并网光伏发电系统综述(上)

ｇ　§ａ　帮　●王长贵　一并网光伏系统优越性和国外发展概况　并网光伏系统就是光伏发电系统与常规电网相　万屋顶计划”，自１９９９年１月开始实施。计划提出，　１９９９年建设６０００套，２０００年建设９０００套，２００１年　建设１２０００套，２００２年建设１７０００套，２００３年建设　２４０００套，２００４年建设３２０００套，累计１０万套，光　伏组件总装机容量３００ＭＷ。，现已全部完成。　美国是最早进行并网光伏发电的国家。２０世纪　８０年代初开始实施ＰＶＵＳＡ计划，即光伏发电公共　电力规模应用计划，建造了１００ｋｗ以上的大型并网　联，共同承担供电任务。光伏发电进入大规模商业　化应用的必由之路，就是将光伏系统接入常规电网，　并网发电。目前并网光伏系统的年安装容量已占到　世界光伏电池年产量的７０％以上，发展迅猛。　并网光伏发电系统具有许多优越性，可概括为　以下几点：　（１）利用清洁干净、可再生的太阳能发电，不耗　用化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与　生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。　（２）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省　掉蓄电池，比光伏系统的建设投资减少２５％～　３０％，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池还可　提高系统的平均无故障时间及避免蓄电池的二次　光伏电站４座，最大的为６ＭＷ。１９９６年在能源部的　支持下又开始了一项“光伏建筑物计划（ＰＶ—　ＢＯＮＵＳ）”，共投资达２０亿美元。１９９７年６月，在联　合国环境与发展大会上又宣布了一个宏伟的“百万　太阳能屋顶计划”。该计划的目标是：到２０１０年累　计安装１０１．４万套太阳能住宅（包括并网屋顶光伏系　统和太阳能供热系统），光伏组件的总装机容量为　３０２５ＭＷｐ，届时，系统的建设成本可降到２美元　，　电价可降到７．７美分／（ｋＷｈ），年可减排ＣＯ　３５１．１万　吨，总计可增加就业７．１５万人。该计划现已由加州　施实。　污染。　（３）光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电　又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利　用发挥多种功能，不但有利于降低建设费，还使建　筑物科技含量提高，增加“卖点”。　（４）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和　退出电网灵活，既有利于增强电力系统抗风险的能　力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低　线路损耗。　日本１９９４年１月开始实施“朝日七年计划”，到　２０００年安装１６．２万套并网屋顶光伏系统，光伏组件　总安装容量１８５ＭＷｐ。１９９７年又再次宣布实施“７万　屋顶计划”，每套容量扩大为４ｋＷｐ，光伏组件总安　装容量为２８０ＭＷｐ。据日本经产省的数据，到２００１　（５）并网光伏系统还可起到调峰作用。　并网光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领　域竞相发展的热点和重点，是世界光伏发电的主流　发展趋势，市场巨大，前景广阔。各国并网光伏系　统发展情况如下：　德国于１９９０年首先开始实施由投资支持、　被电力公司承认的“ｌ０００屋顶计划”，后扩展为　年底，日本国内已建设光伏系统５．２万套，光伏组件　总装机容量达到３１２ＭＷｐ。日本提出的发展目　标是，到２　０　１　０年光伏组件的总装机容量达到　４７００ＭＷｐ。　瑞士提出从１９９１～２０００年的１０年间为３０２９个　村庄的居民安装光伏屋顶系统。　意大利１９９８年开始实施“太阳能屋顶计划”，５　年共投入５５００亿里拉（约合３亿美元），到２００２年光　“２０００屋顶计划”。到１９９７年，已成功建成１００００多　个并网住宅光伏屋顶系统，每套１～５ｋＷｐ，总计安　装光伏组件３３ＭＷ。。紧接着，又于１９９８年提出“１０　———　伏组件总安装容量达到５０ＭＷｐ。　澳大利亚提出了一个光伏组件总安装容量为　一　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧｙ　２／２００８　维普资讯 http://www.cqvip.com 硼　７５０ＭＷ　的并网光伏屋顶计划，目前正在积极推行。　时间不相匹配而设计的。住宅系统由于输出的电量　２０００年悉尼奥运会时，ＢＰ太阳能公司在运动员村安　受天气和季节的制约，而用电又有时间的区分，为　装了６６５套屋顶光伏系统，每套光伏组件功率ｌｋＷ　。　保证电力平衡，一般均设计成为逆流系统。无逆流系　印度于１９９７年１２月也宣布了一项光伏屋顶计　统，则是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷　划，提出到２００２年在全印度将推广１５０万套光伏屋　的用电量，电量不够时由电网提供，即光伏系统与电　顶系统。　