張珍珍，呂清泉，張健美

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730070)

0 引言

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”為主，且以在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施[1]。由于分布式光伏發(fā)電具有靠近用戶側(cè)、位置分散等優(yōu)勢，能夠有效解決中國能源資源與負荷需求分布不一致的問題，為新能源開發(fā)與利用提供良好發(fā)展途徑，是中國新能源發(fā)展的重點方向之一。

本文對國內(nèi)外分布式光伏發(fā)電的發(fā)展歷程進行回顧，分別從輸出功率特性建模和并網(wǎng)運行角度對分布式光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，在此基礎(chǔ)上對其未來的關(guān)鍵技術(shù)及研究方向進行展望，并對碳達峰和碳中和目標(即“雙碳”目標)下中國分布式光伏發(fā)電未來的發(fā)展提出幾點建議。

1 分布式光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程回顧

國外分布式光伏發(fā)電起步較早，早在1997年美國就提出了“百萬太陽能屋頂”工程，計劃到2020年在100萬個屋頂上建設(shè)分布式光伏電站。此外，由于早期光伏發(fā)電的平準化度電成本較高，發(fā)達國家為推進分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，提出了各種投資補貼政策。德國作為全球推廣分布式光伏發(fā)電最成功的國家之一，于2004年提出了對光伏發(fā)電企業(yè)采取由政府補貼70%成本費用的政策。新加坡也是大力鼓勵光伏發(fā)電企業(yè)的發(fā)展，于2011年提出了不僅由政府補貼50%的企業(yè)研發(fā)資金，更對進入該國內(nèi)的光伏發(fā)電企業(yè)免10年稅收的利好政策。

中國分布式光伏發(fā)電的技術(shù)應(yīng)用較晚，從2002年啟動的“送電到鄉(xiāng)工程”開始，一直到2006年，中國分布式光伏發(fā)電一直處于初期試點階段。從2007年開始，中國分布式光伏行業(yè)逐漸進入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段：2008年啟動了“金太陽示范工程”與“光電建筑應(yīng)用示范工程”，2009～2012年，中國共組織了4期“金太陽示范工程”及“光電建筑應(yīng)用示范工程”的項目招標，總裝機容量達到6.6 GW，極大推動了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展；2013年，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)文，明確要求對實行“自發(fā)自用”模式的分布式光伏發(fā)電按照發(fā)電量提供補貼，補貼標準為0.42元/kWh，此外，各級地方政府也積極出臺了與額外補貼相關(guān)的政策，由此促進了分布式光伏發(fā)電的進一步發(fā)展。2016～2020年，中國分布式光伏發(fā)電進入快速發(fā)展階段，其累計裝機容量占光伏發(fā)電累計裝機容量的比重從13.33%增長至31.57%。2016～2020年中國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量占光伏發(fā)電累計裝機容量的比例如圖1所示。

圖1 2016～2020年中國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量占光伏發(fā)電累計裝機容量的比例Fig. 1 Proportion of China’s cumulative installed capacity of distributed PV power generation in the cumulative installed capacity of PV power generation from 2016 to 2020

2020年中國光伏發(fā)電新增裝機容量為48.2 GW，其中分布式光伏發(fā)電新增裝機容量為15.52 GW，占比高達32.2%，分布式光伏發(fā)電已成為光伏行業(yè)的發(fā)展重點。

1.2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。受太陽輻照的影響，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率輸出時的平滑可控性較差，主要表現(xiàn)為白天發(fā)電、晚上停發(fā)，在晚上負荷高峰時無法提供電量；同時云彩的遮擋會導(dǎo)致光伏組件輸出功率的急劇下降，秒級最大降幅可達50%以上。因此，分布式光伏發(fā)電具有間歇性、波動性及隨機性的特點。

圖2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram of distributed PV power generation system

目前，針對分布式光伏發(fā)電輸出功率特性建模有兩種常用方法。一種方法是不考慮時序特性，建立輸出功率的概率分布模型，例如基于貝塔概率密度函數(shù)的輸出功率模型，此類模型無法給出輸出功率隨時間變化的特性，一般適用于基于能量平衡的規(guī)劃研究，無法用于潮流分布、損耗和電壓等確定性的計算分析。另一種方法是反映輸出功率隨時間變化的時序功率模型，可以結(jié)合配電網(wǎng)網(wǎng)架及負荷情況，開展潮流計算，得出較為詳細的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)時對電網(wǎng)損耗、電網(wǎng)電壓等方面產(chǎn)生的影響，該方法精確度較高，但獲取光伏發(fā)電現(xiàn)場小時級歷史氣象信息的難度較大。

