一、前言

本人自1982年開始從事光伏發(fā)電系統(tǒng)工程和相關(guān)電子產(chǎn)品開發(fā)，至今已經(jīng)38年。作為一名光伏領(lǐng)域的老兵，一直以來(lái)很想就光伏發(fā)電消納問(wèn)題發(fā)表一些個(gè)人看法。自2021年始，光伏發(fā)電將走入平價(jià)時(shí)代，成本將不再成為規(guī)�；�發(fā)展的主要障礙，而電網(wǎng)消納或?qū)⒊蔀樽钪饕�的制約因素。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：只要統(tǒng)一思想，統(tǒng)一行動(dòng)，在高比例可再生能源情景下，2050實(shí)現(xiàn)光伏總裝機(jī)20億千瓦，2021-2050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，僅供討論。

二、光伏發(fā)電消納問(wèn)題的探討

討論光伏發(fā)電的消納問(wèn)題，也就是光伏發(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。

2.1 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)：

2.1.1 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公里的輸電線路和修建從石勒蘇益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)[1]。德國(guó)政府和電網(wǎng)專家認(rèn)為，解決德國(guó)境內(nèi)解決高比例、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。

曾經(jīng)在討論國(guó)家“十四五”電力規(guī)劃時(shí)碰到一位專家，固執(zhí)地認(rèn)為：“光伏發(fā)電的比例一定高不了，因?yàn)槿绻�連續(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，甚至沒有啟動(dòng)備用電源，就安全度過(guò)了日全食。

IEA PVPS（國(guó)際能源署光伏發(fā)電委員會(huì)）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。

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。

2.1.2 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)。現(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：

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。

2.1.3 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�！暗聡�(guó)能源轉(zhuǎn)型的12個(gè)見解”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，當(dāng)前沒有任何經(jīng)濟(jì)性。因此，在電網(wǎng)側(cè)建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)能用于平衡高比例、波動(dòng)性可再生能源電力在10年之內(nèi)都是不可行的。

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)。

2.1.4 只要政策放開，光伏電站就有市場(chǎng)

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/kWh（圖2）。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/kWh（見表2），西部省區(qū)普遍低于0.35元/kWh。也就是說(shuō)，進(jìn)入平價(jià)、取消補(bǔ)貼后，集中式光伏電站的贏利空間非常有限。但如果能夠在政策上放開，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。如果光伏-逆變器容配比為1.2：1.0， 意味著電站直流側(cè)光伏功率比逆變器功率擴(kuò)裝20%，電站的等效利用小時(shí)數(shù)將從容配比1.0：1.0的1500小時(shí)提高到1800，發(fā)電量提高20%，而增加的投入僅僅是直流側(cè)的光伏組件，發(fā)電成本大幅度下降。圖2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/kWh，與脫硫電價(jià)相比較，具有相當(dāng)大的盈利空間。對(duì)于光伏-逆變器容配比的詳細(xì)分析可以參閱我的另一篇論文。美國(guó)一類資源區(qū)光伏電站的容配比通常在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。

放開光伏-逆變器的容配比，光伏電站在一類資源區(qū)全年至少可以滿發(fā)1800小時(shí)，甚至超過(guò)2000小時(shí)。然而，國(guó)家發(fā)改委和能源局發(fā)文規(guī)定一類資源區(qū)光伏電站的“保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)”僅為1500小時(shí)，“保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)”的規(guī)定無(wú)疑阻礙了技術(shù)創(chuàng)新，強(qiáng)行封堵了光伏進(jìn)一步降低成本的通路。當(dāng)然，提出保障性收購(gòu)小時(shí)數(shù)是為了避免更嚴(yán)重的棄光，本意是好的，但也成為阻礙光伏進(jìn)一步降低成本的絆腳石。這其實(shí)也是中國(guó)特色，國(guó)際上都是優(yōu)先全額收購(gòu)光伏電量。

只要放開光伏-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)電成本就有望下降到0.2元/kWh以下，沒有補(bǔ)貼情況下也將會(huì)有很大的市場(chǎng)。

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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，在應(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)維等等�？梢灶A(yù)見，光伏發(fā)電的成本在10年內(nèi)有望下降到0.1元/kWh（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/kWh，國(guó)際上最低是1.65美分/kWh，相當(dāng)于0.10元人民幣）。超低的光伏電價(jià)必將有力推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這是我們翹首以待的明天。

2.1.5 當(dāng)前的問(wèn)題

2.1.5.1 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，將來(lái)是否可以考慮地下通道？②通道的利用率太低，據(jù)報(bào)道[19]，超高壓輸電通道的實(shí)際利用率不足30%，甚至更低！對(duì)非水可再生能源電力的輸送占比不足15%。③同步電網(wǎng)不同步，跨省通道不暢通。

2.1.5.2 互補(bǔ)電源結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一規(guī)劃和部署。

2.1.5.3 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)新能源功率滲透率高達(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，也還缺乏相應(yīng)的電價(jià)體系和鼓勵(lì)機(jī)制。

2.1.5.4 網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能很有限，10年之內(nèi)不會(huì)有大的改善；跨省電力交易市場(chǎng)尚未建立，配置光伏電站站內(nèi)儲(chǔ)能沒有動(dòng)力，目前站內(nèi)儲(chǔ)能僅有零星示范。

2.1.5.5 與傳統(tǒng)電力爭(zhēng)奪市場(chǎng)是當(dāng)前阻礙光伏規(guī)模化發(fā)展的主要矛盾，很多省區(qū)開展并鼓勵(lì)非水可再生能源電量的發(fā)電權(quán)交易，說(shuō)白了就是“你交錢，就讓你發(fā)；你不交錢，就限制你發(fā)”。能夠拿錢來(lái)買的“消納能力”絕對(duì)不是技術(shù)問(wèn)題，而是利益之爭(zhēng)。

2.1.5.6 政策尚未對(duì)光伏發(fā)電松綁：光伏-逆變器容配比沒有放開，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。

2.1.6 小結(jié)

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)就會(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)[9]，到2050年集中式光伏電站的裝機(jī)10億千瓦，從2021年開始，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。