中國電力科學(xué)研究院新能源部門董瑋：光伏融入電力系統(tǒng)的路徑及技術(shù)分析

:現(xiàn)在在光伏多端口接入直流配電網(wǎng)當(dāng)中需要解決的幾個(gè)核心問題：第一，光伏中壓直流變換器高可靠性的變流，升壓比達(dá)到20倍以上；第二，由于端口的寬幅變化，不同電壓范圍下都要達(dá)到高效運(yùn)行，這是需要解決的拓補(bǔ)上和控制上的難題。這是中國電力科學(xué)研究院新能源部門董瑋在第一屆北極星“光伏+”研討會(huì)上作了精彩分享，一起光伏APP將對(duì)大會(huì)進(jìn)行全程直播。如需了解更多會(huì)議直播，請(qǐng)聯(lián)系微信號(hào)：13693626116

中國電力科學(xué)研究院新能源部門董瑋主題分享《光伏融入電力系統(tǒng)的路徑及技術(shù)分析》

董瑋：各位同行，專家，大家好！張軍軍主任因?yàn)榕R時(shí)有會(huì)，委托我給大家匯報(bào)一下最近科研方面和光伏行業(yè)方面的工作。

結(jié)合中國電科院以及國家能源太陽能發(fā)電研究（實(shí)驗(yàn)）中心，我們承擔(dān)兩個(gè)工作，一個(gè)是關(guān)于光伏發(fā)電技術(shù)研究以及光伏示范工程建設(shè)，包括現(xiàn)在像領(lǐng)跑者基地小微實(shí)證項(xiàng)目。另外一方面，承擔(dān)對(duì)行業(yè)的并網(wǎng)產(chǎn)品的并網(wǎng)測試工作，包括像華為、陽光，逆變器廠家應(yīng)該跟我們的實(shí)驗(yàn)室都有過較多的接觸。以及分布式光伏、集中型電站并網(wǎng)測試，我們也是積極為行業(yè)提供第三方檢測服務(wù)。

本來這個(gè)話題是放在上午最后一個(gè)來講，“從直流發(fā)電到直流送電”，這是結(jié)合今年承擔(dān)的一個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃所做的一個(gè)關(guān)于直流配電方面的一個(gè)前瞻性研究，是屬于未來領(lǐng)域的，現(xiàn)在不妨放在第一個(gè)講給大家先做做腦力操。

總共分四個(gè)方面：

第一方面，關(guān)于光伏接入直流配電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀。

這是2007年—2017年國家分布式光伏裝機(jī)容量的現(xiàn)狀。2017年的時(shí)候，分布式光伏新增裝機(jī)容量達(dá)到19.44GW，2017年累計(jì)的裝機(jī)容量達(dá)到了29.66GW，累計(jì)裝機(jī)容量在整個(gè)光伏裝機(jī)容量中達(dá)到22%。，相對(duì)于歐美國家以分布式光伏發(fā)電為主，相對(duì)不高。但我們把時(shí)間軸往前一年、再往后一年展開，明顯看出，2016年這個(gè)數(shù)值，新增裝機(jī)分布式占10%，2017年是29%，2010年1—9月分布式裝機(jī)12.24GW，已經(jīng)和集中式裝機(jī)容量基本持平。鑒于當(dāng)前光伏的發(fā)電格局東西并舉，分布式光伏趨勢進(jìn)一步看好。

隨著高比例的分布式接入以后面對(duì)的挑戰(zhàn)，第一，運(yùn)行控制問題、安全的問題，安全質(zhì)量再說，第二，交流電傳輸容量問題，第三個(gè)問題，由于容量導(dǎo)致的電壓偏高電能質(zhì)量問題，是沒辦法通過技術(shù)路徑解決的，只有通過投錢加硬件改線路。

第一，輻照波動(dòng)性、隨機(jī)性、運(yùn)行控制問題突出。這個(gè)問題老生常談，但是集中型中不是太突出，一個(gè)是送端電網(wǎng)，電力比較強(qiáng)、電壓等級(jí)高，帶來的是電力運(yùn)行的問題，分布式當(dāng)中這個(gè)問題太突出，第一，不能限它電，第二，它接近負(fù)荷，第三，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較輸電網(wǎng)弱。功率波動(dòng)完全體現(xiàn)在電網(wǎng)的電壓波動(dòng)上，會(huì)給用戶用電帶來很大的問題。另外，分布式光伏容量較小，不像集中型電站一個(gè)電站可以做到1GW，現(xiàn)在可能一定區(qū)域內(nèi)幾十幾百個(gè)電站，對(duì)于傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度來巨大的挑戰(zhàn)。

第二，孤島運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。這個(gè)在集中式電網(wǎng)也不存在，為什么呢？因?yàn)橛胸?fù)荷，跟負(fù)荷達(dá)到平衡以后會(huì)形成孤島，這個(gè)孤島并不是出現(xiàn)在教科書上，在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生過，大家用電的人并不知道我已經(jīng)發(fā)生孤島了，只是覺得電能質(zhì)量變差了，覺得我還在用電怎么電壓突然不穩(wěn)，如果人不知道，這個(gè)時(shí)候去檢修就會(huì)發(fā)生人身安全的問題。

