2015年，國(guó)際上93%的儲(chǔ)能為抽水蓄能，蓄電池儲(chǔ)能僅占到7%；到2050年，儲(chǔ)能總量將是2015年的458倍，蓄電池化學(xué)儲(chǔ)能將占到95%，抽水蓄能僅占到1%?？傊?，高比例可再生能源是世界能源轉(zhuǎn)型的方向。
（來(lái)源：微信公眾號(hào)“能源研究俱樂(lè)部” ID：nyqbyj 作者：王斯成）
自2021年始，光伏發(fā)電將進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，成本將不再成為規(guī)?；l(fā)展的主要障礙，而消納或?qū)⒊蔀樽钪饕闹萍s因素。本文針對(duì)集中式光伏電站和分布式光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的占比、消納條件和主要問(wèn)題分別進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論是：在高比例可再生能源情景下，2050年實(shí)現(xiàn)光伏總裝機(jī)20億千瓦，2021～2050年每年平均裝機(jī)60GW是可行的，并不存在消納不了的技術(shù)障礙。本文僅從光伏發(fā)電的角度對(duì)消納問(wèn)題進(jìn)行分析，偏頗之處在所難免，僅供參考。
一、光伏發(fā)電消納問(wèn)題探討
光伏發(fā)電的消納問(wèn)題，重點(diǎn)是光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率問(wèn)題。眾所周知，光伏發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，白天發(fā)電晚上不發(fā)電，陰雨天也不能發(fā)電，云層的干擾還會(huì)造成不穩(wěn)定輸出。那么，電網(wǎng)能夠接受多高比例（滲透率）的光伏發(fā)電呢？這個(gè)問(wèn)題需要對(duì)集中式光伏電站和分布式光伏分別闡述。
（一）集中式光伏電站
凡接入10kV及以上公共電網(wǎng)，所發(fā)電量全部賣給電網(wǎng)的均屬于集中式光伏電站。集中式光伏電站的控制、調(diào)度權(quán)在電網(wǎng)企業(yè)。光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力密切相關(guān)。電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力通常通過(guò)如下幾種方式實(shí)現(xiàn)：
1.同步電網(wǎng)和互補(bǔ)電源
2019年12月20日，德國(guó)聯(lián)邦電網(wǎng)署（BNetzA）通過(guò)了《2019—2030年電網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃》，基于2030年將可再生能源發(fā)電提高到65%的目標(biāo)，需要新建近3600公里的輸電線路，修建從石勒蘇益格-荷爾斯泰因州到北威州的高壓直流輸電通道，這些線路甚至考慮鋪設(shè)地下電纜實(shí)現(xiàn)。德國(guó)政府和電網(wǎng)專家認(rèn)為，解決德國(guó)境內(nèi)高比例、波動(dòng)性可再生能源情景下電力平衡的主要出路仍是擴(kuò)建電網(wǎng)，電力系統(tǒng)覆蓋范圍越大，越可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的電力平衡。
有一種看法認(rèn)為：“光伏發(fā)電的比例一定高不了，因?yàn)槿绻B續(xù)下雨一周（這在南方是常有的事），就會(huì)無(wú)法滿足電力供應(yīng)”。中國(guó)有一句老話，叫做“十里不同天”，或“東邊日出西邊雨”，如果同步電網(wǎng)的覆蓋范圍足夠大，雖然局部地區(qū)在下雨，但晴天地方的光伏仍在發(fā)電，便能夠達(dá)到統(tǒng)計(jì)平均的電力需求。對(duì)此，還可以看一看德國(guó)高比例光伏電源結(jié)構(gòu)下如何度過(guò)了日全食。2015年3月20日，德國(guó)遭遇日全食的考驗(yàn)，日全食發(fā)生在當(dāng)日9:30～11:30間，彼時(shí)德國(guó)光伏總裝機(jī)為39GW，而最大負(fù)荷為80GW（光伏的功率滲透率接近50%）。為了度過(guò)日全食，德國(guó)做了充分的準(zhǔn)備，包括備用機(jī)組、負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)以及光伏發(fā)電功率調(diào)節(jié)等。最后依托北歐強(qiáng)大的電網(wǎng)，僅僅是減少了部分負(fù)荷和光伏出力，甚至沒(méi)有啟動(dòng)備用電源，就安全度過(guò)了日全食。
國(guó)際能源署光伏發(fā)電委員會(huì)（IEA PVPS）曾經(jīng)提出建設(shè)東北亞（中國(guó)、蒙古、日本、韓國(guó)、朝鮮）同步電網(wǎng)的設(shè)想，歐洲也曾提出覆蓋地中海、北非和歐洲大陸的EUMENA（Europe，Mediterranean Region and North Africa）計(jì)劃。
此外，互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)也很重要，在一個(gè)供電區(qū)域內(nèi)的互補(bǔ)型電源越多，對(duì)于抑制光伏電力的波動(dòng)性和不連續(xù)性越有效。與光伏相對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)電源包括：火電、氣電、水電、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電等。
