一種光伏應(yīng)用新技術(shù)

賈 寧/邢 巖/王 欣/薄志謙/石亞和/劉葉冰

1.西東控制集團(tuán)， 遼寧 沈陽(yáng) 110015； 2.清華大學(xué)—阿爾斯通電網(wǎng)研究中心， 北京 100084； 3.東北大學(xué)， 遼寧 沈陽(yáng) 110004）

1 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)就有專家預(yù)言：21世紀(jì)將是人類走進(jìn)直接使用太陽(yáng)作為能源的一個(gè)新世紀(jì)。專家們估計(jì)，到本世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能將占到人類能源構(gòu)成的15%；到本世紀(jì)末，太陽(yáng)能將成為人類能源構(gòu)成的“主力”。當(dāng)前世界各國(guó)都極其重視太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本世紀(jì)最初的10年，世界光伏電池產(chǎn)業(yè)年增長(zhǎng)率為48.6%。2010年世界光伏電池產(chǎn)量達(dá)15.8GW，同比增長(zhǎng)48.2%；完成太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量12.5GW，同比增長(zhǎng)58.2%。

2009年中國(guó)光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為4011MW；2010年中國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到8GW，翻了1倍，占到世界產(chǎn)量的一半。2009年，中國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)裝機(jī)量約160MW，占全球當(dāng)年裝機(jī)總量的2%；2010年，預(yù)計(jì)裝機(jī)約380MW，在全球總裝機(jī)量中占3%。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)前中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展還十分不盡人意，主要問(wèn)題是光伏電池主要用于出口，內(nèi)需嚴(yán)重不足，造成“耗能在國(guó)內(nèi)、節(jié)能在國(guó)外”的虛假的產(chǎn)能過(guò)剩現(xiàn)象。中國(guó)政府對(duì)此一直十分關(guān)注，從2006年開始，國(guó)家就有意識(shí)地推廣光伏在建筑上的應(yīng)用。2009年4月，財(cái)政部、住建部直接推出“太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范工程”；2009年7月，財(cái)政部、科技部及國(guó)家能源局推出“金太陽(yáng)示范工程”，給予建筑光伏應(yīng)用專項(xiàng)支持；2010年12月2日，財(cái)政部、科技部、住建部、國(guó)家能源局四部委舉辦聯(lián)席會(huì)議，對(duì)金太陽(yáng)示范工程和太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范工程的組織和實(shí)施進(jìn)行動(dòng)員部署，并公布了首批13個(gè)光伏發(fā)電集中應(yīng)用示范區(qū)名單。四部委表示，希望通過(guò)加大補(bǔ)貼力度、增加示范區(qū)數(shù)量、保障項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行等措施，加快推進(jìn)國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用，力爭(zhēng)2012年以后每年國(guó)內(nèi)應(yīng)用規(guī)模不低于1,000 MW。

2 制約建筑光伏應(yīng)用發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題

目前光伏應(yīng)用主要有兩種模式：獨(dú)立式（又稱離網(wǎng)式），即白天光伏發(fā)電由蓄電池儲(chǔ)電，晚上使用，典型的應(yīng)用就是大量的太陽(yáng)能路燈、草坪燈、信號(hào)燈等。這種應(yīng)用由于系統(tǒng)中需要配備蓄電池，因此效率低、成本高、維護(hù)費(fèi)用高，而且存在二次污染問(wèn)題，適合在無(wú)電地區(qū)使用，不宜在城市建筑中大量推廣應(yīng)用。

并網(wǎng)式，又分為可逆流和不可逆流兩種方式。其中可逆流是目前光伏應(yīng)用的主流技術(shù)，即，將光伏電力轉(zhuǎn)換成與市政電力同頻、同相、同質(zhì)的交流電力并入市政電網(wǎng)使用，典型的應(yīng)用就是光伏電站建設(shè)。光伏電站的建設(shè)規(guī)模一般都較大，需要大量擺放光伏電池板的地方，大都選擇在荒漠地區(qū)建設(shè)，也不應(yīng)是建筑光伏應(yīng)用的主流技術(shù)。

