光伏太陽能技術(shù)及其并網(wǎng)特性——電力企業(yè)節(jié)能減排之有效途徑

文／上海長(zhǎng)興供電公司 瞿衛(wèi)東／

1 引言

“十二五”發(fā)展規(guī)劃對(duì)于節(jié)能減排提出了更具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，即：?jiǎn)挝粐?guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放分別降低16%和17%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到11.4%，主要污染物排放總量減少8%至10%，森林蓄積量增加6億立方米，森林覆蓋率達(dá)到21.66%。已有研究人員指出，為進(jìn)一步更好更快實(shí)現(xiàn)“十二五”發(fā)展規(guī)劃關(guān)于節(jié)能減排的目標(biāo)，對(duì)于電力行業(yè)，節(jié)能減排的措施主要包括：通過“上大壓小”政策，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減排；提高電力工業(yè)的煙氣脫硫，實(shí)現(xiàn)工程減排；擴(kuò)大清潔能源比例，減少煤炭消耗總量?？梢娦履茉吹陌l(fā)展和利用在節(jié)能電力系統(tǒng)的節(jié)能減排過程中占據(jù)非常重要的地位，而其中的太陽能光伏發(fā)電在補(bǔ)償國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展電力這一平臺(tái)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)與國(guó)家電網(wǎng)的并網(wǎng)及風(fēng)電互補(bǔ)等措施的施行迫在眉睫。本文旨在綜述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其并網(wǎng)進(jìn)程的一些突出問題。

根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院的預(yù)測(cè)及現(xiàn)有規(guī)劃，光伏發(fā)電總量在2010年可達(dá)到350MW，2020年為1.8GW，2050年將達(dá)到600GW。截止到2010年末可再生能源裝置在中國(guó)占總電力能源裝置的30%，其中光伏發(fā)電占5%。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以使發(fā)電系統(tǒng)更有效地利用公用電網(wǎng)。然而公用電網(wǎng)側(cè)和光伏系統(tǒng)側(cè)的技術(shù)需求都必須滿足保證光伏組件安裝者的安全且不影響公用電網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)面臨著諸如孤島效應(yīng)及諧波失真等問題，因此它們就成為擴(kuò)大光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍亟待解決的問題[1]。光伏系統(tǒng)與國(guó)家電網(wǎng)的互聯(lián)是通過逆變器實(shí)現(xiàn)的，它可將光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為給一般用電器供電的交流電，因此逆變系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電特性

2.1 世界光伏組件及電學(xué)性能

全球光伏產(chǎn)業(yè)的一個(gè)特征是，光伏發(fā)電正以越來越快的速度代替其他形式的電能，特別在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中更為明顯。太陽電池產(chǎn)生的電能取決于光伏組件本身的性質(zhì)和它所接收的太陽輻射，太陽電池的物理本質(zhì)可在文獻(xiàn)中得知[2]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)，再依據(jù)安裝環(huán)境可進(jìn)行進(jìn)一步分類。獨(dú)立光伏系統(tǒng)也稱離網(wǎng)系統(tǒng)，其應(yīng)用包括邊遠(yuǎn)地區(qū)家庭電力供應(yīng)、邊遠(yuǎn)地區(qū)集中發(fā)電、通訊用電力供應(yīng)、陰極保護(hù)及照明。中小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率為5～100kW，大型或者更大型的為100kWp。

獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器須通過需要的電流來控制其輸出交流電壓，系統(tǒng)還需要蓄電池，在太陽電池處于低功率輸出、多云天氣或者夜晚時(shí)向負(fù)載供電。現(xiàn)有技術(shù)把類似的功能集成在并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器中，但這一舉措的采取與現(xiàn)有的優(yōu)化功率光伏系統(tǒng)相比，會(huì)增加發(fā)電的成本。