總之，同步電網(wǎng)和互補(bǔ)電源將會(huì)對(duì)高比例、波動(dòng)性可再生能源電力結(jié)構(gòu)下電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮重要的支撐作用。
2.火電調(diào)節(jié)機(jī)組
2013年5月，德國(guó)國(guó)際合作機(jī)構(gòu)（GIZ）發(fā)布了一份報(bào)告，題目是《德國(guó)能源轉(zhuǎn)型的12個(gè)見(jiàn)解》。這份報(bào)告中提出了德國(guó)的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)：到2050年，實(shí)現(xiàn)以風(fēng)能和太陽(yáng)能為主的可再生能源在電力消費(fèi)中的比重達(dá)到80%以上，在一次能源消費(fèi)中的比重達(dá)到60%以上。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，常規(guī)火電機(jī)組將由現(xiàn)在的“基荷電力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢{(diào)節(jié)電力”，不但是燃?xì)獍l(fā)電，燃煤電廠也必須參與調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的電廠需要改進(jìn)，最低負(fù)荷率由現(xiàn)在的40%下降到20%；燃煤電廠5分鐘內(nèi)的爬坡和退坡能力由現(xiàn)在的5%～10%，提高到20%～40%；燃煤電廠的冷啟動(dòng)時(shí)間由現(xiàn)在的10小時(shí)，降低到4～6小時(shí)。報(bào)告給出的技術(shù)指標(biāo)如下：
表1 德國(guó)火電靈活性升級(jí)的技術(shù)指標(biāo)（機(jī)組功率：100萬(wàn)千瓦）
注：第一個(gè)數(shù)字是未來(lái)調(diào)節(jié)能力，括號(hào)內(nèi)數(shù)字是目前的典型狀況
對(duì)于高比例可再生能源的電源體系，火電調(diào)節(jié)和備用機(jī)組在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行上，將起到舉足輕重的作用。
3.儲(chǔ)能
有了同步電網(wǎng)、互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)和火電的靈活性升級(jí)，網(wǎng)側(cè)配置大規(guī)模儲(chǔ)能的必要性就不那么重要了?！兜聡?guó)能源轉(zhuǎn)型的12個(gè)見(jiàn)解》還給出這樣的結(jié)論：只有當(dāng)可再生能源（主要指風(fēng)電和光伏）占比超過(guò)70%時(shí)，新的儲(chǔ)能技術(shù)（化學(xué)電源、壓縮空氣、電轉(zhuǎn)氣等）才有必要。從中國(guó)的情況分析，集中式光伏電站絕大部分安裝在中、西部，而中、西部水資源匱乏，即使對(duì)于有水資源的地方，傳統(tǒng)的抽水蓄能電站存在滲漏、揮發(fā)、效率低等嚴(yán)重問(wèn)題，認(rèn)真用好這些珍貴如油的水資源，比用來(lái)建造抽水蓄能電站要合算得多。對(duì)于化學(xué)電源，受成本和壽命的雙重限制。
網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能裝置的配置是電網(wǎng)企業(yè)需要考慮的，并不是集中式光伏電站的職責(zé)范圍。但集中式光伏電站在電力交易市場(chǎng)建立起來(lái)之后，會(huì)主動(dòng)建設(shè)站內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)。一旦站內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)建立起來(lái)，電站就有了調(diào)節(jié)能力，可以根據(jù)電力市場(chǎng)的電價(jià)擇機(jī)出售，使得收益最大化。有了站內(nèi)儲(chǔ)能，還能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供一定的調(diào)度靈活性，并有效減少特定情況下棄光的損失。因此，站內(nèi)儲(chǔ)能對(duì)于集中式光伏電站來(lái)講，也會(huì)有不錯(cuò)的潛在市場(chǎng)。
4.光伏電站仍具較大創(chuàng)新空間
中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)2018年發(fā)布的光伏路線圖預(yù)測(cè)：2021年，光伏發(fā)電年滿發(fā)1500小時(shí)，成本可以降到0.30元/千瓦時(shí)（圖1）。對(duì)于集中式光伏電站，是否盈利的參考電價(jià)是脫硫燃煤上網(wǎng)電價(jià)，全國(guó)平均值為0.3608元/千瓦時(shí)（見(jiàn)表2），西部省區(qū)普遍低于0.35元/千瓦時(shí)。也就是說(shuō)，進(jìn)入平價(jià)、取消補(bǔ)貼后，集中式光伏電站的盈利空間非常有限。但如果能夠在政策上放開(kāi)，情況就會(huì)大不一樣。
