未來(lái)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響

盡管尋找新能源的工作已經(jīng)有相當的歷史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)迫使人們更加努力的尋找和開(kāi)發(fā)新能源。在尋找和開(kāi)發(fā)新能源的過(guò)程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。光伏發(fā)電就是其中之一。雖然光伏發(fā)電的實(shí)際應用存在著(zhù)種種的局限，但是隨著(zhù)光伏發(fā)電成本的降低和礦物發(fā)電成本的提高以及礦物能源的減少，總有一天光伏發(fā)電的成本將會(huì )與傳統發(fā)電成本相當。到時(shí)侯，光伏發(fā)電將逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規模后會(huì )對電網(wǎng)形成什么樣的影響是本文想要探討的問(wèn)題。
　　
一、光伏發(fā)電的基本原理

1.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)能光伏電池組，光伏系統電池控制器，蓄電池和交直流逆變器是其主要部件。其中的核心元件是光伏電池組和控制器。各部件在系統中的作用是：　　

光伏電池：光電轉換?！　?/p>

控制器：作用于整個(gè)系統的過(guò)程控制。光伏發(fā)電系統中使用的控制器類(lèi)型很多，如2點(diǎn)式控制器，多路順序控制器、智能控制器、大功率跟蹤充電控制器等，我國目前使用的大都是簡(jiǎn)單設計的控制器，智能型控制器僅用于通信系統和較大型的光伏電站?！　?/p>

蓄電池：蓄電池是光伏發(fā)電系統中的關(guān)鍵部件，用于存儲從光伏電池轉換來(lái)的電力。目前我國還沒(méi)有用于光伏系統的專(zhuān)用蓄電池，而是使用常規的鉛酸蓄電池?！　?/p>

交直流逆變器：由于它的功能是交直流轉換，因此這個(gè)部件最重要的指標是可靠性和轉換效率。并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把光伏電池轉換的電能送入電網(wǎng)?！　?/p>

2.太陽(yáng)能光伏電池板：

太陽(yáng)能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類(lèi)似二極管中的P-N結。工作原理和二極管類(lèi)似。只不過(guò)在二極管中，推動(dòng)P-N結空穴和電子運動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽(yáng)能電池中推動(dòng)和影響P-N結空穴和電子運動(dòng)的是太陽(yáng)光子和光輻射熱（*）。也就是通常所說(shuō)的光生伏特效應原理。目前光電轉換的效率，也就是光伏電池效率大約是單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池?！　?/p>

3.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的分類(lèi)：

目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統大致可分為三類(lèi)，離網(wǎng)光伏蓄電系統，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統及前兩者混合系統。

A）離網(wǎng)光伏蓄電系統。這是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能應用方式。在國內外應用已有若干年。系統比較簡(jiǎn)單，而且適應性廣。只因其一系列種類(lèi)蓄電池的體積偏大和維護困難而限制了使用范圍?！　?/p>

B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統，當用電負荷較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電購電。而負荷較小時(shí)，或用不完電力時(shí)，就可將多余的電力賣(mài)給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統省掉了蓄電池，從而擴張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價(jià)?！　?/p>

C）A,B兩者混合系統，這是介于上述兩個(gè)方之間的系統。該方案有較強的適應性，例如可以根據電網(wǎng)的峰谷電價(jià)來(lái)調整自身的發(fā)電策略。但是其造價(jià)和運行成本較上述兩種方案高?！　?/p>

二、光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)　　

進(jìn)入70年代后，由于2次石油危機的影響，光伏發(fā)電在世界范圍內受到高度重視，發(fā)展非常迅速。從遠期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場(chǎng)，并部分取代常規能源。不論從近期和從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規能源的補充，在解決特殊應用領(lǐng)域，如通信、信號電源，和邊遠無(wú)電地區民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護及能源戰略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)充分體現在以下幾個(gè)方面：

1.充分的清潔性。（如果采用蓄電池方案，要考慮對廢舊蓄電池的處理）

2.絕對的安全性。（并網(wǎng)電壓一般在220V以下）

3.相對的廣泛性。

4.確實(shí)的長(cháng)壽命和免維護性。

5.初步的實(shí)用性。

6.資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等?！　?/p>

三、光伏發(fā)電局限性?！　?/p>

任何事物總是具有兩面性。目前有太多的文章介紹光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，這里有必要指出光伏發(fā)電的一些局限性。太陽(yáng)能具有能量密度低,穩定性差的弱點(diǎn),并受到地理分布、季節變化、晝夜交替等影響。光伏發(fā)電的局限性包括以下幾個(gè)方面：　　