第三，由于我們采用的是光伏逆變器這種高頻的電力電子設(shè)備，這樣造成了諧波的注入。像第一個(gè)問題一樣，由于更接近負(fù)荷，諧波注入以后是直接影響用戶電器使用的，這可能會(huì)造成用戶家里的電器燒壞，這個(gè)問題以前也存在，但可以通過集中的方式來處理，但是這個(gè)在分布式電網(wǎng)中由于數(shù)量眾多，難以統(tǒng)一治理。這個(gè)問題矛盾是直接引起了你和用戶之間的矛盾，并且要從技術(shù)路徑上加以解決的。

其他電能質(zhì)量問題現(xiàn)在大家看到最明顯的，第一個(gè)電壓越限，根據(jù)今年在某個(gè)項(xiàng)目做的統(tǒng)計(jì)，在中部的農(nóng)村示范電站，臺(tái)區(qū)的日夜電壓偏差范圍達(dá)到30%以上，日間的時(shí)候電壓往上超過上限，晚上的時(shí)候電壓又不夠，這個(gè)就是由于功率的倒送引起的。第二個(gè)諧波的注入，是在浙江的一些示范工程當(dāng)中，由于它那個(gè)光伏逆變器跟本地的負(fù)荷，這個(gè)地方澄清一下，不單單是光伏逆變器本身的諧波注入問題，其實(shí)是涉及到逆變器諧波和負(fù)荷之間諧波交互影響問題，不是說某一方面我就給電網(wǎng)造成了污染，其實(shí)通過后面的研究也發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

第四，并網(wǎng)的系統(tǒng)效率損失問題。之前我們通過預(yù)測，通過集中運(yùn)維，可以帶來一些集中型建站效率的提高。在分布式運(yùn)維當(dāng)中，我們可能最集中體現(xiàn)的就是交流線損，因?yàn)橥ǔＳ玫氖且延械木€路，沒有資本對(duì)它進(jìn)行改造，這塊應(yīng)該是我們分布式效率損失比較大的一塊。

第五，傳統(tǒng)交流供電線路傳輸容量不足。其實(shí)就是硬件投資的問題了，交流線路本身就是投資成本很大，電網(wǎng)也需要更多的參與，包括現(xiàn)在國家鼓勵(lì)增量配電網(wǎng)是國家的政策。我們從科研角度來說，在10千伏、35千伏電壓等級(jí)是不是有其他路徑可以選？理論上是存在的，直流配電。直流配電為什么說它可以在相同的建造經(jīng)費(fèi)及占用走廊寬度的同時(shí)可以增大傳送容量呢？因?yàn)楦鶕?jù)理論計(jì)算，他是交流線路的1.5倍。當(dāng)然直流涉及到前端、后端的設(shè)備，這個(gè)經(jīng)濟(jì)性我們后面再討論，就是理論上直流線路是可以提高傳輸容量的。

下面回到今天主要跟大家分享的一個(gè)環(huán)節(jié)，就是直流配電。

直流配電的特點(diǎn)是：第一，系統(tǒng)穩(wěn)，沒有頻率穩(wěn)定問題、沒有諧波、沒有電能質(zhì)量問題，也沒有無功的問題。第二，效率高，由于光伏大家都知道是天然的直流源，現(xiàn)在我們先把直流變成了交流，然后交流又升壓，到了用戶側(cè)又降壓，包括又整成直流，包括我們用的電動(dòng)車、空調(diào)、電冰箱都是直流，這個(gè)不免帶來一個(gè)效率上的損失，如果可以分布式光伏直接上直流，再從直流到給用戶側(cè)用的話，這樣會(huì)減少兩個(gè)環(huán)節(jié)。第三，更靈活。更靈活的意思是，相比于交流系統(tǒng)，直流線路之間連接更加簡單，因?yàn)橹恍枰妷浩ヅ渚涂梢?，這樣的話你就可以做到若干不同電網(wǎng)給它連接起來，提高可靠性，包括現(xiàn)在我們?cè)陔娋W(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的一些交流所謂的柔性互聯(lián)，就是通過直流把兩個(gè)交流給合并到一起，這樣會(huì)減少交流之間由于相位差帶來的環(huán)流問題。

下面三個(gè)點(diǎn)支撐了直流配電未來的趨勢：第一，越來越多的分布式電源，2020分布式發(fā)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量將會(huì)達(dá)到9%。第二，越來越多的直流負(fù)荷，當(dāng)前系統(tǒng)中直流負(fù)荷達(dá)到20%，，例如電動(dòng)汽車、電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心都是用的直流。第三，直流自身的技術(shù)優(yōu)勢。

