太阳能并网发电技术概述

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一、太阳能并网发电增长情况太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是 21世纪最具吸引力的能源利用技术。在全球范围内太阳能光伏电池产能显著增长的同时，太阳能光伏并网发电的发展步伐也逐年加快。据 EPIA统计数据， 20世纪末期，太阳能光伏并网发电容量开始出现逐年扩大的趋向。21世纪以来，全球太阳能光伏并网发电年度并网容量增长 44.1 倍，从 2000年的 287MW递增至 2008年的 12.95GW，年均增长率达 60.99，同比 2007年增长72.67。全球太阳能光伏并网发电并网累积总量增长 10.5倍，从 2000年的 1.435GW增长至 2008年的 16.4GW，年均增长率为 35.6，同比 2007年增长 60.78；预计 2010年的全球累积并网将接近 30GW。过去几年并网光伏装机主要集中于 3个国家日本、德国和美国。主要原因是上述国家对于光伏发电支持性政策较多，而近几年其他诸如西班牙、韩国、葡萄牙等国家也相继出台了一系列政策鼓励太阳能光伏应用的发展。随着太阳能光伏并网发电技术的发展步伐逐步加快，发达国家的新增并网容量增长趋势愈发明显。同时又随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到那时候，光伏发电将会进入商业化应用阶段。欧盟已成为全球太阳能光伏并网发电的主导区域，引领未来全球太阳能光伏并网发电的发展。可以预测，欧盟太阳能光伏并网发电将于 2010－ 2020年逐步大规模进入主流能源市场， 2020－ 2030年间接近电力市场高峰电价，在 2020－ 2040年间接近电力市场平均电价。二、并网发电系统的原理及组成通过太阳能电池（又称光伏电池）将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统（又称太阳能光伏发电系统）。太阳能发电是将太阳光能直接转换成电能的转换方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的太阳能并网发电技术概述林燕太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是 21世纪最具吸引力的能源利用技术。在全球范围内太阳能光伏电池产能显著增长的同时，太阳能光伏并网发电的发展步伐业逐年加快。据 EPIA统计数据， 20世纪末期，太阳能光伏并网发电容量开始出现逐年扩大的趋向。2009.12. DQGY 42S PECIAL REPORTS ON PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION TECHNOLOGY光伏发电技术专题光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两大类。光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池为系统的基本单元，它是由太阳能电池单体串、并封装成的组件，根据系统的需要，太阳能电池再串、并联连接并装在支架上构成太阳能电池阵列（ PV Array ）。在光伏电池的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能。光伏发电系统，是利用光伏电池方阵将太阳能转化为电能并储存到系统的蓄电池中或直接供负载使用的可再生能源装置。其工作原理是白天，光伏电池组件接收太阳光，转换为电能，一部分供给直流或交流负载工作；另一部分多余的电量可通过防反充二极管给蓄电池组充电，在夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作时，蓄电池组供电给直流或交流负载工作。光伏发电系统一般是包括光伏电池板、 DC-DC变换装置、储能装置、电能输出变换装置、控制器五大部分，见图 1。1 光伏电池板光伏电池板是系统的基本单元，当光照在电池阵列上时，电池吸收光能并产生光伏效应，将太阳能转化为直流电能。2 太阳能控制器由于光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，为保证光伏电池阵列在任何日照和环境温度下始终可以输出相应的最大功率，通常引入了光伏电池最大功率点跟踪（ MPPT-Maximum Power Point Tracking ）控制。3DC-DC变换装置通过控制回路中功率器件的导通与关断，将光伏电池阵列输出的低压直流电升压成高压直流电，为 DC-AC逆变器的工作提供前提条件，能保证在直流输入电压大范围变化的情况下输出稳定的高压直流电，并同时实现最大功率跟踪控制功能。4 逆变器逆变器的作用就是将光伏电池板和蓄电池提供的低压直流电逆变成 220伏交流电，供给交流负载使用。5 储能装置蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择应与光伏电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是将光伏电池阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。太阳能并网发电系统能够将太阳能转化为电能，且不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器把电能送上电网。家庭光伏并网发电系统的原理如图 2所示，白天有日照时，太阳光照射太阳能电池板后产生的直流电，经逆变器转换成交流电后供设备使用。所发电的电力超出设施的消耗电力时，剩余的电力将逆流到商用交流电网由电力公司购买。即使是阴天或雨天，根据日照量也可以发电。当所发的电量不能满足设施内的消耗时，不足的部分可从电力公司购买。夜间不能发电时，用于设施的电力也将从电力公司购买。1. 太阳能电池组件太阳能电池片是一个单一的可发电器件，相当于一节有 0.5V 左右电压的电池；而电池组件则相当于有多节电池经串 / 并联组成的电池组。太阳能电池组件的组成数量通常是由系统电压（蓄电池电压）来决定，通常组件电压是蓄电池电压的 1.4-1.5 倍。例如蓄电池电压为12V，组件工作电压一般为 16.8-18V 之间，那么电池片数2009.12. DQGY 43图 1 光伏发电系统组成量为 18V/0.5V ，也就是 36片。