光伏并网发电对电网系统负面影响

徐 桢

山东省烟台市供电公司

本文简述光伏发电基本原理，指出光伏并网发电的局限性，以德国2014 年6 月9 日光伏出力超过系统负荷的50%为例分析讨论光伏并网发电形成规模后对大电网影响，提出光伏并网发电形成规模以后对电力系统的负面影响。

太阳能对人类来说几乎是无限的，随着传统能源的日渐减少和环境污染的日趋严重，光伏发电作为新型清洁可再生能源，近年来得到了人们的广泛关注，并迅猛发展起来。虽然光伏发电的实际应用技术还没有完全成熟，存在着包括太阳效能利用率低，蓄电池造价高等问题。在世界范围内大力发展“低碳经济”呼声越来越高，光伏发电作为其中的生力军和重要组成部分，投入大量的资金和研究力量，随着科技发展，问题会得到相应解决，将来光伏发电在各类电源中所占比例会逐步增高。但是，光伏并网发电超过一定比例对电网形成的影响是否就像人们想的那样乐观？

1 光伏发电的基本原理

太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统主要部件：太阳能光伏电池组、蓄电池、控制器和交直流逆变器。

太阳能光伏电池板

目前，世界上太阳电池的实验室效率最高水平为：单晶硅电池24%（4cm2），多晶硅电池18.6%（4cm2），InGaP／GaAs 双结电池30.28%（AM1），非晶硅电池14.5%（初始）、12.8%（稳定），碲化镉电池15.8%，硅带电池14.6%，二氧化钛有机纳米电池10.96%。

太阳能光伏发电系统的分类

目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，独立光伏发电系统（离网光伏蓄电系统），光伏并网发电系统（集中电站）、分布式光伏发电系统。

2 光伏发电的局限性

气象、气候条件局限

光伏电池光电转换效率与光照强度（单位面积上接受可见光能量）有关，即天气变化对光伏发电实时出力影响很大。如果光伏电站并网发电达到电网电源的一定比例，当日照情况发生突变时（例如阴雨天、空气污染造成的雾霾等），将造成上网电量大幅波动，而这时电网用电负荷并没有变化，以此导致电网电源出力不足（部分用户停电）。同一个地区一年四季春夏秋冬每个季节太阳光照情况皆不相同，在一天当中白昼到黑夜每个时段太阳光照角度都不一样，光伏发电量的变化也是巨大的。

地理条件局限

由于技术限制，光伏电池光电转换效率现阶段还比较低，在标准条件下地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/m²，相对于火电、核电等传统电厂，占地面积将更大。由于太阳能电池板下面不适合植被生长，为了不破坏生态环境只能将光伏电站建在建筑物屋顶和和荒漠。

建筑物屋顶远远不能满足大装机容量电站用地要求，而荒漠是远离城市等用电负荷中心，需要建设长距离输电线路，成本大大提高。

容量传输局限

当大功率，高电压，远距离从荒漠大面积光伏电站输送电力到负荷中心时，如果通过专线传送负荷，则只能白天传送，晚上将没有电量可传送，使用效率低。如果通过借道传输，白天时由于传输电量较大，就必须有大的线路截面，而夜晚或光伏电站出力不足时，同样会使线路使用效率低，不能满足经济电流密度要求。

3 发达国家发展光伏已出现的负面影响

德国光伏超过系统负荷的50%

德国国土面积大概360000km2，太阳辐射全国一致性比较好，光伏出力同时率高。在2014 年6 月9 日这一天，光照条件特别好，光伏发电从早上6 点开始，从17万kwh 快速攀升至中午13 时的2300 万kWh（算上自发自用部分，光伏出力达2600 万kWh），随后逐步下降至20 时到8 万kWh。在中午13 时光伏出力超过系统负荷的50%。

对电力系统影响分析

除了出力的变化，光伏给电力系统带来的最大挑战：夜幕降临后的晚上。当夜间光伏出力为零时，或者连续阴雨天时，电力系统维持安全稳定运行，满足用电负荷需求，必须依靠能够灵活响应的常规电源。因此，光伏发电并网大规模增长后，主要是发挥电量替代作用，而要满足电力系统实时平衡要求，对常规电源的需求不仅不会大幅度减少，反而对其灵活性的要求越来越高。

光伏并网发电增加不能减少其他形式发电机组

前面已经说过光伏并网发电系统上网电量受天气变化等影响较大，而不是像旋转电机型发电机组（包括煤电、水电、核电等）根据电网实际负荷调节发电量。由于增加的光伏并网发电系统不能减少相应的旋转电机型发电机组（煤电、水电、核电等），而是将其在光伏并网发电系统发电时转为热备用机组，一旦放生突发情况（阴雨天、空气污染造成的雾霾）使光伏电站上网电量下降时，旋转电机型发电机组（煤电、水电、核电等）需立即运行发电，以补租光伏电站发电量下降形成的电网电量缺口，防止电源供应不足造成的用户停电。

4 我国光伏发电发展及可能对电网造成的影响

我国光伏发展趋势

近年来我国光伏产业的产能已经远远超过了市场需求。由于美国和欧盟采取反倾销、反补贴等传统贸易保护手段，将使我国光伏产业主要依赖国际市场的状况难以持续，从而加剧光伏组件产能的继续过剩，使得光伏生产厂家不得不将目光转向国内，同时，根据国家能源发展规划，“十二五”期间将以加快转变能源发展方式为主线，规划能源新技术的研发和应用，解决有限能源和资源的约束。国家出台一系列政策扶持国内光伏并网发电的快速发展。2013 年我国新增光伏容量12.92GW，在全球新增光伏容量中排首位。2014 年计划完成14GW 光伏装机。我国光伏产业正以每年30%的速度增长。

光伏并网可能对电力系统造成的负面影响

气候、气象条件对太阳能光伏发电量有很大制约，并网发电后将影响整个电网的电能质量，还可能影响电网供电安全。为了应付这个情况，电网不得不配备与光伏装机容量相当的旋转电机型发电机组处于旋转备用状态，浪费了发电机旋转能量，引起不必要的经济损失。

5 结语

我国的能源结构以常规能源（煤、石油和天然气）为主，由于常规能源的不可再生性，使得能源的供需矛盾日益突出。发展太阳能发电，改善传统的能源结构，实现能源多元化，缓解对有限矿物能源的依赖与约束有着积极作用。但是，作为政策制定者，应该清醒的认识到光伏并网发电的局限性和负面影响，切忌盲目发展，光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。如果超出这个战略定位，将造成投资和能源额外的浪费，对减少污染排放量的乐观看法也要大打折扣。