吳曉剛，黃 睿

(國網(wǎng)四川省電力公司電源技術(shù)中心，四川 成都 610072)

四川省光伏發(fā)電開發(fā)利用現(xiàn)狀分析及發(fā)展

吳曉剛，黃 睿

(國網(wǎng)四川省電力公司電源技術(shù)中心，四川 成都 610072)

對四川電網(wǎng)中的光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了其對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，并提出了發(fā)展光伏發(fā)電的一些建議和措施。

光伏發(fā)電；四川電網(wǎng)；安全運(yùn)行

1 四川省發(fā)展光伏發(fā)電的必要性

1.1 環(huán)境容量有限

四川省作為長江上游的生態(tài)屏障，肩負(fù)著維護(hù)長江上游生態(tài)的重任。固有的地形地貌，又使四川省主要人口和主要產(chǎn)業(yè)都聚集在盆地腹心地區(qū)。特殊的地理位置和和幾千年形成的經(jīng)濟(jì)布局，使四川的環(huán)境容量相對有限，因此，必須滿足低能耗、低污染的要求。

1.2 盆地地形需要

四川盆地是全國酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一。固有的盆地地形，使大氣污染難以擴(kuò)散。一方面，盆地地形加劇了本地的大氣污染，另一方面四川的廢氣排放量又明顯偏高。大力開發(fā)使用無污染的光伏發(fā)電，對減少以二氧化碳為代表的廢氣排放具有重要作用。

1.3 降低生產(chǎn)成本

隨著資源日趨枯竭，同時(shí)對環(huán)保的要求越來越高，化石能源開采成本必然大幅上升。隨著移民安置和生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提高，水電的發(fā)電成本也將明顯上升。與此同時(shí)，光伏發(fā)電的開發(fā)成本由于技術(shù)的快速發(fā)展而不斷降低。大力發(fā)展光伏發(fā)電，有利于降低四川企業(yè)的生產(chǎn)成本和競爭能力。

1.4 供求需要平衡

四川已在整體上進(jìn)入工業(yè)化中期，高能耗工業(yè)發(fā)展迅速。目前，六大高耗能工業(yè)占四川省工業(yè)增加值的比重已超過全國的平均水平。面對中國的化石能源現(xiàn)狀，大力增加光伏發(fā)電的產(chǎn)能，可以有效彌補(bǔ)能源供求缺口。

預(yù)計(jì)2015年四川電網(wǎng)需電量和最高負(fù)荷分別約225 000 GWh和4 250 MW/h，“十二五”期需電量和最高負(fù)荷年均增長率分別約7.8%和9.5%；2017年四川電網(wǎng)需電量和最高負(fù)荷分別約258 000 GWh和4 950 MWh；2020年四川電網(wǎng)需電量和最高負(fù)荷分別約302 000 GWh 和60 200 MWh ，“十三五”期需電量和最高負(fù)荷年均增長分別約6.1%和7.2%。

2 四川省光伏發(fā)電面臨的主要問題

2.1 日照時(shí)間相對不足

表1 四川電網(wǎng)2006—2013年電力供需增長情況表

表2 四川電網(wǎng)電力需求預(yù)測

圖1 四川電網(wǎng)電力需求預(yù)測

圖2 國家氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心提供的中國1978—2007年平均的總輻射年總量空間分布(kWh/ m2)

盡管太陽能是取之不竭的新能源，但不同地區(qū)的太陽能資源卻存在明顯差異。中國太陽能資源分布的特點(diǎn)是，青藏高原為高值中心，四川盆地為低值中心。四川的氣候復(fù)雜多變,西部是川西高原，東部是川東盆地，全年云霧多、日照少，有云霧的陰天每年平均占200天以上，冬霧尤甚。由于盆地雨多、霧多、晴天較少，四川是太陽年輻射總量最小的省份之一。全省21個(gè)市州，除攀枝花、阿壩州的年平均日照時(shí)數(shù)高于2 000 h，涼山州、甘孜州的年平均日照時(shí)數(shù)接近2 000 h外，其余17個(gè)市州的年平均日照時(shí)數(shù)，均低于1 400 h。西部高原全年日照約2 000～2 500 h，太陽總輻射量多為5 000～6 800 MJ/m2；東部盆地全年日照范圍900～1600 h，盆西900～1 200 h，盆中1 200～1 400 h，盆東1 400～1 600 h。從整體來看，四川省太陽能資源不具備開發(fā)優(yōu)勢，也不能成為未來能源供應(yīng)主力；但可以根據(jù)區(qū)域特征，集中力量進(jìn)行區(qū)域局部重點(diǎn)開發(fā)。

2.2 土地資源明顯不足

四川的人均土地面積只相當(dāng)于全國平均水平的四分之三，人均耕地面積不到全國的一半。大量占用土地用于光伏電站建設(shè)，受到較大限制。

2.3 新能源人才嚴(yán)重匱乏

在新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中對各類人才的需求是很大的，四川省沒有形成新能源產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)體系，專門人才嚴(yán)重匱乏是制約新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