目前，國(guó)際上普遍采用提高“光伏-逆變器容配比”（PVIR）的創(chuàng)新手段來(lái)降低度電成本。比如對(duì)于一座并網(wǎng)交流額定功率為10MW的集中式光伏電站，光伏-逆變器容配比為1.2:1.0，意味著如果直流側(cè)光伏功率擴(kuò)裝20%，電站的等效利用小時(shí)數(shù)將從1500提高到1800，發(fā)電量提高20%，而投入僅僅是直流側(cè)的光伏組件，成本大幅度下降。圖1顯示，當(dāng)發(fā)電小時(shí)數(shù)達(dá)到1800時(shí)，2021年光伏發(fā)電成本將下降到0.18元/千瓦時(shí)，與脫硫電價(jià)相比較，具有相當(dāng)大的盈利空間。美國(guó)一類資源區(qū)光伏電站的容配比都在1.4:1.0，歐洲電站普遍在1.5～1.6:1.0，日本的光伏電站甚至高達(dá)2.0:1.0。中國(guó)目前并不支持提高容配比，有些省份甚至嚴(yán)查直流側(cè)光伏擴(kuò)裝，如發(fā)現(xiàn)會(huì)責(zé)令限期拆除。
如果放開(kāi)光伏-逆變器容配比，同時(shí)取消光伏電站保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)的限制，保證光伏“先發(fā)、滿發(fā)”，集中式光伏電站的發(fā)電成本有望下降到0.2元/千瓦時(shí)以下，沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下也會(huì)有很大的市場(chǎng)。
圖1 光伏電站不同等效利用小時(shí)數(shù)LCOE測(cè)算（單位：元/千瓦時(shí)）
展望未來(lái)，除了制造端光伏產(chǎn)品進(jìn)一步提高效率，降低成本外，應(yīng)用端的創(chuàng)新空間還非常大，如：提高容配比、1500V系統(tǒng)、太陽(yáng)跟蹤器、提高能效比（PR）、采用雙面組件、智能運(yùn)維等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光伏發(fā)電的成本在10年內(nèi)有望下降到0.1元/千瓦時(shí)（實(shí)際上，2019年國(guó)內(nèi)光伏電站最低投標(biāo)電價(jià)已經(jīng)是0.26元/千瓦時(shí)，國(guó)際上最低是1.65美分/千瓦時(shí)，相當(dāng)于0.10元人民幣/千瓦時(shí)）。
5.當(dāng)前的問(wèn)題
1）中國(guó)的特點(diǎn)是西部資源豐富（包括常規(guī)資源和可再生能源資源），而負(fù)荷中心在東部，因此為了平衡東西部資源和負(fù)荷不平衡的問(wèn)題，尤其考慮到未來(lái)高比例可再生能源的消納，建立輸電通道是必須的。當(dāng)前的問(wèn)題是：①通道不足，規(guī)劃建設(shè)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足需要。②通道的利用率不高。③同步電網(wǎng)不同步，跨省通道不暢通。
2）互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃和部署。
3）火電的靈活性改造進(jìn)展緩慢，現(xiàn)有機(jī)組調(diào)節(jié)性能差，最低負(fù)荷能力僅能達(dá)到50%；其次是個(gè)別省區(qū)新能源裝機(jī)比例高，總調(diào)節(jié)能力不足。中國(guó)電科院張軍軍曾經(jīng)給出這樣的分析：在西部個(gè)別省區(qū)中午時(shí)段新能源達(dá)日最大發(fā)電出力時(shí)，瞬時(shí)負(fù)荷占比高達(dá)80%，火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足。這也是某些省區(qū)出現(xiàn)棄光、棄風(fēng)的原因之一。除了技術(shù)原因，對(duì)于火電的靈活性改造，還缺乏相應(yīng)的電價(jià)體系和鼓勵(lì)機(jī)制。
4）網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能很有限，跨省電力交易市場(chǎng)待完善，光伏站內(nèi)儲(chǔ)能建設(shè)沒(méi)有動(dòng)力，目前站內(nèi)儲(chǔ)能僅有零星示范。
5）與傳統(tǒng)電力爭(zhēng)奪市場(chǎng)是當(dāng)前阻礙光伏規(guī)?；l(fā)展的主要矛盾，很多省區(qū)開(kāi)展并鼓勵(lì)非水可再生能源電量的發(fā)電權(quán)交易，能夠交易的“消納能力”絕對(duì)不是技術(shù)問(wèn)題，而是利益之爭(zhēng)。
6）光伏-逆變器容配比沒(méi)有放開(kāi)，光伏保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)的規(guī)定值偏低，不利于光伏電站進(jìn)一步降低度電成本。
綜上所述，通過(guò)同步電網(wǎng)、互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)、火電調(diào)節(jié)機(jī)組、網(wǎng)側(cè)/站內(nèi)儲(chǔ)能等條件和措施，電網(wǎng)會(huì)有足夠的調(diào)節(jié)能力，完全可以滿足高比例（至少70%）非水可再生能源的電源結(jié)構(gòu)要求。按照國(guó)家可再生能源中心提出的發(fā)展目標(biāo)，到2050年集中式光伏電站的裝機(jī)為10億千瓦，從2021年開(kāi)始，平均每年裝機(jī)30GW，不應(yīng)存在任何消納障礙。關(guān)鍵是需要解決好上述問(wèn)題。
（二）分布式光伏發(fā)電