网形成并联向负载供电。这种系统，即使当光伏系统　紧跟国际光伏应用市场的主流，近年来我国也　由于某种特殊原因产生剩余电能，也只能通过某种　积极开展了并网光伏发电试验示范工程的建设。截　手段加以处理或放弃。由于不会出现光伏系统向电　至２００７年１Ｏ月，全国已建和在建的并网光伏发电　网输电的情况，所以称为无逆流系统（图２）。　工程共有３Ｏ多个，总装机容量达１０ＭＷ左右。２００７　电网　年８月，发布的　可再生能源中长期发展规　划））更对并网光伏发电建设提出了明确的发展目　标：到２０１０年，全国建成１０００个屋顶光伏发电项　目，总容量为５万ｋＷ；到２０２０年，全国建成２万　个屋顶光伏发电项目，总容量达到１００万ｋＷ。到　２０１０年，全国建成多处大型并网光伏电站，总容量　为２万ｋＷ；到２０２０年，全国光伏电站总容量达到　电网　２Ｏ万ｋＷ。　二并网光伏系统类型、工作原理和设备构成　并网光伏系统可分为集中式大型并网光伏系统　（以下简称大型并网光伏电站）和分散式小型并网光　伏系统（以下简称住宅并网光伏系统）两大类型。大　图２无逆流系统　型并网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送　到电网上，由电网统一调配向用户供电。建设这种　住宅系统又有家庭系统和小区系统之分。家庭　大型并网光伏电站，投资巨大、建设期长，需要复　系统，装机容量较小，一般为１～５ｋＷ。，为自家供　杂的控制和配电设备，并要占用大片土地，同时其　电，由自家管理，计量电量。小区系统，装机　发电成本目前要比市电贵数倍，因而发展不快。而　容量较大些，一般为５Ｏ～３００ｋｗ。，为一个小区或一　住宅并网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶　栋建筑物供电，统一管理，集中分表计量电量。　并网光伏系统，由于建设容易、投资不大，许多国　根据光伏系统是否配置蓄电池，又分为可调度　家又相继出台了一系列激励，因而在各发达国　型系统和不可调度型系统。配置少量蓄电池的系统，　家倍受青睐，发展迅速，成为主流。因此，下面重　称为可调度型系统（图３）。不配置蓄电池的系统，称　点介绍住宅并网光伏系统。　为不可调型系统（图４）。可调度型系统主动性较强，当　住宅并网光伏系统的主要特点是，所发的电能　出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。　直接分配到住宅（用户）的用电负载上，多余或不足　的电力通过联接电网来调节。住宅系统可分为有逆　流和无逆流两种形式。有逆流系统，是在光伏系统　产生剩余电力时将该电能送入电网，由于与电网的　供电方向相反，所以称为逆流；当光伏系统电力不　够时，则由电网供电（图１）。这种系统，一般是为光　伏系统的发电能力大于负载或发电时间同负荷用电　图３可调度型（带蓄电池）系统　———　一　ＳＯＬＡＲ　ＩＺＮＥＲＧＹ　２／２００８　维普资讯 http://www.cqvip.com 住宅并网光伏系统通常是白天光伏系统发电量　大而负载耗电量小，晚上光伏系统不发电而负载耗　（１）建筑与光伏系统相结合　作为光伏与建筑相结合的第一步，是将现成的　平板式光伏组件安装在建筑物的屋顶等处，引出端　经过逆变和控制装置与电网连接，由光伏系统和电　电量大。将光伏系统与电网相联，就可将光伏系统　白天所发的多余电力“储存”到电网中，待用电时　随时取用，省掉了储能蓄电池。其工作原理是：太　阳电池方阵在太阳光辐照下发出直流电，经逆变器　转换为交流电，供用电器使用；系统同时又与电网　相联，白天将太阳电池方阵发出的多余电量经并网　网并联向住宅（用户）供电，多余电力向电网反馈，不　足电力向电网取用。　（２）建筑与光伏组件相结合　光伏与建筑相结合的进一步目标，是将光伏器　逆变器逆变为符合所接电网电能质量要求的交流电　件与建筑材料集成化。建筑物的外墙一般都采用涂　馈入电网，在晚上或阴雨天发电量不足时，由电网　料、马赛克等材料，为了美观，有的甚至采用价格　向住宅（用户）供电。住宅并网系统所带负载的电压，　昂贵的玻璃幕墙等，其功能是起保护内部及装饰的　在我国一般为单相２２０Ｖ和三相３８０Ｖ，所接入的电　作用。如果把屋顶、向阳外墙、遮阳板、窗户等材　网为低压商用电网。　料用光伏器件来代替，既能作为建筑材料和装饰材　料，又能发电，一举两得，一物多用，使光伏系统　的造价降低，发电成本下降。这就对光伏器件提出　了更高、更新的要求，应具有建筑材料所要求的隔　热保温、电气绝缘、防火阻燃、防水防潮、抗风耐　雪、重量较轻、具有一定强度和刚度且不易破裂等　性能，还应具有寿命与建材同步、安全可靠、美观　图４不可调度型（不带蓄电池）系统　大方、便于施工等特点。如果作为窗户材料，应能　典型住宅并网光伏系统主要由太阳电池方阵、　够透光。美国、日本、德国等发达国家在的资　并网逆变器和控制器等三大部分构成，如图５所示。　助下，经过努力，研究开发出不少这类光伏器件与　建筑材料集成化的产品，有的已在工程上应用，有　的在试验示范，并且还在进一步研究更新的品种。　目前已研发出的品种　双层玻璃大尺寸光伏幕墙，　透明和半透明光伏组件，隔热隔音外墙光伏构件，　光伏屋面瓦，大尺寸、无边框、双玻璃屋面光伏构　件，面积达２ｍ　左右代替屋顶蒙皮的光伏构件，光　１．