所以常用数量 36或 40片，大功率组件为 72片。经过封装后组合成可以独立作为电源使用的太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，能够广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。2. 太阳能逆变器太阳能逆变器是一种功率电子电路，能把太阳能电池板的直流电压转换为交流电压来驱动家用电器、照明及电机工具等交流负载，是整个太阳能发电系统的关键组件。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。逆变器有两个基本功能一方面是为完成 DC/AC转换的电流连接到电网，另一方面是找出最佳的操作点以优化太阳能光伏系统的效率。对于特定的太阳光辐射、温度及电池类型，太阳能光伏系统都相应有唯一的最佳电压及电流，从而使光伏系统产生最大的能量。三、并网发电系统的优点与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点1. 利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，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。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染，并降低了造价。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用，并且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抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。四、太阳能并网对电网的影响由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差、调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。1. 对线路潮流的影响未接入光伏并网发电系统的时候，配电网线路潮流2009.12. DQGY 44S PECIAL REPORTS ON PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION TECHNOLOGY光伏发电技术专题一般是单向流动的并且随着距变电站的距离增加有功潮流单调减少。然而，当分散电源接入配电网后，从根本上改变了系统潮流的模式且潮流变得无法预测。光伏发电系统并网后，当允许光伏发电系统向电网输出电能时，根据光伏发电系统和负荷的空间关系，线路沿线的潮流可能是增加的也可能是减少的。当线路上的光伏发电系统输出电能大于当前的负荷时，线路的某些部分甚至是全部潮流可能是反向的。这种非常规的潮流模式会产生多方面的影响，如潮流的改变使得电压调整很难维持；还会导致配电网的电压调整设备如阶跃电压调整器、有载调压变压器、开关电容器组出现异常响应；而且如果从光伏发电系统流向变电所的潮流足够大时，光伏发电系统附近的设备可能会过负荷或电压越限，从而影响系统供电可靠性。同时，由于光伏发电系统的输出受天气的影响很大，具有随机变化的特性，使得系统的潮流具有随机性。2. 对系统保护的影响当配电网接有多个分散电源以后，短路电流将会增大，这将会导致过流保护配合失误，而且过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。另外，未接入光伏发电系统之前的配电网一般是辐射状的网络，其保护不具有方向性，而接入光伏发电系统以后，整个配电网变成含有多电源的网络，网络潮流的流向具有不确定性。因此，必须要求装设具有方向性的保护装置，但传统的熔断器和自动重合闸装置并不具备方向性。传统的保护系统是以辐射状电网为设计基础的，随着分散发电在配电网中的深入应用，保护系统的设计基础也应该相应的发生变化。3. 不能减少传统旋转机组的拥有量由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。因为光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少电力系统发电机组的拥有量或冗余，所以电网必须为光伏发电系统准备相应的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的，这当然是发电商所不愿意看到的。由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时，如果地理气象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。4. 对电能质量的影响分散电源接入电网会造成电压波动与闪变以及谐波。大型光伏发电系统启动或者光伏发电系统的输出突然变化或发生较大的变化都会引起电压的波动与闪变。由于光伏发电系统作为分散电源本身就是个谐波源而且部分的分散电源经过逆变器接入电网，于是产生谐波在所难免。5. 节能减排效果有待深入探讨光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益，这也是作为政策制定者需要考虑的问题。光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究，因为当光伏并网发电的同时电网公司也在考虑电网安全、稳定和经济，所以往往减少出力的不仅仅是火电厂，尤其是考虑旋转备用时，也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务（水电厂承当旋转备用任务损失较小）。6. 对运行调度的影响当系统接有分散电源以后，电力系统为了提高系统的可靠性和安全性，希望可以对光伏发电系统的输出功率进行远方调度。目前我国处于厂网分开的电力市场初级阶段，只有大型的电厂参与到区域级 / 省级的电力市场上进行竞价，而分散电源则由地区电网进行调度。整个配电网的供电量就由两部分组成省电网供电和分散电源供电。面对电价不一且数量众多的分散电源，地区电网如何在满足各种安全约束的条件下最经济的对分散电源进行调度将成为一个值得关注的问题。2009.12. DQGY 45电器