在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)運行方面，配電網(wǎng)大多為簡單的單電源輻射狀供電模式，接入分布式光伏發(fā)電后，供電網(wǎng)絡(luò)將由單電源變成雙電源甚至多電源，由此引起饋線潮流的方向和大小發(fā)生改變。此外，由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括大量的電力電子元件，會對電網(wǎng)造成一定的諧波污染，嚴重時會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過對接入配電網(wǎng)的分布式光伏電力進行合理規(guī)劃，可有效改善配電網(wǎng)電壓、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高供電可靠性?，F(xiàn)有文獻對如何改善分布式光伏發(fā)電接入對電網(wǎng)的影響做了大量研究。文獻[2]提出了考慮配電網(wǎng)信息系統(tǒng)可靠性的分布式光伏發(fā)電優(yōu)化配置方法，結(jié)果表明：在輻射狀配電網(wǎng)中，分布式光伏發(fā)電應(yīng)配置較高的裝機容量，并安裝于配電網(wǎng)信息系統(tǒng)可靠性較高且靠近變電站的節(jié)點處。文獻[3]以改善電壓質(zhì)量和電網(wǎng)損耗為考量因素，以綜合費用最小為目標建立了分布式光伏發(fā)電優(yōu)化規(guī)劃模型，結(jié)果表明：分布式光伏發(fā)電接入農(nóng)村配電網(wǎng)能有效改善電網(wǎng)損耗高和電壓質(zhì)量低的問題。

2 分布式光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及研究方向展望

2.1 分布式光伏電站實時全景監(jiān)測及故障預(yù)警技術(shù)

分布式光伏電站一般規(guī)模較小、分布廣、數(shù)量多，而且電站之間又相對獨立。目前大多數(shù)分布式光伏電站主要運行參數(shù)(有功功率、無功功率、功率因數(shù)等)的監(jiān)測及地調(diào)調(diào)度優(yōu)化處于“盲區(qū)”，省調(diào)地調(diào)無法實時掌握運行狀況，隨著分布式光伏發(fā)電接入量的日益增大，給區(qū)域配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了非常大的隱患。此外，部分分布式光伏電站因建成投入使用后處于缺乏專業(yè)人員監(jiān)管的狀態(tài)，面臨脫網(wǎng)頻發(fā)、逆變器故障等運維難題，給電站的運維管理帶來嚴峻挑戰(zhàn)，導(dǎo)致發(fā)電量大幅下降，影響光伏發(fā)電用戶的發(fā)電效益。因此，為了給分布式光伏發(fā)電用戶提供運維指導(dǎo)和故障預(yù)警，給調(diào)度提供監(jiān)測手段，如何基于電站運行數(shù)據(jù)和資源監(jiān)測數(shù)據(jù)開展分布式光伏電站實時全景監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局，并實現(xiàn)在線故障診斷及預(yù)警將成為未來研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 分布式光伏電站-站群發(fā)電能力評估技術(shù)

準確對分布式光伏電站-站群進行發(fā)電能力評估有助于電網(wǎng)調(diào)度，能夠顯著提高光伏發(fā)電利用率，提升電站發(fā)電效益?，F(xiàn)階段，由于分布式光伏電站位置分散、裝機容量小，大多數(shù)電站未配置相應(yīng)的運行監(jiān)控系統(tǒng)和測光站，不具備數(shù)值天氣預(yù)報功能，無法通過太陽輻照信息、氣象數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等直接進行發(fā)電能力評估。此外，分布式光伏電站發(fā)電量和系統(tǒng)效率的影響因素較多，例如氣候、光伏組件、逆變器等因素的影響較大，增加了發(fā)電能力評估的不確定性和難度，分布式光伏電站發(fā)電能力預(yù)測處于未知狀態(tài)，無相應(yīng)的最大功率點跟蹤(MPPT)優(yōu)化調(diào)節(jié)，有功功率輸出普遍較低，與區(qū)域負荷匹配性能較低，且無法參與區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度運行優(yōu)化。因此，如何基于相關(guān)性分析，提出分布式光伏電站-站群短期、超短期發(fā)電能力評估方法和中長期發(fā)電量評估方法，并在此基礎(chǔ)上建立分布式光伏電站-站群運行優(yōu)化模型，提供分布式光伏電站逆變器有功無功優(yōu)化控制策略，提升分布式光伏電站-站群發(fā)電能力將成為未來研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 高比例分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的優(yōu)化運行控制技術(shù)

