中国电力科学研究院新能源部门董玮：光伏融入电力系统的路径及技术分析

:现在在光伏多端口接入直流配电网当中需要解决的几个核心问题：第一，光伏中压直流变换器高可靠性的变流，升压比达到20倍以上；第二，由于端口的宽幅变化，不同电压范围下都要达到高效运行，这是需要解决的拓补上和控制上的难题。这是中国电力科学研究院新能源部门董玮在第一届北极星“光伏+”研讨会上作了精彩分享，一起光伏APP将对大会进行全程直播。如需了解更多会议直播，请联系微信号：13693626116

中国电力科学研究院新能源部门董玮主题分享《光伏融入电力系统的路径及技术分析》

董玮：各位同行，专家，大家好！张军军主任因为临时有会，委托我给大家汇报一下最近科研方面和光伏行业方面的工作。

结合中国电科院以及国家能源太阳能发电研究（实验）中心，我们承担两个工作，一个是关于光伏发电技术研究以及光伏示范工程建设，包括现在像领跑者基地小微实证项目。另外一方面，承担对行业的并网产品的并网测试工作，包括像华为、阳光，逆变器厂家应该跟我们的实验室都有过较多的接触。以及分布式光伏、集中型电站并网测试，我们也是积极为行业提供第三方检测服务。

本来这个话题是放在上午最后一个来讲，“从直流发电到直流送电”，这是结合今年承担的一个国家重点研发计划所做的一个关于直流配电方面的一个前瞻性研究，是属于未来领域的，现在不妨放在第一个讲给大家先做做脑力操。

总共分四个方面：

第一方面，关于光伏接入直流配电网的研究现状。

这是2007年—2017年国家分布式光伏装机容量的现状。2017年的时候，分布式光伏新增装机容量达到19.44GW，2017年累计的装机容量达到了29.66GW，累计装机容量在整个光伏装机容量中达到22%。，相对于欧美国家以分布式光伏发电为主，相对不高。但我们把时间轴往前一年、再往后一年展开，明显看出，2016年这个数值，新增装机分布式占10%，2017年是29%，2010年1—9月分布式装机12.24GW，已经和集中式装机容量基本持平。鉴于当前光伏的发电格局东西并举，分布式光伏趋势进一步看好。

随着高比例的分布式接入以后面对的挑战，第一，运行控制问题、安全的问题，安全质量再说，第二，交流电传输容量问题，第三个问题，由于容量导致的电压偏高电能质量问题，是没办法通过技术路径解决的，只有通过投钱加硬件改线路。

第一，辐照波动性、随机性、运行控制问题突出。这个问题老生常谈，但是集中型中不是太突出，一个是送端电网，电力比较强、电压等级高，带来的是电力运行的问题，分布式当中这个问题太突出，第一，不能限它电，第二，它接近负荷，第三，网架结构较输电网弱。功率波动完全体现在电网的电压波动上，会给用户用电带来很大的问题。另外，分布式光伏容量较小，不像集中型电站一个电站可以做到1GW，现在可能一定区域内几十几百个电站，对于传统的电网调度来巨大的挑战。

第二，孤岛运行对电网安全稳定产生的影响。这个在集中式电网也不存在，为什么呢？因为有负荷，跟负荷达到平衡以后会形成孤岛，这个孤岛并不是出现在教科书上，在现实中发生过，大家用电的人并不知道我已经发生孤岛了，只是觉得电能质量变差了，觉得我还在用电怎么电压突然不稳，如果人不知道，这个时候去检修就会发生人身安全的问题。

第三，由于我们采用的是光伏逆变器这种高频的电力电子设备，这样造成了谐波的注入。像第一个问题一样，由于更接近负荷，谐波注入以后是直接影响用户电器使用的，这可能会造成用户家里的电器烧坏，这个问题以前也存在，但可以通过集中的方式来处理，但是这个在分布式电网中由于数量众多，难以统一治理。这个问题矛盾是直接引起了你和用户之间的矛盾，并且要从技术路径上加以解决的。

其他电能质量问题现在大家看到最明显的，第一个电压越限，根据今年在某个项目做的统计，在中部的农村示范电站，台区的日夜电压偏差范围达到30%以上，日间的时候电压往上超过上限，晚上的时候电压又不够，这个就是由于功率的倒送引起的。第二个谐波的注入，是在浙江的一些示范工程当中，由于它那个光伏逆变器跟本地的负荷，这个地方澄清一下，不单单是光伏逆变器本身的谐波注入问题，其实是涉及到逆变器谐波和负荷之间谐波交互影响问题，不是说某一方面我就给电网造成了污染，其实通过后面的研究也发现了这一点。

第四，并网的系统效率损失问题。之前我们通过预测，通过集中运维，可以带来一些集中型建站效率的提高。在分布式运维当中，我们可能最集中体现的就是交流线损，因为通常用的是已有的线路，没有资本对它进行改造，这块应该是我们分布式效率损失比较大的一块。

第五，传统交流供电线路传输容量不足。其实就是硬件投资的问题了，交流线路本身就是投资成本很大，电网也需要更多的参与，包括现在国家鼓励增量配电网是国家的政策。我们从科研角度来说，在10千伏、35千伏电压等级是不是有其他路径可以选？理论上是存在的，直流配电。直流配电为什么说它可以在相同的建造经费及占用走廊宽度的同时可以增大传送容量呢？因为根据理论计算，他是交流线路的1.5倍。当然直流涉及到前端、后端的设备，这个经济性我们后面再讨论，就是理论上直流线路是可以提高传输容量的。