2.2 并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)包括建筑光伏一體化系統(tǒng)和地面光伏系統(tǒng)（光伏鹽堿地、沙灘和沙漠光伏系統(tǒng)）。在現(xiàn)有的整個(gè)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，光伏組件發(fā)出的電力在毫秒時(shí)間內(nèi)即被消耗。過剩的電力可經(jīng)由能量?jī)?chǔ)存裝置如水泵來收集，但傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)速度遠(yuǎn)比用于調(diào)整峰值功率而使輸入電網(wǎng)的能流穩(wěn)定速度慢。另外，當(dāng)負(fù)載在公用電網(wǎng)上達(dá)到一峰值水平時(shí)，系統(tǒng)必須激活每一個(gè)可用的發(fā)電電源對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行供電以防止節(jié)流導(dǎo)致公用電網(wǎng)電壓崩潰。

表1給出了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)從96年到05年的市場(chǎng)份額[3]。

表1 并網(wǎng)光伏發(fā)電的市場(chǎng)份額年均增長(zhǎng)率

并網(wǎng)光伏發(fā)電仍是增長(zhǎng)最快的發(fā)電技術(shù)，累計(jì)裝機(jī)容量以55%的速率從2004年的2.0GW增長(zhǎng)到3.1GW，全球年增長(zhǎng)的一半發(fā)生在德國(guó)，一年中裝機(jī)超過600MW。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電量的增長(zhǎng)量中，日本為300MW，美國(guó)為70MW。2005年出現(xiàn)了幾個(gè)里程碑如世界上規(guī)模最大的太陽能光伏電站的啟用，德國(guó)總發(fā)電量為10MW電站的建設(shè)及許多發(fā)電量為數(shù)千瓦的商用設(shè)施的啟用。德國(guó)的光伏發(fā)電累計(jì)容量首次超過日本。加上離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，與2004年的4.0GW相比，全球光伏總量已增長(zhǎng)為5.4GW。

在中國(guó)成功示范的并網(wǎng)光伏發(fā)電廠用的都是輸出電壓較低的光伏組件，其發(fā)容量較小而并未通過電網(wǎng)輸送所發(fā)電力，因而對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行幾乎沒有什么影響。[4,5]

文獻(xiàn)[6]概括總結(jié)了泰國(guó)一個(gè)500kW并網(wǎng)光伏電站的性能，該光伏系統(tǒng)被全面監(jiān)控來評(píng)估光伏系統(tǒng)的潛在技術(shù)瓶頸和與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并聯(lián)的系統(tǒng)特性。該光伏系統(tǒng)中組件的效率介于9%～12%之間，功率調(diào)節(jié)裝置的效率在92%～98%之間終產(chǎn)率為2.91h/d（2004年3月）到3.98h/d（2004年4月）。性能比從0.7～0.9。其俘獲損失Lc和系統(tǒng)損失Ls在文獻(xiàn)中有詳細(xì)闡述。這些損失與下列因素相關(guān)：電池的運(yùn)作條件并非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，電壓在直流系統(tǒng)和保護(hù)二極管中下降，灰塵、部分遮陰對(duì)光伏組件中的光電參數(shù)有一定影響，工作電壓高于最大功率點(diǎn)，光譜和光入射角的變化等等。并非上述所有的因素都會(huì)被涉及到，只有通過輔助的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能將這么多損失影響都考慮在內(nèi)。這些工作有望在項(xiàng)目的后續(xù)階段中完成。

直流輸送且電壓較低時(shí)，由于輸電導(dǎo)體引起的損失是相當(dāng)可觀的，關(guān)鍵是要確定導(dǎo)體結(jié)的大小以確保壓降小于1.5%，因此要求逆變器必須裝置于光伏陣列附近，使得逆變器在電池板發(fā)出的最大直流電壓下工作，即在它的可耐最大電壓下工作，由此來增強(qiáng)逆變器的性能并降低歐姆損耗。[7]

2.2.1 高滲透水平的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)面臨的潛在問題

對(duì)高滲透水平的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，許多文獻(xiàn)都研究了它們潛在的問題。滲透水平（penetration levels）定義為光伏組件額定功率（Wp）與輸電線路的最大負(fù)載之比。文獻(xiàn)結(jié)果如下：