現(xiàn)在學(xué)術(shù)界廣泛討論的三種類型：環(huán)狀、放射和兩端配電。他們有各自的應(yīng)用場景，環(huán)狀是應(yīng)用可靠性比較高，輻射狀就是現(xiàn)在我們做研究的時(shí)候經(jīng)常會(huì)，包括以后在我們國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張北基地建的放射狀結(jié)構(gòu)，第三兩端配電，現(xiàn)在在很多電網(wǎng)中已經(jīng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，叫柔性互聯(lián)，就是把兩個(gè)不同等級(jí)的交流配電王，35千伏的連到一起，傳統(tǒng)的方式可能一合起來會(huì)有，專家可能了解電磁合環(huán)，通過直流互聯(lián)就沒有這個(gè)問題。

這個(gè)我們對(duì)國內(nèi)外柔性直流輸電、配電項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，但是這個(gè)里面可能很多還有一些較高電壓等級(jí)的直流輸技術(shù)，但未來可能這些技術(shù)也要下放到直流配電上面去，所以我們也把它統(tǒng)計(jì)進(jìn)來了?？梢钥吹剑?997年以來直流配電是一直在開展的。

對(duì)比一下國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國外是在小功率的直流變換，不像光伏，光伏直流側(cè)因?yàn)樯婕暗酱蠓秶碾妷翰▌?dòng)問題，給它升到穩(wěn)定的電壓，國外研究是直流變換，就是穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，他是研究比較多的。直流控保、直流控電電壓比較多。下面是一個(gè)對(duì)比，特高壓直流升電是比較成熟的，面對(duì)復(fù)雜的直流配電網(wǎng)絡(luò)還沒有開展，包括現(xiàn)在針對(duì)直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)序列只定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括以后針對(duì)一系列的設(shè)備接入都應(yīng)該有一系列的并網(wǎng)準(zhǔn)則。

未來的配電場景：第一，居民低壓直流供電；第二，城市直流配電網(wǎng)改造；第三，放射狀的，這個(gè)場景下在座的工業(yè)界朋友最了解，第一，負(fù)荷的功率大、沖擊比較大，在交流電網(wǎng)中可能我要配什么SVG、SPF來改善這些電能質(zhì)量，可以提高整個(gè)工業(yè)園區(qū)的電能質(zhì)量，包括DC/AC，可以提高工廠光伏的發(fā)電量，包括電壓在不同時(shí)間下的穩(wěn)定。

這個(gè)就是剛才提到的現(xiàn)在已經(jīng)出來的中低壓直流配電電壓導(dǎo)則。

綜上所述，現(xiàn)在在光伏多端口接入直流配電網(wǎng)當(dāng)中需要解決的幾個(gè)核心問題：第一，光伏中壓直流變換器高可靠性的變流，高升壓比達(dá)到20倍以上。第二，由于端口的寬幅變化，不同電壓范圍下都要達(dá)到高效，這是需要解決的拓補(bǔ)上和控制上的難題。

第三，跟我們做工程切實(shí)相關(guān)的，那就是既然要建這個(gè)配電網(wǎng)，規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)分析上都有配套的一套理論體系，現(xiàn)在只有電壓等級(jí)，直流電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法、估算依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方面都沒有配套標(biāo)準(zhǔn)。

第四，電網(wǎng)可能用戶更關(guān)心的。大家都知道，現(xiàn)在國家特高壓直流是國家的一張名片和光伏一樣，現(xiàn)在在這個(gè)方面的保護(hù)已經(jīng)很成熟了，但是，其實(shí)特高壓直流的問題更聚焦于大電流高電壓等級(jí)，它面對(duì)的故障工況可能沒有配電網(wǎng)多，現(xiàn)在你在應(yīng)用直流配電網(wǎng)以后要考慮更多的故障類型，包括斷線，包括短路，包括可能用戶的沖擊，都會(huì)對(duì)你的故障保護(hù)產(chǎn)生影響，他其實(shí)是一個(gè)更復(fù)雜的環(huán)境，跟前面解決的問題不太一樣。

剛才還有幾位朋友問國家太陽能研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，我們是歸中科院下屬的新能源研究中心為依托共建的實(shí)驗(yàn)室，中國電力科學(xué)研究院1951年建立，是國家電網(wǎng)公司的直屬單位，主要從事科再生能源、智能電網(wǎng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)、大電網(wǎng)安全穩(wěn)定與控制、微電網(wǎng)、新材料，是我國最早從事大規(guī)模可再生能源發(fā)電的研究與檢測機(jī)構(gòu)。第二張圖是我們的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在張北，是風(fēng)電檢測中心。光伏檢測中心在南京，有一個(gè)并網(wǎng)的檢測實(shí)驗(yàn)室。第三是我們?cè)谖鞑氐奶馗邏褐绷鞯膶?shí)驗(yàn)基地。

我所在的部門就是國家能源太陽能研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心是2009年成立的，中心同時(shí)還是光伏發(fā)電裝備評(píng)定中心，這是我們其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的照片，實(shí)驗(yàn)室在檢測這方面依托中國電科院的CNAS、CMA資質(zhì)，覆蓋了72個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn)、872個(gè)測試子項(xiàng)。

謝謝各位！

（發(fā)言為一起光伏APP根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核）