入與臺區實際情況，對分布式光伏并網采取針對性的接納對策，盡可能通過發揮光伏的最大優勢來減少電網損耗，提高電網經濟性，從而有利于電網的長久穩定運行和助力“新型電力系統”的建設與應用。