分布式發(fā)電系統(tǒng)是在用電負(fù)荷側(cè)安裝的發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏在我國(guó)可以表現(xiàn)為如下三種類型：①在單位內(nèi)網(wǎng)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)（從電網(wǎng)角度看，一個(gè)單位的內(nèi)網(wǎng)，就是一個(gè)單位“負(fù)荷”），電壓等級(jí)可以是低壓電網(wǎng)（220V/380V），也可以是中壓內(nèi)網(wǎng)電網(wǎng)（10kV/35kV）；②在低壓電網(wǎng)（220V/380V）用戶用電電表負(fù)荷側(cè)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”項(xiàng)目；③在用戶用電電表低壓公共配電網(wǎng)側(cè)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于“全額上網(wǎng)”項(xiàng)目。
分布式光伏不同于集中式光伏電站，其調(diào)整、控制權(quán)在分布式發(fā)電系統(tǒng)本身。分布式光伏可以有“全額上網(wǎng)”“全部自用”和“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”三種運(yùn)行方式，以及“凈電量計(jì)量”和“雙向計(jì)量，雙向結(jié)算”兩種收費(fèi)方式，而集中式光伏電站只有全額上網(wǎng)，單向售電一種模式；分布式光伏在高滲透率情況下會(huì)發(fā)生“逆功率流”現(xiàn)象，還有主動(dòng)和被動(dòng)“孤島”運(yùn)行，而光伏電站沒(méi)有；對(duì)于“自發(fā)自用”的光伏項(xiàng)目，為了保證收益，必須進(jìn)行光伏發(fā)電的日分布曲線與負(fù)荷曲線匹配特性的評(píng)估，而光伏電站不必做這樣的評(píng)估。總之，在分析分布式光伏的收益情況、滲透率和消納問(wèn)題時(shí)，要比分析集中式光伏電站更為復(fù)雜。
分析分布式光伏的消納問(wèn)題，必須弄清楚兩件事：第一，進(jìn)入平價(jià)時(shí)代后，分布式光伏的贏利點(diǎn)在哪里？是否具備規(guī)模化發(fā)展的商業(yè)基礎(chǔ)？第二，在規(guī)模化發(fā)展具備條件的前提下，配電網(wǎng)能夠接受多高的光伏滲透率？高比例分布式光伏是否會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅？
1.分布式光伏市場(chǎng)潛力巨大
1）分布式光伏具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
根據(jù)國(guó)家能源局的文件，2021年開(kāi)始，無(wú)論是集中式光伏電站還是分布式光伏都不再有政府補(bǔ)貼，進(jìn)入平價(jià)市場(chǎng)。分布式光伏在平價(jià)時(shí)代是否能夠持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用，取決于光伏發(fā)電的成本。對(duì)于以全額上網(wǎng)的分布式光伏，其成本必須要低于0.3元/千瓦時(shí)，才能有盈利空間，因?yàn)殡娋W(wǎng)的收購(gòu)電價(jià)大約0.3～0.4元/千瓦時(shí)；而對(duì)于“自發(fā)自用”光伏電量，成本只要低于0.5元/千瓦時(shí)就已經(jīng)可以盈利了，因?yàn)椤白园l(fā)自用”電量的參考電價(jià)是電網(wǎng)的銷售電價(jià)，而銷售電價(jià)最低也要0.5元/千瓦時(shí)以上。也就是說(shuō)，一旦光伏電價(jià)低于0.5元/千瓦時(shí)，則對(duì)于所有用電戶來(lái)說(shuō)，用光伏的電比買電網(wǎng)的電便宜。我國(guó)的電網(wǎng)銷售電價(jià)列表如下：
表2 電網(wǎng)的收購(gòu)電價(jià)和銷售電價(jià)比較（單位：元/千瓦時(shí)）
資料來(lái)源：智匯光伏
中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)的路線圖顯示，2021年分布式光伏在年利用小時(shí)數(shù)為1000時(shí)，成本0.39元/千瓦時(shí)，1200小時(shí)的成本為0.33元/千瓦時(shí)，說(shuō)明沒(méi)有補(bǔ)貼情況下，分布式光伏在我國(guó)東部（三類資源區(qū)）具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)10年內(nèi)，分布式光伏在三類資源區(qū)的電價(jià)還可以進(jìn)一步下降到0.2元/千瓦時(shí)以下，這是完全有把握的預(yù)期。因此，“十四五”期間，分布式光伏的主要發(fā)展形式是“自發(fā)自用”項(xiàng)目，而5年之后，分布式光伏的全額上網(wǎng)項(xiàng)目也將迎來(lái)巨大的市場(chǎng)?？傊?021年以后的平價(jià)時(shí)代，光伏發(fā)電在成本上很有競(jìng)爭(zhēng)力，完全具備規(guī)?；l(fā)展的商業(yè)潛力。目前，美國(guó)、歐洲各國(guó)和日本最大的商業(yè)化光伏市場(chǎng)也都是“自發(fā)自用”的分布式光伏。
2）凈電量計(jì)量（Net Metering）