1.時(shí)間周期局限。由于光伏發(fā)電的條件是出太陽(yáng)時(shí)，光伏發(fā)電設備才能正常工作發(fā)電。因此，白晝黑夜，一年當中春夏秋冬各個(gè)季節對光伏發(fā)電的負荷影響巨大。為了應付這個(gè)情況，電網(wǎng)不得不配備相應容量的發(fā)電機處于旋轉備用狀態(tài)。

2.地理位置局限。光伏發(fā)電設備基本上只能依附建筑物安裝建設，也就是所謂的光伏屋頂就地供電。如果離開(kāi)建筑物來(lái)建設光伏發(fā)電，將會(huì )大大增加成本或者破壞環(huán)境和生態(tài)。

3.氣象條件局限。氣候對光伏發(fā)電影響。采用光伏并網(wǎng)發(fā)電無(wú)蓄電池方案時(shí)，如果一個(gè)城市上空的氣候大幅變化，將造成電力負荷的大幅波動(dòng)；當一個(gè)城市上空的空氣質(zhì)量比如空氣污染，或能見(jiàn)度變差比如霧天，陰天等都將使光伏發(fā)電在線(xiàn)或實(shí)時(shí)出力下降。

4.容量傳輸局限。在解決了光伏發(fā)電的成本問(wèn)題后，大功率，高電壓，遠距離從荒漠面積輸送電力到負荷中心，由于光伏發(fā)電沒(méi)有傳統電機的旋轉慣量，調速器及勵磁系統，將給交流電網(wǎng)帶來(lái)新的經(jīng)濟和穩定問(wèn)題。不論采用交流或是直流高電壓大功率遠距離從荒漠地區輸送電力，由于上述1，2，3的局限性將大大增加單位千瓦的輸送成本。下面將會(huì )討論這個(gè)問(wèn)題。

5.光能轉換效率偏低。和傳統能源（礦物能源，石油，水能，原子能，等）的轉換效率相比，光伏能量的轉換效率不能令人滿(mǎn)意?！　?/p>

四、光伏發(fā)電未來(lái)展望　　

我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30的速度增長(cháng)。最近三年全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量平均年增長(cháng)率高達49.8以上。按照日本新能源計劃、歐盟可再生能源白皮書(shū)、美國光伏計劃等推算，2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量將達到15GW(1500萬(wàn)千瓦，屆時(shí)仍不到全球發(fā)電總裝機容量的1)，至2030年全球光伏發(fā)電裝機容量將達到300GW(屆時(shí)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元)，至2040年光伏發(fā)電將達到全球發(fā)電總量的15-20。按此計劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復合增長(cháng)率將高達25以上（參看資料：15）。其中并網(wǎng)應用會(huì )有較大的發(fā)展，從而形成并網(wǎng)發(fā)電(約46)、離網(wǎng)供電(約27)和通訊機站(約21)3個(gè)主要應用領(lǐng)域（參看資料：16）?！　?/p>

太陽(yáng)的能量對人類(lèi)而言幾乎是無(wú)限的，但是實(shí)際上，在地球上能夠獲取太陽(yáng)能資源的資源是有限的。并不象有些文章中所說(shuō)的那樣巨大。例如，當我們在在屋頂安裝太陽(yáng)能熱水器時(shí)，就失去了安裝太陽(yáng)能電池的機會(huì )。除建筑物和荒漠外，在其他地點(diǎn)建設太陽(yáng)能電池板群將是不現實(shí)和得不償失。這不僅僅是因為成本巨大的原因，問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的，主要的問(wèn)題是離開(kāi)建筑物和荒漠來(lái)建設光伏發(fā)電站將破壞環(huán)境和生態(tài)，你會(huì )發(fā)現在太陽(yáng)能電池板下面將寸草不生?？傊?，節能降耗是人類(lèi)的一個(gè)永恒話(huà)題。從某種意義上講，淘汰舊技術(shù)和產(chǎn)品的同時(shí)，也就浪費掉了當初生產(chǎn)這些技術(shù)和產(chǎn)品的能源。出國考察的人往往會(huì )發(fā)現，西方發(fā)達國家有些場(chǎng)合還在使用20-30年代的產(chǎn)品和設備，他們并非要保護“古跡”，某種意義上講是在節約能源。新舊產(chǎn)品和技術(shù)的換代是要以耗費能源為代價(jià)的，過(guò)快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，將加快能源的消耗。當然，這里需要有一個(gè)總體的經(jīng)濟指標來(lái)判斷能耗。我們是否應該考慮節約“used能源”的問(wèn)題？(**)　　

