上海電力大學(xué) 趙 靜

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外二氧化碳排放量的增多，大氣污染、全球變暖、生態(tài)破壞等一系列環(huán)境問(wèn)題接踵而來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)“碳減排”成為全人類共同面臨的問(wèn)題。2020年，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記作出“雙碳”承諾，力爭(zhēng)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，以此為全球的“碳減排”貢獻(xiàn)中國(guó)力量。

根據(jù)我國(guó)最新公布的2020年碳排放數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)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(yè)成為主要的碳排放來(lái)源[1]。圖1為我國(guó)2020年碳排放來(lái)源占比圖。

從圖1中數(shù)據(jù)可以看出，2020年電力行業(yè)的碳排放量約占全國(guó)碳排放量的40%，電力成為碳排放的主要來(lái)源。多年來(lái)，經(jīng)過(guò)電力行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)已成為電力生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，因此電力“碳減排”成為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)路上的主力軍。2021年，在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上，習(xí)近平總書(shū)記明確提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，大力發(fā)展可再生能源，利用新型能源發(fā)電來(lái)改變傳統(tǒng)的能源發(fā)電模式，從而減少電力行業(yè)的碳排放量[2]。按照供電企業(yè)現(xiàn)階段對(duì)新型能源特別是分布式光伏的接納對(duì)策，在某些區(qū)域中，隨著越來(lái)越多的光伏并網(wǎng)，其發(fā)電量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)負(fù)荷的消納能力，光伏所發(fā)電量傳輸至上一級(jí)電網(wǎng)，這在無(wú)形之中增加了電網(wǎng)損耗，不利于電網(wǎng)的長(zhǎng)久運(yùn)行。因此，從網(wǎng)損角度出發(fā)，通過(guò)研究分布式光伏并網(wǎng)后對(duì)網(wǎng)損的影響，研究并提出針對(duì)性的接納對(duì)策，對(duì)于提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，維持電網(wǎng)長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀分析

在各類新型能源中，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中太陽(yáng)能以其綠色、清潔、普遍性、儲(chǔ)量大、易獲得等多種優(yōu)勢(shì)，成為電力行業(yè)的首選。太陽(yáng)能發(fā)電是利用太陽(yáng)能光照使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，從而實(shí)現(xiàn)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程，即產(chǎn)生光生伏特的效果，俗稱“光伏發(fā)電”[3]。根據(jù)國(guó)家能源局公布的有關(guān)數(shù)據(jù)，截至2021年年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量已達(dá)到3.06億kW，位居全球首位。如圖2所示，為我國(guó)2016年至2021年光伏累計(jì)并網(wǎng)容量統(tǒng)計(jì)圖。

從圖2可以看出，隨著國(guó)家政策的大力支持，光伏并網(wǎng)容量持續(xù)提升。2020年同比增長(zhǎng)24%，2021年同比增長(zhǎng)20.1%，未來(lái)也必將有很大的發(fā)展趨勢(shì)[4]

在實(shí)際工作中，光伏發(fā)電按照并網(wǎng)電壓等級(jí)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(wǎng)電壓一般為35kV或者110kV，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的線路來(lái)輸送高壓電，如我國(guó)2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)，就是利用集中式光伏將張北地區(qū)的清潔能源輸送至北京電網(wǎng)，創(chuàng)造了“綠色東奧”。分布式光伏一般為380V，多用于某局部區(qū)域中的并網(wǎng)發(fā)電，其中最常見(jiàn)的就是安裝在平原地區(qū)居民房頂處的光伏。表1為集中式光伏與分布式光伏的對(duì)比。

表1 集中式光伏與分布式光伏對(duì)比

通過(guò)對(duì)比集中式光伏與分布式光伏可以看出，分布式光伏并網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)相對(duì)方便，投資相對(duì)較低，因此在現(xiàn)階段推廣分布式光伏發(fā)電也得到國(guó)家政策的大力支持。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整新能源標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)的通知》，針對(duì)分布式光伏發(fā)電按照發(fā)電量不同給予不同的電價(jià)補(bǔ)貼，光伏發(fā)電戶的發(fā)電量越多，其得到的相應(yīng)補(bǔ)貼也越多[5]。隨著國(guó)家對(duì)補(bǔ)貼政策的推出，分布式光伏得以迅速發(fā)展，越來(lái)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(fā)電設(shè)備。圖3為我國(guó)2016年至2021年分布式光伏累計(jì)并網(wǎng)容量統(tǒng)計(jì)圖。