凈電量計(jì)量是“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”分布式光伏的一種計(jì)量和結(jié)算方式，被美國(guó)、歐洲和日本普遍采用。在凈電量計(jì)量方式下運(yùn)行，所有的光伏電量（包括余電上網(wǎng)電量）的價(jià)值將等同于電網(wǎng)的銷售電價(jià)（目前國(guó)內(nèi)政策對(duì)于光伏余電上網(wǎng)電量，只以脫硫電價(jià)結(jié)算），這將大大提高分布式光伏項(xiàng)目的收益。另外，凈電量計(jì)量模式下，也不用考慮光伏發(fā)電是否與負(fù)荷匹配的問(wèn)題。凈電量計(jì)量模式對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)也有好處，只需要一年查看一下用戶電表，按照凈電量結(jié)算即可，大大減輕了工作量。但目前國(guó)內(nèi)并不允許按照凈電量計(jì)量方式運(yùn)行。建議2021年開(kāi)始（平價(jià)時(shí)代）對(duì)戶用光伏項(xiàng)目實(shí)施凈電量計(jì)量和結(jié)算。這樣一方面大大減輕了電網(wǎng)企業(yè)的管理負(fù)擔(dān)，另一方面則提高了戶用光伏的收益，有利于進(jìn)一步擴(kuò)大戶用光伏市場(chǎng)。
表3 歐洲各國(guó)采用凈電量計(jì)量的情況
3）日本的“凈零能耗”建筑（net Zero Energy Building）
2016年筆者曾經(jīng)實(shí)地考察過(guò)日本的凈零能耗建筑。2014年4月，日本政府根據(jù)能源政策法制定了《第四次能源基本計(jì)劃》，明確了日本實(shí)現(xiàn)零能耗建筑的目標(biāo)和方針，到2020年新建公共建筑和標(biāo)準(zhǔn)居住建筑實(shí)現(xiàn)凈零能耗，到2030年所有新建建筑平均實(shí)現(xiàn)凈零能耗。在這個(gè)計(jì)劃的推動(dòng)下，日本戶用光伏快速發(fā)展，連續(xù)3年裝機(jī)接近或超過(guò)10GW。
這些建筑是否達(dá)到了“凈零能耗”并不清楚，但所看到的建筑的確是達(dá)到了“凈零電耗”甚至“負(fù)電耗”（凈輸出），即實(shí)現(xiàn)了電力供應(yīng)的自給自足。日本的凈零能耗建筑采用雙向計(jì)量、雙向結(jié)算方式，通過(guò)智能化管理（類似于德國(guó)的“智能家居”），做到用戶收益最大化。凈零能耗建筑基本可以做到零電費(fèi)支付，甚至做到“負(fù)電費(fèi)”，即全年算下來(lái)電量?jī)糨敵?，還可以賺錢。因?yàn)椤皟袅隳芎摹苯ㄖ仨毰c建筑節(jié)能相結(jié)合，實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜，建議在國(guó)內(nèi)先開(kāi)展“凈零電耗”建筑示范。
表4 日本“凈零能耗”建筑項(xiàng)目概覽
4）光伏微電網(wǎng)
光伏微電網(wǎng)屬于典型的“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的分布式光伏，是實(shí)現(xiàn)光伏高滲透率和電網(wǎng)友好的重要途徑。光伏微電網(wǎng)是由光伏組件、逆變裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，與外電網(wǎng)只有一個(gè)交互電量的連接點(diǎn)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和管理的自治系統(tǒng)。按照功能不同，光伏微電網(wǎng)可以有如下幾種。
自用型微電網(wǎng)：由單位或個(gè)人投資興建，自建自用，光伏滲透率100%，可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以主動(dòng)式“孤島”運(yùn)行，雙向計(jì)量，雙向結(jié)算，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠根據(jù)電網(wǎng)要求和實(shí)時(shí)電價(jià)與電網(wǎng)互動(dòng)，自動(dòng)控制從電網(wǎng)購(gòu)電或向電網(wǎng)賣電，在為電網(wǎng)削峰填谷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)收益最大化。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)為“孤島”運(yùn)行，可以做到“黑啟動(dòng)”和“無(wú)縫切換”。自用型光伏微電網(wǎng)的效益明顯，是吸引投資、擴(kuò)大光伏應(yīng)用的主要形式。
服務(wù)型微電網(wǎng)：由配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商投資建設(shè)，為一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多用戶供電，由微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商管理和經(jīng)營(yíng)，可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以“孤島”運(yùn)行，雙向計(jì)量，雙向結(jié)算，實(shí)現(xiàn)收益最大化?！肮聧u”運(yùn)營(yíng)時(shí)可以保證微網(wǎng)內(nèi)全部用電戶或主要用電戶的供電，光伏滲透率50%～100%。服務(wù)型光伏微電網(wǎng)能夠助力電力體制改革，打破傳統(tǒng)壟斷經(jīng)營(yíng)，是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)權(quán)開(kāi)放的最好抓手。