3 四川省光伏發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)情況

截止2014年9月，四川省已經(jīng)建成的唯一一個(gè)光伏電站是樹堡鄉(xiāng)光伏電站，裝機(jī)容量為30 MWh。目前，省內(nèi)所有太陽能發(fā)電項(xiàng)目已核準(zhǔn)(備案)的有8個(gè)，裝機(jī)容量為190 MWh。獲得路條的項(xiàng)目有4個(gè)，裝機(jī)容量為155 MWh。處于前期調(diào)查階段的項(xiàng)目有5個(gè)，裝機(jī)容量為110 MWh。屬于十三五規(guī)劃的項(xiàng)目一共有6個(gè)。整個(gè)已有的光伏項(xiàng)目總裝機(jī)容量為455 MWh。

目前甘孜州擁有6個(gè)光伏項(xiàng)目，累計(jì)裝機(jī)容量為195 MWh，占四川省總裝機(jī)容量的42.9%。其中獲得路條的有2個(gè)，累計(jì)容量為75 MWh；備案的有2個(gè)，累計(jì)容量為60 MWh，屬于十三五規(guī)劃的有2個(gè)，累計(jì)容量為60 MWh。涼山州擁有7個(gè)光伏項(xiàng)目，累計(jì)裝機(jī)容量為180 MWh，占四川省總裝機(jī)容量的39.6%。其中已經(jīng)建成的有1個(gè)，容量為30 MWh；已經(jīng)核準(zhǔn)的有3個(gè)，累計(jì)容量為50 MWh；獲得路條的有2個(gè)，累計(jì)容量為80 MWh；備案的有1個(gè)，容量為20 MWh。阿壩州擁有3個(gè)光伏項(xiàng)目，累計(jì)裝機(jī)容量為50 MWh，占四川省總裝機(jī)容量的11%。這3個(gè)光伏項(xiàng)目均屬于十三五規(guī)劃。攀枝花擁有1個(gè)光伏項(xiàng)目，容量為30 MWh，目前屬于備案狀態(tài)。

表3 四川省各市州光伏發(fā)電項(xiàng)目情況

4 光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響

4.1 對系統(tǒng)有功/無功特性的影響

光伏發(fā)電具有以下特性：1)隨機(jī)波動(dòng)性；2)無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；3)低電壓穿越的問題；4)易發(fā)生脫網(wǎng)；5)通過逆變器并網(wǎng)，具備四象限控制及有功/無功解耦控制的能力。

光伏系統(tǒng)的這些特性，使得大規(guī)模光伏接入后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性均發(fā)生變化，這將影響到系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行。光伏出力大幅、頻繁的隨機(jī)波動(dòng)性對系統(tǒng)有功平衡造成了沖擊，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的一次、二次調(diào)頻等運(yùn)行特性，對經(jīng)濟(jì)調(diào)度產(chǎn)生很大的影響，頻率質(zhì)量越限等風(fēng)險(xiǎn)加大；系統(tǒng)備用優(yōu)化策略等將因光伏接入而發(fā)生變化，對與常規(guī)能源的網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制以及調(diào)頻參數(shù)的整定等也提出了更多的適應(yīng)性需求；同時(shí)，由于光伏電源是非旋轉(zhuǎn)的靜止元件，隨著接入規(guī)模的增大，系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，對系統(tǒng)應(yīng)對功率缺額和功率波動(dòng)的能力形成威脅，極端工況甚至?xí)l(fā)生頻率急劇變化，觸發(fā)低頻減載、高頻切機(jī)等運(yùn)行問題。

同時(shí)，大規(guī)模光伏集中接入點(diǎn)更多是在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的地區(qū)，當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低，需要通過高壓輸電網(wǎng)送出。由于接入地區(qū)的電網(wǎng)短路容量相對較小，輸電通道距離相對較長，有功功率的隨機(jī)波動(dòng)將會對電網(wǎng)無功平衡特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而造成沿途的母線電壓大幅波動(dòng)。同時(shí)，由于光伏電源無功電壓支撐能力較弱，使得發(fā)生電壓質(zhì)量越限甚至電壓失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)加大；另外，分布式的光伏接入使得電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，單電源結(jié)構(gòu)變成了雙電源或多電源結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)的潮流分布也相應(yīng)的會發(fā)生很大變化，進(jìn)而對電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、繼電保護(hù)等問題都會產(chǎn)生很大影響。

4.2 對功角穩(wěn)定性的影響

光伏電源本身不存在功角穩(wěn)定問題，但由于其隨機(jī)波動(dòng)性且無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)，大規(guī)模的光伏電源接入后改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、通道傳輸功率，減小了系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；同時(shí)，考慮故障時(shí)光伏具有與常規(guī)機(jī)組不同的動(dòng)態(tài)支撐性能，因此光伏電源接入后電網(wǎng)功角穩(wěn)定性會發(fā)生變化，變化情況取決于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)運(yùn)行方式及所采用的光伏電源控制技術(shù)、光伏并網(wǎng)位置及規(guī)模。光伏并網(wǎng)還可能因低電壓穿越能力不足造成大面積脫網(wǎng)，這將對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的巨大的沖擊。