從圖3可以看出，2021年分布式光伏累計(jì)并網(wǎng)容量已超1億kW，同比增長(zhǎng)37.56%。同時(shí)，結(jié)合圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，在所有并網(wǎng)的光伏中，分布式光伏并網(wǎng)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(fā)展趨勢(shì)持續(xù)向好。

3 現(xiàn)階段供電企業(yè)對(duì)分布式光伏的接納對(duì)策分析

3.1 現(xiàn)階段接納對(duì)策概況

供電企業(yè)作為一家國(guó)有大型服務(wù)企業(yè)，在國(guó)家政策的倡導(dǎo)和客戶報(bào)裝申請(qǐng)下，在實(shí)際工作中盡量滿足廣大電力客戶的合理需求，因此當(dāng)客戶在供電營(yíng)業(yè)廳申請(qǐng)安裝分布式光伏時(shí)，供電企業(yè)對(duì)客戶申請(qǐng)安裝的光伏先行受理接入，將其并網(wǎng)至就近的變壓器下。在供電企業(yè)中，以一個(gè)變壓器為單位，其所帶線路及所有用電戶、發(fā)電戶組成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)臺(tái)區(qū)。隨著某臺(tái)區(qū)下并網(wǎng)光伏的增多，部分光伏發(fā)電量因不能被該臺(tái)區(qū)中用電戶所及時(shí)消納而被傳輸至上一級(jí)電網(wǎng)中，在這過(guò)程中會(huì)增大電網(wǎng)損耗，此時(shí)供電企業(yè)再根據(jù)實(shí)際需要對(duì)該臺(tái)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造，通過(guò)增加變壓器容量或者分臺(tái)區(qū)分戶等方式來(lái)分擔(dān)光伏所發(fā)電量，從而減少光伏在向上一級(jí)電網(wǎng)傳輸電量過(guò)程中的損耗。供電企業(yè)這種對(duì)客戶申請(qǐng)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)在前、臺(tái)區(qū)改造在后的接納對(duì)策，在供電企業(yè)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(duì)策的流程示意圖。

供電企業(yè)通過(guò)對(duì)分布式光伏實(shí)行“先接入、后改造”的接納對(duì)策，既滿足客戶需求，響應(yīng)了國(guó)家倡導(dǎo)分布式光伏的號(hào)召，又在后續(xù)工作中結(jié)合實(shí)際，滿足電網(wǎng)自身發(fā)展要求。

3.2 現(xiàn)階段接納對(duì)策存在的問(wèn)題

近年來(lái)，隨著國(guó)家惠民政策的提出，工商業(yè)等行業(yè)電價(jià)多次下調(diào)，因此供電企業(yè)從一定的經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，加大了對(duì)網(wǎng)損的關(guān)注。隨著部分臺(tái)區(qū)中分布式光伏數(shù)量的增多，其對(duì)臺(tái)區(qū)損耗的影響也逐漸顯現(xiàn)。以山東省某供電企業(yè)2022年2月的臺(tái)區(qū)損耗為例，在其管轄的1760個(gè)臺(tái)區(qū)中，安裝有分布式光伏的臺(tái)區(qū)603個(gè)，光伏并網(wǎng)容量超過(guò)其負(fù)荷容量的臺(tái)區(qū)43個(gè)，其中有38個(gè)臺(tái)區(qū)線損率超過(guò)5%，在光伏容量未超用戶負(fù)荷容量的臺(tái)區(qū)中線損率大于5%的有2個(gè)，其余非光伏臺(tái)區(qū)中線損率大于5%的有4個(gè)。圖5為所有線損率大于5%的臺(tái)區(qū)分類占比圖。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在線損率大于5%的臺(tái)區(qū)中，其中光伏容量超過(guò)負(fù)荷容量的臺(tái)區(qū)最多，占所有臺(tái)區(qū)的86%，這說(shuō)明光伏發(fā)電與網(wǎng)損之間存在一定的聯(lián)系。同時(shí)，值得注意的是在2017年，未接入光伏或接入光伏尚不多時(shí)，此部分臺(tái)區(qū)的線損率普遍較低，這說(shuō)明隨著后來(lái)部分光伏的接入與發(fā)電，增加了電網(wǎng)損耗。