接线箱；２．并网逆变器；３．配电箱：４．电表（向电网输出）　５．电表（从电网引入）　伏电池不同颜色、不同形状、不同排列的构件，屋　图５典型住宅联网光伏系统　面和墙体柔性光伏构件等。　光伏建筑一体化系统的关键技术问题之一是，　１太阳电池方阵　设计良好的冷却通风，这是因为光伏组件的发电效　目前工程上应用的太阳电池方阵多为由一定数　率随其表面工作温度的上升而下降。理论和试验证　量的晶体硅太阳电池组件按照并网逆变器输入电压　明，在光伏组件屋面设计通风通道，可使组件的电　的要求串、并联组成。住宅并网系统的光伏方阵一　力输出提高８．３％左右，表面温度降低１５℃左右。　般都用支架安装在建筑物的屋顶上，如能在住宅或　２并网逆变器　建筑建设时就考虑方阵的安装朝向和倾斜角度等要　（１）并网逆变器功能　求，并预选埋好地脚螺栓等固定元件，则光伏方阵　并网逆变器是并网光伏系统的核心部件和技术　安装将更为方便和快捷。　关键。并网逆变器与逆变器不同之处是，它不　住宅并网光伏系统光伏器件的突出特点和优点　仅可将太阳电池方阵发出的直流电转换为交流电，　是与建筑相结合，目前主要有如下两种形式：　并且还可对频率、电压、电流、相位、有功与无功、　———　一　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧＹ　２／２００８　维普资讯 http://www.cqvip.com 同步、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制，　具有如下功能：　①自动开关。根据从日出到日落的日照条件，　尽量发挥太阳电池方阵输出功率的潜力，在此范围　①电网频率变压器绝缘方式。采用脉宽调制　（ＰＷＭ）逆变器产生电网频率的交流，并采用电网频　率变压器进行绝缘和变压。它具有良好的抗雷击和　消除尖波的性能。但由于采用了电网频率变压器，　因而较为笨重。　内实现自动开始和停止。　②最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）控制。对跟随太阳电　池方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输　出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保　持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。　②高频变压器绝缘方式。其优点是体积小、质　量轻，但回路较为复杂。　③无变压器方式。特点是体积小、质量轻、成　本低、可靠性能高，但与电网之间没有绝缘。　后两种方式均具有检测直流电流输出的功能，　进一步提高了安全性。无变压器方式（图７）由于在成　本、尺寸、重量及效率等方面具有优势，因而目前　应用广泛。　……一一一　③防止单独（孤岛）运行。系统所在地发生停电，　当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输　出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过　系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独（孤　岛）运转。在这种情况下，本应停了电的配电线中又　有了电，这对于安全检查人员是危险的，因此要设　置防止单独运行功能。　囹进变造…………一　④自动电压调整。在剩余电力逆流入电网时，　因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有可能超　过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，　运转过程中要能够自动防止电压上升。　⑤异常情况排解与停止运行。当系统所在地电　网或逆变器发生故障时，并网逆变器的保护功能应　控制逆变器停止运转，以便及时排查。　　Ｉ控制回路　：　图７无变压器方式联网逆变器回路构成　（４）最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）技术　太阳电池方阵的输出随太阳辐射照度和太阳电　池方阵表面温度而变动，因此需要跟踪太阳电池方　阵的工作点并进行控制，以获取最大的功率输出。　（２）并网逆变器构成　并网逆变器主要由逆变器和并网保护器两大部　分构成，如图６所示。　ＭＰＰＴ技术就是起这种作用。　电流，　功率尸　图６并网逆变器构成（绝缘变压器方式）　ａ　黾仕　并网保护器是一种安全装置，主要用于频率上　下波动、过欠电压和电网停电等的监测，一般装设　在逆变器中，也有单独设置的。　（３）并网逆变器回路方式　已进入实用的主要有电网频率变压器绝缘方　式、高频变压器绝缘方式和无变压器方式三种。　———　图８　ＭＰＰＴ控制原理示意图　每隔一定时间让并网逆变器的直流工作电压　变动一次，测定此时太阳电池方阵输出功率，并同　上次进行比较，使并网逆变器的直流电压始终沿　功率变大的方向变化。图８为ＭＰＰＴ控制原理示意　图。（待续）　ＳＯＬＡＲ　ＥＮＥＲＧＹ　２／２００８