光伏發(fā)電的隨機(jī)波動(dòng)性改變了系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，與常規(guī)機(jī)組相比，光伏發(fā)電由于采用逆變器并網(wǎng)，具有不同的控制策略，這些都會改變系統(tǒng)的阻尼，不但對系統(tǒng)原有的機(jī)電振蕩模式產(chǎn)生影響，也會帶來新頻段范圍的振蕩。

4.3 對小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

光伏電池雖不存在機(jī)械與電磁量不平衡的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定問題，但也存在電氣運(yùn)行不穩(wěn)定問題，進(jìn)而當(dāng)大規(guī)模光伏并網(wǎng)后也會影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4.4 對電能質(zhì)量的影響

由于光伏電源含有大量的電力電子器件，當(dāng)大規(guī)模的光伏電源接入系統(tǒng)后，將會使得大量非線性負(fù)載也加入到系統(tǒng)中，對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成污染，最突出的就是逆變器導(dǎo)致的諧波問題；當(dāng)太陽光變化劇烈，引起輸出功率變化過于劇烈的情況下，將會產(chǎn)生較大的諧波，也會出現(xiàn)大規(guī)模光伏集中并網(wǎng)時(shí)電流諧波疊加的問題等?，F(xiàn)有的國內(nèi)外光伏電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：即使單臺并網(wǎng)逆變器的輸出電流諧波較小，多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)后輸出電流的諧波也有可能超標(biāo)。針對光伏接入后的電能質(zhì)量問題，已經(jīng)提出抑制諧波的有效方法：包括增加諧波補(bǔ)償器、無源固定頻次濾波器、有源濾波器、混合濾波器等；同時(shí)，直流注入，電壓波動(dòng)、閃變以及電壓偏差、頻率波動(dòng)等也是光伏并網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵問題之一，產(chǎn)生原因是多方面的。目前，提出治理直流注入的有效解決方法包括：1)安裝隔離變壓器；2)設(shè)計(jì)合理的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；3)電容隔直；4)檢測補(bǔ)償；5)虛擬電容法等。

4.5 對配電系統(tǒng)保護(hù)的影響

光伏電源接入電網(wǎng)后使電網(wǎng)的故障特征發(fā)生了變化，將會對繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置產(chǎn)生如下影響：

1)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p電源、多電源的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而故障電流大小、方向及持續(xù)時(shí)間均發(fā)生變化，原有饋線保護(hù)都將受到影響，保護(hù)裝置會發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)；

2)與變壓器相連的逆變器會額外形成接地回路，影響零序電流或在單相接地故障時(shí)的對地電壓，改變繼電保護(hù)的動(dòng)作特性；

3)新增加的保護(hù)內(nèi)容，如低電壓穿越、輸出諧波超標(biāo)、輸出直流分量超標(biāo)和三相不平衡保護(hù)等；

4)對配電系統(tǒng)中的線路三相1次重合閘以及變電站(開閉所)的備用電源自投裝置應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響。

5 光伏發(fā)電發(fā)展的策略

5.1 提升光伏能源的地位

針對四川省的地理特點(diǎn)，提升光伏發(fā)電在四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位。通過對光伏發(fā)電的相關(guān)規(guī)劃，統(tǒng)籌制訂扶持政策，積極促進(jìn)四川省光伏發(fā)電的健康發(fā)展。

5.2 加強(qiáng)光伏產(chǎn)業(yè)管理

四川省的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)剛剛起步，尚未建立專職部門，因此容易出現(xiàn)效率低下、重復(fù)建設(shè)等問題，不利于光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。必須根據(jù)國家政策的要求和行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要，切實(shí)加強(qiáng)光伏發(fā)電的管理，引導(dǎo)地方政府遏制低水平重復(fù)建設(shè)，避免一哄而上式的發(fā)展和市場形成惡性競爭。

5.3 推進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的合理規(guī)劃和布局

加強(qiáng)光伏產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)籌規(guī)劃，堅(jiān)持政府引導(dǎo)，順應(yīng)市場需要，扶持光伏發(fā)電企業(yè)的同時(shí)也幫助光伏設(shè)備的相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)，使之?dāng)U大發(fā)展規(guī)模，積極參與國際競爭，推動(dòng)資源整合。

5.4 積極開拓多樣化市場

目前四川光伏電源具有開發(fā)價(jià)值的地方多在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)，針對目前四川的地理環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)堅(jiān)持并網(wǎng)發(fā)電與離網(wǎng)應(yīng)用相結(jié)合，支持小型光伏系統(tǒng)、分布式光伏系統(tǒng)、風(fēng)光儲聯(lián)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用，開發(fā)多樣化的光伏產(chǎn)品。通過制定合理的上網(wǎng)電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、并提供適度的財(cái)政補(bǔ)貼，同時(shí)推進(jìn)金融扶持，積極擴(kuò)大四川省的光伏市場。

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The development status of photovoltaic power stations in Sichuan power grid is analyzed, its impact on the safe and stable operation of power grid is summarized, and some suggestions and measures for the development of photovoltaic power generation are proposed.

photovoltaic power generation; Sichuan power grid; safe operation

TK51

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1003-6954(2015)03-0085-05

2015-02-28)