“先接入、后改造”的接納對(duì)策作為供電企業(yè)對(duì)國(guó)家倡導(dǎo)分布式光伏的積極響應(yīng)，只是供電企業(yè)在理想狀態(tài)下的工作方式。在實(shí)際工作中，由于后期臺(tái)區(qū)改造涉及資金多、工程廣，需要經(jīng)過(guò)企業(yè)立項(xiàng)與層層審批，因此臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)改造落地較慢，從改造計(jì)劃提報(bào)至改造完成往往需要至少一年的時(shí)間。在這期間當(dāng)客戶申請(qǐng)安裝光伏時(shí)，供電企業(yè)按照“先接入、后改造”的接納對(duì)策，接受客戶安裝申請(qǐng)，對(duì)其分布式光伏先行并網(wǎng)。這雖滿足了客戶需求，但是隨著并網(wǎng)光伏的增多，當(dāng)并網(wǎng)容量超過(guò)臺(tái)區(qū)用戶消納能力時(shí)，不能做到及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)改造完畢，在這期間使電網(wǎng)損耗越來(lái)越大，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在原本變壓器容量與用戶數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定的前提下，當(dāng)光伏接入不多時(shí)，對(duì)電網(wǎng)損耗不會(huì)產(chǎn)生不利影響，但是隨著光伏接入的增多，會(huì)使部分臺(tái)區(qū)網(wǎng)損持續(xù)偏高。供電企業(yè)現(xiàn)階段對(duì)于分布式光伏一律采取“先接入、后改造”的接納對(duì)策存在一定的盲目性，無(wú)形之中增大了部分臺(tái)區(qū)的電網(wǎng)損耗與運(yùn)行壓力，為以后的工作帶來(lái)一定的不便與安全隱患。因此，有必要對(duì)光伏并網(wǎng)后產(chǎn)生的損耗進(jìn)行分析，根據(jù)不同臺(tái)區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)分布式光伏并網(wǎng)提出具有針對(duì)性的接納對(duì)策，從而使所有臺(tái)區(qū)符合電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性要求。

4 光伏接入對(duì)電網(wǎng)損耗影響的分析

電網(wǎng)在正常輸送電能的過(guò)程中，其經(jīng)濟(jì)得失主要體現(xiàn)在電網(wǎng)損耗上。當(dāng)某臺(tái)區(qū)未并網(wǎng)光伏時(shí)，臺(tái)區(qū)用戶僅依靠變壓器對(duì)其進(jìn)行供電，此時(shí)該臺(tái)區(qū)內(nèi)的電網(wǎng)損耗為從變壓器處供入到臺(tái)區(qū)內(nèi)的電量與所有用戶處用電量的差值。圖6為某臺(tái)區(qū)未并網(wǎng)光伏時(shí)對(duì)用戶供電的示意圖，其中負(fù)荷L處所用電能均來(lái)自變壓器S。

對(duì)于電網(wǎng)而言，電網(wǎng)損耗為一定時(shí)間內(nèi)功率損失的多少，即電網(wǎng)損耗：

其中，R為電阻，U為電壓，P、Q分別為有功功率和無(wú)功功率。

設(shè)負(fù)荷L處的有功功率和無(wú)功功率分別為PL和QL，變壓器至負(fù)荷的電阻為RSL，則此時(shí)變壓器至負(fù)荷處的網(wǎng)損為：