在德國(guó)和日本等國(guó)家鼓勵(lì)小型光伏發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用，這是由于他們?cè)陔娋W(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中已經(jīng)考慮這種分散可再生能源接入電網(wǎng)運(yùn)行的安全問(wèn)題。但是在世界大多數(shù)國(guó)家，包括中國(guó)，電力建設(shè)長(zhǎng)期以來(lái)遵循的是“發(fā)電—輸電—配電—用電”模式，其電力運(yùn)行與系統(tǒng)保護(hù)方向性十分明確，一旦出現(xiàn)大量用戶側(cè)發(fā)電上網(wǎng)，不僅無(wú)法實(shí)施電力調(diào)配，而且勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成影響。

在中國(guó)，從2006年開始，國(guó)家就有意識(shí)地推廣光伏在建筑上的應(yīng)用，一直到2009年開始實(shí)施的“太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范工程”和“金太陽(yáng)示范工程”，都公開大力倡導(dǎo)實(shí)施“用戶側(cè)并網(wǎng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑光伏應(yīng)用。這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用，就是將光伏電力在用戶側(cè)與市政電網(wǎng)并網(wǎng)使用。國(guó)家本想將這種不可逆流并網(wǎng)應(yīng)用方式作為建筑光伏主流應(yīng)用技術(shù)推廣，并為了保證市政電網(wǎng)的運(yùn)行安全，規(guī)定了系統(tǒng)光伏電力對(duì)市政電網(wǎng)實(shí)施逆向功率保護(hù)，但是還是不宜大面積推廣應(yīng)用。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》（GB/T 19939-2005）中明確規(guī)定：“系統(tǒng)在不可逆的并網(wǎng)方式下工作，當(dāng)檢測(cè)到供電變壓器次級(jí)處的逆流為逆變器額定輸出的5%時(shí)，逆向功率保護(hù)應(yīng)在0.5s～ 2s內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開”。同時(shí)，還規(guī)定了系統(tǒng)在市電失電時(shí)防止孤島效應(yīng)發(fā)生：“當(dāng)電網(wǎng)失壓時(shí)，防孤島效應(yīng)保護(hù)應(yīng)在2s內(nèi)動(dòng)作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開”[1]。規(guī)定0.5s～ 2s實(shí)施逆流保護(hù)的原因，是基于目前還沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)意義上的零逆流控制，因?yàn)閷?duì)逆流的常規(guī)檢測(cè)方法需要幾百ms才能完成，加上控制保護(hù)動(dòng)作，只能規(guī)定0.5s～ 2s內(nèi)完成不可逆流保護(hù)。

由此可以看出，這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用在實(shí)施逆向功率保護(hù)之時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)在0.5s～ 2s內(nèi)向市政電網(wǎng)發(fā)生了光伏逆向功率，其規(guī)模已經(jīng)超過(guò)裝置的額定功率5%。當(dāng)這種應(yīng)用尚不普遍時(shí)，還不至于對(duì)市政電網(wǎng)安全運(yùn)行造成較大影響。但是如果普遍推廣，即便每個(gè)裝置逆功率都很小，但是由于數(shù)量大，勢(shì)必影響市政電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，電力系統(tǒng)對(duì)這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用方式一直表示擔(dān)憂，即便同意，也往往會(huì)要求實(shí)施“一點(diǎn)并網(wǎng)”，要求將分散建設(shè)在分散建筑上的大量光伏電池連為一點(diǎn)接入電網(wǎng)。這樣一來(lái)，就需要通過(guò)大量匯流母線與設(shè)備，將這些分散光伏電力從一點(diǎn)接入電網(wǎng)，這不僅增加線材投資，而且加大了光伏損耗，大大降低光伏應(yīng)用效率。這個(gè)問(wèn)題一直困擾著光伏發(fā)電在建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

3 光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)