另一方面，任何先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)入商業(yè)使用的必要條件是價(jià)格能為市場(chǎng)所接受。如果使用成本太高，再好的技術(shù)必將只能停留在試驗室中或者示范工程階段?！　?/p>

五、光伏發(fā)電并網(wǎng)對未來(lái)電網(wǎng)的影響　　

隨著(zhù)我國《可再生能源法》的頒布實(shí)施，常規能源價(jià)格的不斷升高和石油價(jià)格逼近$100，世界范圍內圍繞利用太陽(yáng)能科技，商業(yè)發(fā)展非常迅速，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)發(fā)展非?？?。目前制約光伏發(fā)電的主要因素是成本問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電造價(jià)高（每千瓦３萬(wàn)元以上），發(fā)電成本貴（１．５元／千瓦時(shí)以上）。隨著(zhù)光伏發(fā)電成本的降低和耗能發(fā)電成本的提高，總有一天光伏發(fā)電的成本將會(huì )與傳統發(fā)電成本相當。到那時(shí)侯，光伏發(fā)電將會(huì )進(jìn)入商業(yè)化應用階段。為了提早迎接這一天的到來(lái)，我們將有必要提前考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電對現有發(fā)電模式的技術(shù)、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益的影響。我們先假設這個(gè)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，并且現有的發(fā)電模式并未發(fā)生較大的改變。那么光伏發(fā)電給我們帶來(lái)好處的同時(shí)將會(huì )對現有的電網(wǎng)產(chǎn)生什么樣的問(wèn)題？　　

由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩定差，調節能力差的能源，發(fā)電量受天氣及地域的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后會(huì )對電網(wǎng)安全，穩定，經(jīng)濟運行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成一定影響。至于有多大的影響目前尚不清楚。我們知道目前電能是不能大規模低成本儲存的，在可以預見(jiàn)的將來(lái)也不能大規模低成本儲存。這就使得光伏發(fā)電的應用受到物理因素的制約，同時(shí)也受到地理上的限制。但是隨著(zhù)技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，當光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中與火電廠(chǎng)，水電，核電等電廠(chǎng)的發(fā)電量處于可比較的數量級和成為不可忽略的一部分時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對現有發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術(shù)、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益帶來(lái)如下問(wèn)題：（如果光伏并網(wǎng)發(fā)電系統采用有蓄電池方案，光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢將大打折扣。但是為光伏并網(wǎng)發(fā)電優(yōu)化配置的蓄電池系統可以部分解決以下1，2和3點(diǎn)提出的問(wèn)題。）　　

1.負荷峰谷對電網(wǎng)的影響。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統不具備調峰和調頻能力，這將對電網(wǎng)的早峰負荷和晚峰負荷造成沖擊。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統增加的發(fā)電能力并不能減少傳統旋轉機組的擁有量，電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統準備大量的旋轉備用機組來(lái)解決早峰和晚峰的調峰問(wèn)題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統向電網(wǎng)供電是以機組利用小時(shí)數下降為代價(jià)的。這當然是發(fā)電商所不愿意看到的。

2.晝夜變化，東西部時(shí)差以及季節的變化對電網(wǎng)的影響。由于陽(yáng)光和負荷出現的周期性，光伏并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對電網(wǎng)裝機容量的需求。

3.氣象條件的變化。當一個(gè)城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達到一定規模時(shí)，如果地理氣象出現大幅變化，電網(wǎng)將為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統提供足夠的區域性旋轉備用機組和無(wú)功補償容量，來(lái)控制和調整系統的頻率和電壓。在這種情況下，電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟運行方式為代價(jià)來(lái)保證電網(wǎng)的安全穩定運行。

4.遠距離光伏電能輸送。當光伏并網(wǎng)發(fā)電遠距離輸送電力在經(jīng)濟和技術(shù)上成為可能時(shí)，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒(méi)有旋轉慣量，調速器及勵磁系統，它將給交流電網(wǎng)帶來(lái)新的穩定問(wèn)題。如果光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規模采用高壓交直流送電，將會(huì )給與光伏發(fā)電直流輸電系統相鄰的交流系統帶來(lái)穩定和經(jīng)濟問(wèn)題，（專(zhuān)門(mén)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的輸電線(xiàn)路，由于使用效率低，將對荒漠太陽(yáng)能的利用形成制約。用于借道或者兼顧輸送光伏并網(wǎng)發(fā)電系統電能的輸電線(xiàn)路，由于負荷率低下，顯得很不經(jīng)濟。）不論采用高壓交流或直流送出，光伏并網(wǎng)發(fā)電站都必須配備自動(dòng)無(wú)功調壓裝置。至于對電網(wǎng)穩定的影響，目前還未見(jiàn)到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩定計算中的數學(xué)模型（包括電源模型和負荷模型）。光伏并網(wǎng)發(fā)電將對電網(wǎng)安全穩定運行有多大的影響目前尚不清楚。