當(dāng)該臺(tái)區(qū)下接入并網(wǎng)光伏后，光伏發(fā)電的電經(jīng)過(guò)逆變器進(jìn)入電網(wǎng)線路，此時(shí)除了原本變壓器外，所并網(wǎng)的光伏也成為臺(tái)區(qū)的供電來(lái)源，即供入到臺(tái)區(qū)的電量為變壓器處的供入電量與光伏發(fā)電量的和，此時(shí)的電網(wǎng)損耗由變壓器至光伏間的網(wǎng)損和光伏至負(fù)荷間的網(wǎng)損所組成。圖7為該臺(tái)區(qū)并網(wǎng)光伏后對(duì)用戶供電的示意圖，其中變壓器S和光伏G共同為負(fù)荷L提供電能。

設(shè)光伏G處的有功功率和無(wú)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(fù)荷處的電阻為RGL，此時(shí)電網(wǎng)損耗為：

當(dāng)并網(wǎng)光伏后，從變壓器至負(fù)荷途經(jīng)線路的總電阻為變壓器至光伏處的電阻與光伏處至負(fù)荷處的電阻之和，即RSG+RGL，其等于光伏未并網(wǎng)前的線路總電阻，即RSL=RSG+RGL。

所以，光伏并網(wǎng)后與光伏并網(wǎng)前的電網(wǎng)損耗差值：

通過(guò)以上分析可以看出，在用戶負(fù)荷一定的情況下，光伏并網(wǎng)前后的損耗差值取決于兩個(gè)變量值。一個(gè)是變壓器至光伏板之間的電阻，當(dāng)所用線路一定時(shí)，電阻的大小與兩者距離長(zhǎng)短有關(guān)，也可看作與光伏板與負(fù)荷的距離長(zhǎng)短有關(guān)。另一個(gè)是光伏板的功率，其與光伏板容量有關(guān)。所以宏觀表示的話，電網(wǎng)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(dāng)光伏板安裝容量小于兩倍的用戶負(fù)荷容量時(shí)，損耗差值小于0，即安裝光伏后的電網(wǎng)損耗小于安裝光伏前的損耗，說(shuō)明此時(shí)光伏可以起到減少電網(wǎng)損耗的作用，且光伏發(fā)電量基本可以實(shí)現(xiàn)就地消納。反之，當(dāng)光伏安裝容量大于兩倍的用戶負(fù)荷容量時(shí)，損耗差值大于0，即安裝光伏后的電網(wǎng)損耗大于安裝光伏前的損耗，說(shuō)明此時(shí)安裝的光伏會(huì)增加電網(wǎng)損耗，且光伏發(fā)的部分電量將通過(guò)線路傳輸?shù)缴弦患?jí)電網(wǎng)中，使電網(wǎng)存在的一定的經(jīng)濟(jì)損失。

其中，對(duì)于光伏板的容量小于兩倍的用戶負(fù)荷容量，即安裝光伏對(duì)降損有利時(shí)，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(yuǎn)而距離負(fù)荷越近時(shí)，光伏板至變壓器之間的電阻越大，對(duì)增大并網(wǎng)前后的網(wǎng)損差值越起到積極作用，說(shuō)明光伏發(fā)的電越容易被負(fù)荷所就地消納，此時(shí)網(wǎng)損越小。反之，當(dāng)光伏板距離變壓器越而距離負(fù)荷越遠(yuǎn)時(shí)，光伏板至變壓器之間的電阻越小，并網(wǎng)前后的網(wǎng)損差值越小，說(shuō)明光伏發(fā)的電大多進(jìn)入到上一級(jí)電網(wǎng)中，此時(shí)雖對(duì)網(wǎng)損有利但作用不大。

通過(guò)以上分析可以看出，光伏并網(wǎng)的容量與安裝位置都對(duì)電網(wǎng)損耗有著一定的影響，或可增大網(wǎng)損，或可減少網(wǎng)損，同時(shí)也因?yàn)榘惭b位置的不同對(duì)減少網(wǎng)損有著不同程度的影響。因此，在工作中應(yīng)按照臺(tái)區(qū)與光伏的實(shí)際情況，對(duì)分布式光伏入網(wǎng)采取針對(duì)性的接納措施，盡可能減少電網(wǎng)損耗，從而提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 基于網(wǎng)損影響的接納對(duì)策研究