仔細(xì)分析建筑光伏應(yīng)用的特點(diǎn)是“三個(gè)分散”，即“分散的陽(yáng)光”、“分散的建筑”、“分散的用電需求”。如何找到一種適合“三分散”的光伏應(yīng)用技術(shù)，將是解決光伏建筑應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

現(xiàn)在終于有了一種針對(duì)建筑光伏應(yīng)用“三分散”特點(diǎn)的新技術(shù)——光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。其主要特征是：光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏電力和市政電力共同向負(fù)載供電，當(dāng)光伏電力不足或沒(méi)有時(shí)，由市政電力作為系統(tǒng)基礎(chǔ)供電向負(fù)載供電。即正常狀態(tài)下，光伏共網(wǎng)（grid co-existing PV）應(yīng)用與不可逆流的光伏并網(wǎng)（grid-connected PV）應(yīng)用工作狀態(tài)相同。兩者不同是：共網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)能夠保證無(wú)論在什么情況下，包括市電失電時(shí)，光伏電力絕對(duì)不會(huì)對(duì)市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)本質(zhì)安全零逆流。這樣一來(lái)，光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)市政電網(wǎng)而言，就是一個(gè)可變負(fù)載（相當(dāng)于變頻電機(jī)）在用電，而沒(méi)有任何發(fā)電設(shè)備的特征。

共網(wǎng)應(yīng)用模式是一種嶄新的光伏應(yīng)用模式，它特別適合在那些大量分散的建筑上建設(shè)太陽(yáng)能電池板，所得到的光伏電力就地使用，而市政電力作為備電（實(shí)際是基礎(chǔ)電力）保證系統(tǒng)負(fù)載在光伏電力不足或沒(méi)有時(shí)的正常用電。這與離網(wǎng)系統(tǒng)相比，省掉大量蓄電池；與不可逆流的并網(wǎng)系統(tǒng)相比，不僅解決了電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的擔(dān)心，還減少“一點(diǎn)并網(wǎng)”所造成的系統(tǒng)效率損耗，大大提高太陽(yáng)能使用效率，大大降低系統(tǒng)投資和系統(tǒng)維護(hù)成本。

實(shí)現(xiàn)光伏共網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備是共網(wǎng)控制逆變裝置，其基本功能是在正常情況下保證光伏并網(wǎng)應(yīng)用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)本質(zhì)安全零逆流，嚴(yán)格防止光伏電力向市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率。這是采用普通檢測(cè)與控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只能依靠更高的控制理論與技術(shù)手段突破這一技術(shù)瓶頸。該裝置標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)由住建部2010年3月19日的建標(biāo)[2010]40號(hào)文件中立項(xiàng)編制，目前已進(jìn)入審批程序，預(yù)計(jì)2011年內(nèi)完成批準(zhǔn)頒布。

由于共網(wǎng)控制逆變裝置具有逆向功率零逆流控制保護(hù)功能，徹底解決了光伏電力與市政電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用時(shí)對(duì)市政電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，消除了電力系統(tǒng)對(duì)光伏電力共網(wǎng)應(yīng)用影響電網(wǎng)安全的擔(dān)心，打開了建筑光伏應(yīng)用的大門。

這樣一來(lái)，就可以在一座建筑，或者一個(gè)建筑群，甚至一座城市的建筑光伏應(yīng)用中，采用這種“共網(wǎng)控制裝置”與光伏電池板組成若干個(gè)規(guī)模合適的光伏微電子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏電力就地即發(fā)即用。當(dāng)光伏電力不足時(shí)，系統(tǒng)由市政電力補(bǔ)充供電；當(dāng)光伏電力超過(guò)負(fù)荷用電量或者發(fā)生市電失電時(shí)，“共網(wǎng)控制裝置”可以保證光伏電力絕不向市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率，保證市政電網(wǎng)的絕對(duì)安全運(yùn)行。