5.降耗問(wèn)題；光伏并網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)主要優(yōu)勢是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電增加了發(fā)電廠(chǎng)旋轉發(fā)電機的旋轉備用或者是熱備用，因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際降耗比率應該扣除旋轉備用或熱備用損失的能量。光伏并網(wǎng)發(fā)電的降耗效率應該考慮到由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統提供的電力導致發(fā)電公司機組利用小時(shí)數降低帶來(lái)的效率損失。由于電力系統是作為一個(gè)整體來(lái)運行的，光伏并網(wǎng)發(fā)電向電網(wǎng)輸送電力將侵害其他發(fā)電商的利益，這是作為政策制定者需要考慮的問(wèn)題。這是由于電網(wǎng)在考慮安全，穩定和經(jīng)濟運行時(shí)，不僅僅只由水電廠(chǎng)擔任旋轉備用。因此，系統中總的光伏并網(wǎng)發(fā)電量所等效的理論降耗標煤量前應該乘以一個(gè)小于1的系數，并且等比例的減去旋轉備用機組的廠(chǎng)用電損耗?！　?/p>

這里給出一個(gè)公式來(lái)判斷光伏發(fā)電實(shí)際的降耗作用：　　

W=[(Wc/Wn)*Wp-（Pc/Pn)Pd）；1　　

1）W--光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)際獲得的降耗量（標煤）；
　　
2）Wc--電網(wǎng)火電總發(fā)電量；

3）Wn--電網(wǎng)總發(fā)電量；

4）Wp--光伏并網(wǎng)發(fā)電理論降耗量（標煤）

5）Pc--火電機組總的廠(chǎng)用電損耗（標煤）；

6）Pn--電網(wǎng)中總的廠(chǎng)用電損耗（標煤）；

7）Pd--旋轉備用機組的廠(chǎng)用電損耗（標煤）?！　?/p>

6.環(huán)保問(wèn)題；光伏發(fā)電帶來(lái)的減排效果是否應該只考慮火電排放的二氧化硫和二氧化碳還有待研究，因為當光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩定和經(jīng)濟運行時(shí)，往往減少出力的不僅僅是火電廠(chǎng)，而考慮旋轉備用時(shí)，也不僅僅是水電廠(chǎng)來(lái)承擔旋轉備用的任務(wù)（水電廠(chǎng)承當旋轉備用任務(wù)損失較?。?。因此，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的減排貢獻時(shí)，也應該在理論值前乘以一個(gè)小于一的系數。這個(gè)結論并不象一些文章中所講的那么樂(lè )觀(guān)?！　?/p>

7.順便指出，風(fēng)力發(fā)電也存在環(huán)保生態(tài)問(wèn)題。國外有環(huán)保人士指出大型的風(fēng)力發(fā)電站往往建在季風(fēng)的風(fēng)道上，這往往是候鳥(niǎo)遷徙的最佳路線(xiàn)?！　?/p>

結束語(yǔ)　　

光伏發(fā)電的優(yōu)勢在于解決離網(wǎng)地區通信，微波等設備的能源動(dòng)力，分散人口地區的小容量電力消費及為有條件建立光伏屋頂的建筑就地提供電力。未來(lái)電網(wǎng)在做發(fā)展規劃時(shí)，對負荷預測應充分考慮離網(wǎng)光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響和數學(xué)模型。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統可以作為在線(xiàn)有源可變負荷模型來(lái)考慮（這里指的是城市中既可由離網(wǎng)的光伏發(fā)電系統，也可以由市電網(wǎng)供電的負荷）。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統如果以110V或220V并網(wǎng)供電時(shí)，也可以把光伏并網(wǎng)發(fā)電系統考慮為可從負到正變化的有源負荷模型。通過(guò)上述分析，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠期定位只能作為電網(wǎng)節能降耗的重要補充手段。如果超出這個(gè)戰略定位，將造成投資和額外的能源浪費，對減少污染排放量的樂(lè )觀(guān)看法也要大打折扣?！　?