根據(jù)上述的分析，可以發(fā)現(xiàn)分布式光伏與臺(tái)區(qū)損耗之間有著密切關(guān)系，因此應(yīng)按照光伏的并網(wǎng)容量與安裝位置，在不同情況下采用不同的接納對(duì)策。

客戶申請(qǐng)光伏并網(wǎng)時(shí)，應(yīng)首先預(yù)估并網(wǎng)后臺(tái)區(qū)內(nèi)總的光伏容量，并通過(guò)對(duì)比預(yù)估的臺(tái)區(qū)光伏容量與現(xiàn)有用戶負(fù)荷容量的大小來(lái)判斷其對(duì)網(wǎng)損的影響。根據(jù)前面的理論計(jì)算與分析，當(dāng)臺(tái)區(qū)內(nèi)總的光伏安裝容量小于兩倍的用戶負(fù)荷容量時(shí)，安裝光伏可以減少電網(wǎng)損耗，因此供電企業(yè)可以按照客戶的入網(wǎng)申請(qǐng)安裝光伏發(fā)電板。同時(shí)，為保證可以最大限度地減少網(wǎng)損，應(yīng)結(jié)合臺(tái)區(qū)與客戶的實(shí)際情況，將光伏盡量安裝在距離用戶負(fù)荷近的位置，遠(yuǎn)離線路末端，盡可能使光伏所發(fā)電量就近消納，從而減少光伏發(fā)電量在傳輸過(guò)程中的消耗，發(fā)揮光伏發(fā)電對(duì)減少電網(wǎng)損耗的最大優(yōu)勢(shì)。

若按照客戶的并網(wǎng)申請(qǐng)容量，會(huì)使臺(tái)區(qū)總的光伏安裝容量大于兩倍的用戶負(fù)荷容量時(shí)，此時(shí)安裝光伏將增大電網(wǎng)損耗，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此供電企業(yè)應(yīng)與客戶協(xié)商，重新規(guī)劃光伏并網(wǎng)情況，比如可以將客戶所申請(qǐng)光伏連接至附近的合理臺(tái)區(qū)進(jìn)行并網(wǎng)，同時(shí)利用預(yù)留資金，集中力量在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成對(duì)原臺(tái)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)改造，采用增大變壓器容量或通過(guò)對(duì)原臺(tái)區(qū)進(jìn)行分臺(tái)區(qū)分戶，來(lái)擴(kuò)大負(fù)荷容量，分擔(dān)光伏發(fā)電量，以此在符合電網(wǎng)自身穩(wěn)定運(yùn)行的條件下再進(jìn)行后續(xù)的光伏接入等相關(guān)工作。

在“雙碳”政策和國(guó)家對(duì)新型電力系統(tǒng)的大力倡導(dǎo)下，分布式光伏數(shù)量明顯增多，與此同時(shí)，供電企業(yè)“先接入、后改造”的接納對(duì)策在分布式光伏并網(wǎng)的過(guò)程中存在一定盲目性，增加了部分臺(tái)區(qū)的電網(wǎng)損耗，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患，不利于電網(wǎng)長(zhǎng)久運(yùn)行。本文通過(guò)探究分布式光伏并網(wǎng)后對(duì)網(wǎng)損的影響，發(fā)現(xiàn)光伏容量和安裝位置與網(wǎng)損之間都有著密切聯(lián)系，因此應(yīng)根據(jù)光伏接入與臺(tái)區(qū)實(shí)際情況，對(duì)分布式光伏并網(wǎng)采取針對(duì)性的接納對(duì)策，盡可能通過(guò)發(fā)揮光伏的最大優(yōu)勢(shì)來(lái)減少電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性，從而有利于電網(wǎng)的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行和助力“新型電力系統(tǒng)”的建設(shè)與應(yīng)用。