光伏微電網(wǎng)采用模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)成。即，各個(gè)光伏微電子網(wǎng)，通過(guò)各種通訊方式（包括有線、無(wú)線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）連接到光伏微電網(wǎng)控制管理中心，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中BMG（Branch of Micro Grid）為微電子網(wǎng)，與MGC（Micro Grid Centor）微電網(wǎng)管理中心采取模塊式連接。而微電網(wǎng)管理中心計(jì)算機(jī)將會(huì)自動(dòng)處理網(wǎng)內(nèi)所有微電子網(wǎng)的工作數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前工作狀態(tài)和累計(jì)各種歷史數(shù)據(jù)。即，顯示和存儲(chǔ)各個(gè)微電子網(wǎng)的即時(shí)發(fā)電量和工作狀態(tài)，累計(jì)各個(gè)微電子網(wǎng)的日、月、年發(fā)電量，以及整座建筑或整座城市的光伏應(yīng)用系統(tǒng)的即時(shí)發(fā)電量和累計(jì)發(fā)電量，以及折算成標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)。

4 共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)是對(duì)光伏應(yīng)用的返璞歸真

100多年的電力建設(shè)歷史，形成了一整套“發(fā)電—輸電—配電—用電”的電力建設(shè)與使用模式，這符合采用化石能源的特點(diǎn)。但是將這套追求規(guī)模建設(shè)的模式再照搬到太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，尤其是建筑光伏應(yīng)用中，將明顯出現(xiàn)某些不和諧現(xiàn)象，起碼不符合光伏建筑應(yīng)用的“三分散”特點(diǎn)。

因此，對(duì)于到本世紀(jì)末將占到一次能源50%以上份額的太陽(yáng)能應(yīng)用來(lái)講，非常必要找到一種最符合太陽(yáng)能應(yīng)用特點(diǎn)、最高效和最適合的技術(shù)，一并滿足人類孜孜以求對(duì)能源利用的可再生和環(huán)境最友好的心愿，也許這是一種顛覆傳統(tǒng)電力建設(shè)理論的新技術(shù)。

這種光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)的基本特征是：①光伏電力即發(fā)即用優(yōu)先使用；②市電作為基礎(chǔ)用電保證向用電負(fù)載的正常供電；③系統(tǒng)絕對(duì)保證防止光伏電力向市政電網(wǎng)的逆向功率和實(shí)現(xiàn)市電失電的孤島效應(yīng)保護(hù)。這種共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)從根本上解決了建筑光伏應(yīng)用對(duì)市政電網(wǎng)影響的技術(shù)瓶頸。

采用這種光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設(shè)的不同點(diǎn)是，為適應(yīng)建筑光伏應(yīng)用三分散特點(diǎn)，系統(tǒng)將向小發(fā)展。這樣所帶來(lái)的好處是顯而易見的，即帶來(lái)系統(tǒng)建設(shè)的“三低一高”：系統(tǒng)損耗降低、系統(tǒng)技術(shù)難度降低、系統(tǒng)建設(shè)投資降低、系統(tǒng)效率提高。這為我們?cè)诒椴际澜绺鞯氐母黝惤ㄖ?，將無(wú)處不在的太陽(yáng)能變?yōu)楣夥娏?lái)使用帶來(lái)了低成本高效率的可能。隨著太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)的發(fā)展（成本降低、安裝方便），我們完全可以將系統(tǒng)做得更小，比如開發(fā)出一種采用太陽(yáng)能薄膜電池的、用于住戶家庭陽(yáng)臺(tái)上的“家庭光伏掛毯”，將會(huì)使光伏應(yīng)用直接靈活方便地進(jìn)入每戶家庭。

光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用是一種最符合光伏在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)，是一種對(duì)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用技術(shù)的返璞歸真。它將打開建筑光伏應(yīng)用之門，使建筑光伏應(yīng)用走上快速發(fā)展的道路。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]董欣，賈寧等.零碳地下停車場(chǎng)照明系統(tǒng)建設(shè)[J]. 低碳照明.2011（1）：26-29.