高比例分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可能引起潮流倒送及電壓越限問題，且當前分布式光伏電站無功功率調(diào)節(jié)能力不足，會出現(xiàn)因天氣突變而導(dǎo)致輸出功率大幅波動時的較大無功功率缺額，影響并網(wǎng)點及電網(wǎng)電壓水平和供電質(zhì)量。隨著分布式光伏發(fā)電的快速接入，未來的配電網(wǎng)必須要滿足對分布式光伏發(fā)電的高度兼容性，需研究的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個方面：1)如何結(jié)合主動配電網(wǎng)，對大量接入的分布式光伏發(fā)電進行主動管理，實現(xiàn)長時間尺度下的全局優(yōu)化控制和短時間尺度下的區(qū)域自治控制；2)如何基于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)點電壓優(yōu)化，開展多時間尺度下的配電網(wǎng)有功-無功聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。

2.4 友好型分布式光伏發(fā)電綜合評價機制

分布式光伏發(fā)電作為未來新能源發(fā)展的重要方向，在能源轉(zhuǎn)型過程中，必須要考慮與電力系統(tǒng)、其他能源類型、生態(tài)環(huán)境及用戶等各個方面的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，從粗放式發(fā)展過渡到精細化發(fā)展，實現(xiàn)分布式光伏電站全生命周期友好性建設(shè)，推動能源低碳發(fā)展，帶動鄉(xiāng)村振興。因此，未來可重點進行友好型分布式光伏發(fā)電綜合評價機制研究，考慮分布式光伏電站運行參數(shù)及并網(wǎng)要求，基于電站可監(jiān)測、可預(yù)測、可控制等目標，建立友好型分布式光伏發(fā)電綜合評價指標體系，研究計及電站-站群最優(yōu)發(fā)電能力和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的分布式光伏發(fā)電友好性提升策略。

2.5 計及儲能的分布式光伏發(fā)電運行模式

分布式光伏發(fā)電具有間歇性、強波動性和隨機性，大規(guī)模分布式光伏發(fā)電的發(fā)展和并網(wǎng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行遭受嚴重威脅。而儲能具備良好的調(diào)峰調(diào)頻能力，將其應(yīng)用于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，可實現(xiàn)輸出功率波動平抑、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)、電能質(zhì)量改善、應(yīng)急備用和無功功率補償?shù)裙δ堋Ｒ虼?，給分布式光伏電站配置儲能，可有效實現(xiàn)削峰填谷，降低高峰負荷壓力，提高新能源利用率。未來，可積極推進分布式光伏發(fā)電用戶側(cè)配置儲能的發(fā)展模式。此外，隨著儲能技術(shù)成本的不斷下降，用戶側(cè)利用儲能進行調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性已在很多情形下優(yōu)于供應(yīng)側(cè)，且優(yōu)勢將越來越明顯[4]。因此，對計及儲能的分布式光伏發(fā)電運行模式開展研究很有必要，可分別在平抑光伏發(fā)電輸出功率波動條件下和參與站外優(yōu)化調(diào)度條件下開展“分布式光伏發(fā)電+儲能”模式的儲能選型及最優(yōu)配置容量的研究，并基于最優(yōu)發(fā)電能力，研究“分布式光伏發(fā)電+儲能”友好電源的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，開展“分布式光伏發(fā)電+儲能”電源友好性分析。

2.6 區(qū)域電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化運行技術(shù)

隨著“雙碳”目標及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，分布式光伏發(fā)電必將大規(guī)模接入配電網(wǎng)。然而，相比于傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，分布式光伏發(fā)電具有的間歇性、隨機性、難以準確預(yù)測等特點使其接入的區(qū)域電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度發(fā)電場景的不確定性更明顯，給協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模型的建立增加了難度。因此，未來可從規(guī)模化分布式光伏發(fā)電接入的區(qū)域電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模式方面開展進一步研究，考慮分布式光伏發(fā)電多目標場景，開展計及出力置信度的分布式光伏電源負荷平衡能力分析，研究區(qū)域電網(wǎng)日前-日內(nèi)雙層調(diào)度運行優(yōu)化策略，研究考慮源荷互動的區(qū)域電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化運行方法，提出規(guī)?；植际焦夥l(fā)電接入的區(qū)域電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制策略。