文獻(xiàn)[8]研究了云遮對(duì)中央集中光伏電廠的瞬態(tài)影響，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)的極限滲透水平約為5%，與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，瞬態(tài)云遮對(duì)系統(tǒng)的影響較大。文獻(xiàn)[9]則基于南加州愛迪生中央光伏電廠的運(yùn)作情況，稱并未遇到此類問題，光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連結(jié)穩(wěn)定且在結(jié)點(diǎn)上只有非常小的滲透水平。文獻(xiàn)[10]處理了俄克拉荷馬公共服務(wù)公司在系統(tǒng)平均滲透水平為15%條件下的電壓調(diào)節(jié)問題。15%是瞬間云遮引起的可控制范圍內(nèi)的最大功率變化，因此稱為系統(tǒng)的最高滲透水平。文獻(xiàn)[11]中的一項(xiàng)研究是加德納MA光伏項(xiàng)目的諧波問題。加德納56kW的光伏系統(tǒng)其滲透水平為37%。它所采用的逆變器是第一代正弦波脈沖寬度調(diào)制逆變器。[12]家庭光伏組件都裝置于一13.8kW的單相輸電線路的終端，光伏組件對(duì)電壓失真的影響約為0.2%，這一影響遠(yuǎn)低于一般負(fù)載所引起的失真[11]，由此得出了只要光伏逆變器設(shè)計(jì)得當(dāng)就可避免諧波失真的問題。加德納MA光伏工程著眼于四個(gè)領(lǐng)域：穩(wěn)態(tài)和慢瞬態(tài)云遮對(duì)系統(tǒng)的影響；集中光伏系統(tǒng)對(duì)即時(shí)瞬態(tài)云遮如何響應(yīng)，如開關(guān)孤島效應(yīng)、故障及用電高峰；集中光伏對(duì)系統(tǒng)諧波的影響以及配電系統(tǒng)的整體性能。該文評(píng)估了高滲透水平光伏系統(tǒng)的總體影響，最終結(jié)論是37%的滲透水平在以上四個(gè)領(lǐng)域中并未引起故障。

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)對(duì)光伏能源系統(tǒng)四期工程進(jìn)行了一系列報(bào)道，包括孤島效應(yīng)，荷載量認(rèn)證情況及示范項(xiàng)目的成果等。最重要的是它處理了電壓增大的問題。[13]其中一份報(bào)告聚焦于低電壓高滲透水平的三個(gè)光伏系統(tǒng)。此項(xiàng)研究得出了最大光伏滲透水平等同于每個(gè)輸電線路的最低負(fù)載這一結(jié)論。文獻(xiàn)[14]指出，如果負(fù)載量為最大時(shí)，滲透水平為25%那么就只有很少的過壓情形發(fā)生，而在負(fù)載量最小時(shí)，再增大其滲透水平，就會(huì)使得過壓情形全面出現(xiàn)。

2.2.2 并網(wǎng)逆變器

逆變技術(shù)是使并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵技術(shù)，它也要求在合理價(jià)格為交流公用系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。為滿足要求，最新技術(shù)也已經(jīng)運(yùn)用到逆變器中，通過對(duì)裝有脈沖寬度調(diào)制的半導(dǎo)體器件運(yùn)用高頻開關(guān)技術(shù)，高轉(zhuǎn)換效率控制芯片上的微處理器實(shí)現(xiàn)了光伏系統(tǒng)輸出功率的控制，控制芯片對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用，即在于電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)保證光伏系統(tǒng)的安全，逆變器的成本也得到了控制。

任何一個(gè)連接到電網(wǎng)的逆變系統(tǒng)都不能降低結(jié)點(diǎn)的供電質(zhì)量，這一點(diǎn)是非常重要的。同時(shí)低質(zhì)量的電流對(duì)裝入系統(tǒng)中逆變器的影響也很大。這些逆變系統(tǒng)不會(huì)影響電源的質(zhì)量，考慮到它對(duì)電網(wǎng)諧波的影響，控制電流和控制電壓的逆變器有很大的不同。在一個(gè)未與電網(wǎng)連接的孤立系統(tǒng)中，應(yīng)提供電壓控制裝置。相關(guān)研究結(jié)果表明，裝有自整流電壓逆變系統(tǒng)的逆變器，在1kW以下或者100kW以上電流控制器使用更為普遍，在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中可得更高的功率因數(shù)，而且運(yùn)用于并網(wǎng)系統(tǒng)中時(shí)，當(dāng)受到公共電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響時(shí)，可抑制電流的變化。