互動(dòng)型微電網(wǎng)：由電網(wǎng)或配電網(wǎng)企業(yè)投資建設(shè)，主要目的不是自用電，而是與電網(wǎng)互動(dòng)，滿足電網(wǎng)要求，為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，是未來(lái)虛擬電網(wǎng)的重要組成。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，光伏滲透率300%～500%，雙向計(jì)量，雙向結(jié)算，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率輸出和削峰填谷，依靠光伏超低成本和響應(yīng)實(shí)時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)盈利。丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）的微電網(wǎng)和韓國(guó)電力公司（KEPCO）實(shí)施的智能電網(wǎng)（Smart Grid）項(xiàng)目均屬此類。
2.儲(chǔ)能在分布式光伏市場(chǎng)的潛力巨大
一方面是因?yàn)榉植际焦夥某杀敬蟠蟮陀陔娋W(wǎng)的零售電價(jià)，價(jià)差足以支持安裝儲(chǔ)能，這與德國(guó)和日本的情況類似。另一方面，安裝儲(chǔ)能之后，分布式光伏系統(tǒng)就具備了調(diào)節(jié)能力，在電力交易市場(chǎng)和實(shí)時(shí)電價(jià)系統(tǒng)建立起來(lái)之后，能夠根據(jù)電價(jià)與電網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分布式光伏項(xiàng)目的收益最大化。因此，儲(chǔ)能在分布式光伏領(lǐng)域的潛在市場(chǎng)十分巨大。
3.高滲透率不會(huì)構(gòu)成對(duì)配電網(wǎng)的威脅
1）不應(yīng)設(shè)置分布式光伏的滲透率上限
同一供電平臺(tái)到底能夠安裝多大比例的光伏，目前尚沒(méi)有定論，可以肯定的是，高滲透率分布式光伏會(huì)帶來(lái)“逆功率流”問(wèn)題，此時(shí)供電平臺(tái)的具體表現(xiàn)就是網(wǎng)壓升高。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，分布式光伏有多種方法抑制網(wǎng)壓升高，如減功率運(yùn)行、增加儲(chǔ)能、接入備用負(fù)荷，以及無(wú)功補(bǔ)償（逆變器有此功能，無(wú)須額外增添無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備）等。對(duì)于分布式光伏并網(wǎng)的要求，已經(jīng)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 29319-2012），該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于并網(wǎng)特性、電能質(zhì)量以及調(diào)節(jié)能力都有明確的規(guī)定，且分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前都需要通過(guò)電網(wǎng)企業(yè)的檢測(cè)。盡管電網(wǎng)企業(yè)并不對(duì)分布式光伏進(jìn)行調(diào)度或控制，然而分布式光伏系統(tǒng)本身完全具備在電網(wǎng)出現(xiàn)異常情況下自行調(diào)整的能力。因此，沒(méi)有必要為分布式光伏限定滲透率，電網(wǎng)企業(yè)更不能以“消納能力有限”為由拒絕分布式光伏項(xiàng)目的備案。
2）“鴨子曲線”及其消除辦法
盡管每一個(gè)單獨(dú)的分布式光伏系統(tǒng)都能通過(guò)自身調(diào)節(jié)來(lái)滿足并網(wǎng)特性，使所接入的配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但如果在一個(gè)居民區(qū)內(nèi)（工商業(yè)用戶沒(méi)有負(fù)荷晚高峰）安裝了大量“自發(fā)自用”的光伏項(xiàng)目，當(dāng)白天陽(yáng)光充足時(shí)，從電網(wǎng)管理的角度看，表現(xiàn)為負(fù)荷大大下降，但在傍晚太陽(yáng)落山后，所有光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，電力需求卻急劇上升。這種負(fù)荷曲線就像是一只鴨子，因此被稱為“鴨子曲線”。這種現(xiàn)象對(duì)電網(wǎng)的保障供電能力造成巨大壓力。
下圖是美國(guó)加州近幾年來(lái)“鴨子曲線”的演變，隨著光伏裝機(jī)容量的逐年迅速上升，“鴨子曲線”將越來(lái)越明顯。
圖2 美國(guó)加州電力負(fù)荷的“鴨子曲線”
解決供電區(qū)域“鴨子曲線”問(wèn)題是電網(wǎng)企業(yè)的職責(zé)范圍，但電網(wǎng)企業(yè)又無(wú)法直接對(duì)分布式光伏進(jìn)行調(diào)度控制。“鴨子曲線”問(wèn)題的解決可以通過(guò)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。白天陽(yáng)光充足時(shí)，交易電價(jià)很低，分布式光伏的儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)；當(dāng)傍晚負(fù)荷高峰時(shí)，交易電價(jià)很高，分布式光伏的儲(chǔ)能系統(tǒng)則處于放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)峰運(yùn)行，消除了“鴨子曲線”，分布式光伏也實(shí)現(xiàn)了收益最大化。由此也得出一個(gè)結(jié)論，就是隨著分布式光伏的規(guī)?；l(fā)展，分布式儲(chǔ)能市場(chǎng)也會(huì)隨之興起。