3 中國分布式光伏發(fā)電未來發(fā)展的建議

在“雙碳”目標指引下，分布式光伏發(fā)電將成為推動能源轉(zhuǎn)型的重要抓手。2021年以來，國家層面、地方層面和行業(yè)層面均針對分布式光伏發(fā)電的發(fā)展先后出臺了一系列支持政策。比如，2021年5月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等15個部門發(fā)布《關(guān)于加強縣城綠色低碳建設(shè)的意見》(建村[2021]45號)，要求推廣分布式光伏發(fā)電，提升屋頂光伏發(fā)電比例和實施光伏建筑一體化開發(fā)；同年7月，國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，指出要推行分布式能源及“光伏+儲能”一體化系統(tǒng)應(yīng)用。在政策支持持續(xù)加強、國內(nèi)市場不斷啟動的情況下，中國分布式光伏發(fā)電將在“十四五”期間步入新一輪產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展階段。根據(jù)前文總結(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)研究方向，對中國分布式光伏發(fā)電未來發(fā)展提出幾點建議：

1)從大規(guī)?；_發(fā)利用角度，目前中國集中式光伏電站主要集中在西部地區(qū)，但由于分布過于集中，電網(wǎng)消納是長期挑戰(zhàn)。而分布式光伏電站主要分布在中、東部地區(qū)，用電需求大，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式時，電力基本可全部消納，不易出現(xiàn)“棄光”現(xiàn)象。因此，可選擇主要在中、東部太陽能資源豐富的地區(qū)大規(guī)模開發(fā)建設(shè)分布式光伏電站。“十四五”時期，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展模式已由原來的單個項目開發(fā)模式，變成多種開發(fā)模式，例如2021年推出的整縣規(guī)模化開發(fā)，投資企業(yè)建議由原來的以民營企業(yè)為主變?yōu)橐匝肫?、國企為主?/p>

2)從價格機制角度，2021年6月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項的通知》(發(fā)改價格[2021]833號)，要求新備案的工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目實現(xiàn)平價上網(wǎng)。因此，需要在國家層面繼續(xù)完善分布式光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策的基礎(chǔ)上，積極推動各地區(qū)制定與當?shù)毓庹召Y源稟賦和能源發(fā)展需求相適宜的針對性扶持政策，加大分布式光伏發(fā)電收益，吸引各方主體投資，支持分布式光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

3)從鄉(xiāng)村振興角度，大力發(fā)展分布式光伏發(fā)電不僅能促進農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，更有利于農(nóng)村地區(qū)用能轉(zhuǎn)型，因此“十四五”期間，靠近電力負荷側(cè)的分布式光伏發(fā)電將成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。未來，可進一步通過開展村級光伏扶貧電站、屋頂分布式光伏發(fā)電、“分布式光伏發(fā)電+農(nóng)業(yè)”、“分布式光伏發(fā)電+種植業(yè)”等多種形式的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用，充分調(diào)動農(nóng)村資源，提高農(nóng)民經(jīng)濟收益，優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對國內(nèi)外分布式光伏發(fā)電的發(fā)展歷程進行了回顧，對分布式光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，在此基礎(chǔ)上對其未來的關(guān)鍵技術(shù)及研究方向進行了展望，并對碳達峰和碳中和目標下中國分布式光伏發(fā)電未來發(fā)展提出幾點建議?？傮w而言，國內(nèi)外已開展了分布式光伏發(fā)電技術(shù)的大量研究和應(yīng)用，在工程應(yīng)用等方面日趨成熟，在并網(wǎng)運行和優(yōu)化配置等方面不斷探索。近年來，分布式光伏發(fā)電成為光伏行業(yè)的發(fā)展重點，得到國家和地方政府的大力支持，而“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略和碳達峰、碳中和目標的提出，更是給分布式光伏發(fā)電帶來了廣闊的發(fā)展前景和機遇。隨著分布式光伏電站的大規(guī)模接入，其發(fā)電能力評估、運行控制、調(diào)度策略、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)優(yōu)化運行等技術(shù)將成為專家學者研究的重點，對于新能源的發(fā)展和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重要意義。