2.2.3 孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法

光伏電站作為分布式電源通過并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)，必須具備防孤島效應(yīng)保護(hù)。

孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)失壓時(shí)，光伏系統(tǒng)仍保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)[15]。具體地講，就是當(dāng)電力公司的供電，因故障或停電檢修而跳閘時(shí)（例如大電網(wǎng)停電），并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而將自身切離供電網(wǎng)絡(luò)，形成由并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和當(dāng)?shù)刎?fù)載組成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島。

防孤島效應(yīng)保護(hù)主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式包括電壓相位跳動(dòng)、三次電壓諧波變動(dòng)、頻率變化率等，即在不改變輸出特性的基礎(chǔ)上對(duì)輸出狀態(tài)的檢測(cè)保護(hù)。主動(dòng)式主要有頻率偏離、有功功率變動(dòng)、無功功率變動(dòng)、電流脈沖注入引起阻抗變動(dòng)等。被動(dòng)式保護(hù)的缺點(diǎn)是在負(fù)載和逆變器輸出功率匹配時(shí)很難檢測(cè)孤島的發(fā)生。主動(dòng)式檢測(cè)方式通過對(duì)逆變器輸出進(jìn)行主動(dòng)干擾，即使發(fā)生孤島時(shí)負(fù)載和逆變器輸出功率匹配，也會(huì)破壞系統(tǒng)平衡，造成系統(tǒng)電壓、頻率明顯變動(dòng)，從而確定孤島產(chǎn)生，但在某些情況下也存在檢測(cè)盲區(qū)[16-18]。主動(dòng)式和被動(dòng)式保護(hù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，光伏系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置至少各一種主動(dòng)和被動(dòng)防孤島效應(yīng)保護(hù)，且當(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，斷開與電網(wǎng)的連接。

2.2.4 諧波

逆變器使用了大量的電力電子元件，在逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生諧波，所以并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量與性能對(duì)并網(wǎng)交流電的電能質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

表2 電流諧波限值

光伏并網(wǎng)電站諧波電壓和電流的允許水平主要取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負(fù)載/設(shè)備類型，以及電網(wǎng)的現(xiàn)行規(guī)定。按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，向公共連接點(diǎn)注入的諧波電流應(yīng)滿足GB/T14549－1993的要求。各次諧波應(yīng)限制在表2所列的百分比內(nèi)。此范圍內(nèi)的偶次諧波應(yīng)小于低的奇次諧波限值的25%。建議供電公司在工程投產(chǎn)后，測(cè)試相關(guān)電網(wǎng)的諧波，以保證電壓質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過上文的闡述，可得到以下結(jié)論：光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大程度與逆變器的性能和制備工藝密切相關(guān)；在各種滲透水平的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)生故障和系統(tǒng)與公用電網(wǎng)斷開同時(shí)進(jìn)行的概率為0，因而在大型光伏系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的檢測(cè)仍存在障礙；逆變器故障時(shí)最常發(fā)生的故障，這主要是由于首批逆變器生產(chǎn)廠商缺乏經(jīng)驗(yàn)，后期生產(chǎn)的部分逆變器發(fā)生故障不排除與電網(wǎng)的連結(jié)問題造成擾動(dòng)引起；被動(dòng)方法檢測(cè)孤島效應(yīng)基本是通過監(jiān)測(cè)所選的參數(shù)如電壓、頻率及它們的異常引起逆變器停止運(yùn)作，主動(dòng)方法檢測(cè)孤島效應(yīng)即在連接芯片中故意引入設(shè)定的變更過擾動(dòng)并監(jiān)測(cè)公用電網(wǎng)的變化，看其固定電壓頻率阻抗等是否正常發(fā)生異常，發(fā)生異常則逆變器停止工作。實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電仍需要解決諸多技術(shù)瓶頸，只要進(jìn)一步致力于研究這些問題，太陽能光伏發(fā)電必將順利與國(guó)家電網(wǎng)無損結(jié)合，從而為節(jié)能減排做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

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