下面回到今天主要跟大家分享的一个环节，就是直流配电。

直流配电的特点是：第一，系统稳，没有频率稳定问题、没有谐波、没有电能质量问题，也没有无功的问题。第二，效率高，由于光伏大家都知道是天然的直流源，现在我们先把直流变成了交流，然后交流又升压，到了用户侧又降压，包括又整成直流，包括我们用的电动车、空调、电冰箱都是直流，这个不免带来一个效率上的损失，如果可以分布式光伏直接上直流，再从直流到给用户侧用的话，这样会减少两个环节。第三，更灵活。更灵活的意思是，相比于交流系统，直流线路之间连接更加简单，因为只需要电压匹配就可以，这样的话你就可以做到若干不同电网给它连接起来，提高可靠性，包括现在我们在电网中实现的一些交流所谓的柔性互联，就是通过直流把两个交流给合并到一起，这样会减少交流之间由于相位差带来的环流问题。

下面三个点支撑了直流配电未来的趋势：第一，越来越多的分布式电源，2020分布式发电装机容量占总装机容量将会达到9%。第二，越来越多的直流负荷，当前系统中直流负荷达到20%，，例如电动汽车、电子产品、数据中心都是用的直流。第三，直流自身的技术优势。

现在学术界广泛讨论的三种类型：环状、放射和两端配电。他们有各自的应用场景，环状是应用可靠性比较高，辐射状就是现在我们做研究的时候经常会，包括以后在我们国家重点实验室张北基地建的放射状结构，第三两端配电，现在在很多电网中已经应用的结构，叫柔性互联，就是把两个不同等级的交流配电王，35千伏的连到一起，传统的方式可能一合起来会有，专家可能了解电磁合环，通过直流互联就没有这个问题。

这个我们对国内外柔性直流输电、配电项目的统计，但是这个里面可能很多还有一些较高电压等级的直流输技术，但未来可能这些技术也要下放到直流配电上面去，所以我们也把它统计进来了。可以看到，1997年以来直流配电是一直在开展的。

对比一下国内外研究现状，国外是在小功率的直流变换，不像光伏，光伏直流侧因为涉及到大范围的电压波动问题，给它升到稳定的电压，国外研究是直流变换，就是稳定的直流电压转换成另外一个稳定的直流电压，他是研究比较多的。直流控保、直流控电电压比较多。下面是一个对比，特高压直流升电是比较成熟的，面对复杂的直流配电网络还没有开展，包括现在针对直流配电网的电压等级序列只定了一个标准，包括以后针对一系列的设备接入都应该有一系列的并网准则。

未来的配电场景：第一，居民低压直流供电；第二，城市直流配电网改造；第三，放射状的，这个场景下在座的工业界朋友最了解，第一，负荷的功率大、冲击比较大，在交流电网中可能我要配什么SVG、SPF来改善这些电能质量，可以提高整个工业园区的电能质量，包括DC/AC，可以提高工厂光伏的发电量，包括电压在不同时间下的稳定。

这个就是刚才提到的现在已经出来的中低压直流配电电压导则。

综上所述，现在在光伏多端口接入直流配电网当中需要解决的几个核心问题：第一，光伏中压直流变换器高可靠性的变流，高升压比达到20倍以上。第二，由于端口的宽幅变化，不同电压范围下都要达到高效，这是需要解决的拓补上和控制上的难题。

第三，跟我们做工程切实相关的，那就是既然要建这个配电网，规划设计、设备选型、经济分析上都有配套的一套理论体系，现在只有电压等级，直流电网设计方法、估算依据、优化设计方面都没有配套标准。

第四，电网可能用户更关心的。大家都知道，现在国家特高压直流是国家的一张名片和光伏一样，现在在这个方面的保护已经很成熟了，但是，其实特高压直流的问题更聚焦于大电流高电压等级，它面对的故障工况可能没有配电网多，现在你在应用直流配电网以后要考虑更多的故障类型，包括断线，包括短路，包括可能用户的冲击，都会对你的故障保护产生影响，他其实是一个更复杂的环境，跟前面解决的问题不太一样。

刚才还有几位朋友问国家太阳能研发（实验）中心，我们是归中科院下属的新能源研究中心为依托共建的实验室，中国电力科学研究院1951年建立，是国家电网公司的直属单位，主要从事科再生能源、智能电网发电关键技术、大电网安全稳定与控制、微电网、新材料，是我国最早从事大规模可再生能源发电的研究与检测机构。第二张图是我们的国家重点实验室，在张北，是风电检测中心。光伏检测中心在南京，有一个并网的检测实验室。第三是我们在西藏的特高压直流的实验基地。

我所在的部门就是国家能源太阳能研发（实验）中心是2009年成立的，中心同时还是光伏发电装备评定中心，这是我们其中一个实验室的照片，实验室在检测这方面依托中国电科院的CNAS、CMA资质，覆盖了72个测试标准、872个测试子项。

谢谢各位！

（发言为一起光伏APP根据速记整理，未经本人审核）