4.存在的問(wèn)題
1）分布式光伏具備商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但國(guó)家尚未對(duì)分布式光伏項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模全面放開(kāi)；
2）自發(fā)自用的分布式光伏直接影響到電網(wǎng)企業(yè)的效益和業(yè)績(jī)，自發(fā)自用多了，電網(wǎng)賣電自然就少了，而且分布式光伏項(xiàng)目分散、規(guī)模小，且發(fā)電商多而雜，電網(wǎng)企業(yè)管理負(fù)擔(dān)加重，又沒(méi)有任何補(bǔ)償，因此電網(wǎng)企業(yè)對(duì)于分布式光伏項(xiàng)目的開(kāi)展沒(méi)有任何積極性，2019年更是出現(xiàn)了以“消納能力有限”而不予立項(xiàng)的情況發(fā)生；
3）我國(guó)不允許分布式光伏項(xiàng)目采用“凈電量計(jì)量”模式運(yùn)行，也沒(méi)有像日本“凈零能耗”建筑那樣類似的政府計(jì)劃；
分布式光伏進(jìn)入平價(jià)時(shí)代后，具有商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)潛力巨大。分布式光伏自身具備的調(diào)解能力完全可以保障高滲透率情況下配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，不存在消納受限的問(wèn)題。高比例分布式光伏的發(fā)展和分布式儲(chǔ)能市場(chǎng)的啟動(dòng)有賴于電力交易市場(chǎng)和實(shí)時(shí)電價(jià)體系的建立。
二、高比例可再生能源結(jié)構(gòu)是能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì)
從常規(guī)能源為主的電力結(jié)構(gòu)向高比例可再生能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為世界共識(shí)。國(guó)際能源署（IEA PVPS），國(guó)際可再生能源署（IRENA），歐盟委員會(huì)，德國(guó)，日本以及很多國(guó)際研究機(jī)構(gòu)研究報(bào)告的結(jié)論都不約而同地指出，未來(lái)世界的能源和電力結(jié)構(gòu)是高比例可再生能源，甚至是100%可再生能源結(jié)構(gòu)。尤其值得注意的是，高比例可再生能源結(jié)構(gòu)中，光伏的占比是最高的。IRENA預(yù)測(cè)，2050年光伏全球裝機(jī)8519GW，風(fēng)電裝機(jī)6014GW，光伏和風(fēng)電占全球電力裝機(jī)的72.5%，可再生能源發(fā)電量將占全球發(fā)電量的86%。DNV.GL預(yù)測(cè)，到2050年全球光伏累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到18000GW，占到全球總電力裝機(jī)的50%以上；由德國(guó)環(huán)境基金（DBU）支持的LUT“全球100%可再生能源電力結(jié)構(gòu)”研究報(bào)告預(yù)測(cè)，2050年，光伏發(fā)電在全球電力供應(yīng)的占比將達(dá)到69%，全球光伏裝機(jī)將達(dá)到22000GW。伴隨著光伏高比例發(fā)展，化學(xué)儲(chǔ)能也將迎來(lái)前所未有的蓬勃商機(jī)。LUT報(bào)告指出：2015年，國(guó)際上93%的儲(chǔ)能為抽水蓄能，蓄電池儲(chǔ)能僅占到7%；到2050年，儲(chǔ)能總量將是2015年的458倍，蓄電池化學(xué)儲(chǔ)能將占到95%，抽水蓄能僅占到1%。總之，高比例可再生能源是世界能源轉(zhuǎn)型的方向。
就我國(guó)而言，迫于能源供給和溫室氣體減排的壓力，能源轉(zhuǎn)型更是迫在眉睫。我國(guó)從2007年始成為溫室氣體排放世界第一大國(guó)，目前是世界能源消費(fèi)第一大國(guó)，是世界最大的電力裝機(jī)和電力消費(fèi)國(guó)，是世界最大的煤炭和石油進(jìn)口國(guó)，我國(guó)石油對(duì)外依存度超過(guò)70%，天然氣對(duì)外依存度達(dá)到45%。然而，我國(guó)常規(guī)能源的儲(chǔ)采比還不到世界平均值的50%，如果不能在今后20～30年內(nèi)完成向高比例可再生能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，則勢(shì)必面臨巨大的能源安全問(wèn)題。
國(guó)家可再生能源中心依據(jù)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型要求，2018年發(fā)布了研究報(bào)告《中國(guó)可再生能源展望2018》，提出到2050年，中國(guó)可再生能源在一次能源消費(fèi)中的占比達(dá)到60%以上，在電力消費(fèi)的比重達(dá)到90%以上的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)。
表5 我國(guó)電力中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)展望（保守情景）
化石燃料裝機(jī)占比需要從現(xiàn)在的60.2%下降到2050年的11.1%，發(fā)電量占比需要從現(xiàn)在的70.4%下降到14.0%；而光伏裝機(jī)占比需要從現(xiàn)在的9.2%上升到2050年的38.3%，發(fā)電量占比從現(xiàn)在的2.5%上升到19.3%。光伏裝機(jī)到2050年將超過(guò)20億千瓦。
我國(guó)的光伏制造業(yè)十分強(qiáng)大，光伏產(chǎn)品占全球總產(chǎn)量的70%以上，無(wú)論從制造、應(yīng)用還是裝備和研發(fā)，都處于世界領(lǐng)先，具備支持光伏規(guī)?；l(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
然而最為重要的是，高比例可再生能源的能源/電力轉(zhuǎn)型方向必須在政府、電網(wǎng)和發(fā)電集團(tuán)之間達(dá)成共識(shí)，而且必須要有統(tǒng)一的行動(dòng)?！笆奈濉笔枪夥惋L(fēng)電全面進(jìn)入平價(jià)時(shí)代的開(kāi)局5年，是承前啟后、繼往開(kāi)來(lái)的5年，非常關(guān)鍵。
三、結(jié)論和建議
重要結(jié)論如下：
1）從技術(shù)角度講并不存在高滲透率光伏情景下的消納問(wèn)題，關(guān)鍵是政府、電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)必須統(tǒng)一思想，堅(jiān)定高比例可再生能源的能源轉(zhuǎn)型大方向，而且要統(tǒng)一行動(dòng)。否則，再美好的藍(lán)圖也會(huì)成為一紙空文。
2）對(duì)于集中式光伏電站，通過(guò)同步電網(wǎng)、互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)、火電調(diào)節(jié)機(jī)組、網(wǎng)側(cè)/站內(nèi)儲(chǔ)能等措施，使電網(wǎng)具備足夠的調(diào)節(jié)能力，在風(fēng)光等波動(dòng)性可再生能源滲透率達(dá)到70%時(shí)，也不會(huì)有電網(wǎng)安全和消納問(wèn)題。
3）對(duì)于分布式光伏，在平價(jià)時(shí)代具備較強(qiáng)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)潛力巨大。依靠分布式光伏自身調(diào)節(jié)能力，滲透率可以做到100%。對(duì)于分布式光伏不應(yīng)設(shè)置滲透率上限。
4）在向高比例可再生能源轉(zhuǎn)型過(guò)程和大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的進(jìn)程中，電化學(xué)儲(chǔ)能將會(huì)發(fā)揮重要作用，具有巨大的潛在市場(chǎng)，必將帶來(lái)新的商機(jī)。
提出建議如下：
1）“十四五”是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵之年，建議新增電力裝機(jī)均為清潔電力，包括水電、風(fēng)電、光伏、太陽(yáng)能熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和氣電，燃煤電廠的存量裝機(jī)需要讓出電量，以保證清潔能源電力的先發(fā)、滿發(fā)。
2）對(duì)于集中式光伏電站，放開(kāi)光伏-逆變器容配比，取消保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)的限制，給予先發(fā)、滿發(fā)的優(yōu)先權(quán)。
3）對(duì)于分布式光伏放開(kāi)規(guī)模限制，對(duì)“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的戶用光伏系統(tǒng)按照“凈電量計(jì)量”模式計(jì)量和結(jié)算；適時(shí)啟動(dòng)“凈零電耗”建筑計(jì)劃和示范；鼓勵(lì)投資光伏微電網(wǎng)項(xiàng)目。
4）推進(jìn)電力體制改革，放開(kāi)配電網(wǎng)的經(jīng)營(yíng)權(quán)；加快進(jìn)行電力交易市場(chǎng)和實(shí)時(shí)電價(jià)體系的建設(shè)。
5）出臺(tái)針對(duì)性的政策和價(jià)格體系，激勵(lì)光伏系統(tǒng)提高自身調(diào)節(jié)能力，加速儲(chǔ)能市場(chǎng)的規(guī)?；l(fā)展。
6）“他山之石，可以攻玉”，建議決策部門和電網(wǎng)企業(yè)考察調(diào)研國(guó)際相關(guān)技術(shù)和政策，確保中國(guó)能源/電力發(fā)展方向正確無(wú)誤?？疾煺{(diào)研項(xiàng)目包括但不限于：高比例可再生能源的發(fā)展路線和政策措施（美國(guó)加州、歐盟、德國(guó)、丹麥、日本、澳大利亞），電力交易市場(chǎng)和實(shí)時(shí)價(jià)格體系（美國(guó)、北歐電網(wǎng)、日本），光伏-逆變器容配比（美國(guó)、德國(guó)、日本、印度），凈電量計(jì)量（美國(guó)、歐洲、日本），“凈零能耗”建筑（荷蘭、日本），微電網(wǎng)（美國(guó)、德國(guó)、丹麥、希臘、日本、韓國(guó)），分布式光伏造成的“鴨子曲線”及其解決辦法（美國(guó)、德國(guó)、日本）。
