并网·微网·智能网·全球联网

赵春江

（上海电力学院太阳能研究所，上海 200090）

0 引言

太阳能潜力巨大，太阳还可以“燃烧”800亿年。向太阳索取电能是工业化发展到今天、大量化石能源被消耗且面临枯竭的必然趋势。太阳能光伏发电（以下简称PV）技术是人类向太阳索取电能的重要途径。晶体硅电池、非晶硅电池、化合物电池、染料敏化电池等展现自身特点和优势的舞台就是太阳能PV系统。

1 并网型太阳能光伏发电系统

太阳能PV系统的应用主要分为空间和地面两大类，就系统而言又可分为PV离网系统（Off-Grid System或Stand-Alone System）和PV并网系统（On-Grid System或Connected-Grid System），并且随着科技和时代的发展又衍生出多种形式。太阳电池发的电是直流，通过控制逆变装置变换成交流，经过相位整合后同电网的交流电合起来使用。采用这种形态的PV系统就是PV并网系统。PV并网供电形式是PV系统技术的主流发展趋势。PV系统技术日益完善，系统形式也越来越多样化。目前有无蓄电池无逆流（即不向电网倒送电）系统、有蓄电池无逆流系统、无蓄电池有逆流系统（PV系统剩余电力向电网输送，由电力部门回购），随着技术进步，今后将发展微网系统、智能电网系统和全球PV供电系统。

2 无蓄电池无逆流供电系统

图1 无蓄电池无逆流供电系统原理图

无蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池方阵和并网逆变器组成（见图1）。无逆流系统是指PV系统的功率始终小于或等于负载，不存在剩余电力，电力不够时由电网提供，也即PV系统与电网形成并联向负载供电。由于不会出现PV系统向电网输电的现象，因此称为无逆流。对于无蓄电池无逆流系统，即使PV系统因某种原因（比如负载侧某用电器停止用电等）产生剩余电力时，也只能通过某种手段放弃，比如部分切断或全部切断太阳电池方阵的直流输出。这种系统对充分利用PV设备不利，因此应用较少。

3 有蓄电池无逆流供电系统

有蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池阵列、蓄电池组和带有充放电控制及电源自动切换装置的控制逆变器组成（见图2）。PV系统的发电量受气象影响很大，且白昼发电，晚间不发电，用户要获得稳定的电力供应并在用电时间段方面不受限制，可以采用适量的蓄电池蓄电。对于无逆流供电系统，在负载侧负荷下降、PV侧电力剩余的情况下，蓄电池可以贮存剩余的PV系统电能，在PV系统电力供应不足时释放，起到调衡系统供电的作用。另外可通过控制系统限制电网向蓄电池充电。这种带有蓄电池的无逆流供电系统仍然是PV系统与电网形成并联向负载供电，并且设计上往往考虑太阳能发电系统优先供电，在蓄电池电压下降到一定值时供电系统将自动切换到商业电网。事实上，这种供电系统可以视作是在有电网地区对离网系统的优化。工程范例见图3。

图2 有蓄电池无逆流供电系统原理图

图3中，供电方式为有蓄电池无逆流PV系统与商业电网并联供电；系统主体设备为太阳电池方阵170 W×6块，蓄电池200 A·h×12 V×4个，控制逆变器(含充放电控制)1台。

图3 上海市卢湾区复兴公园公厕PV供电系统

4 无蓄电池有逆流供电系统

PV系统剩余电力可以向电网倒送的系统称为有逆流供电系统。有逆流供电系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器组成，系统规模较大的情况下还要追加一些必要的配套设备，如直流控制装置、交流控制装置及升压系统等，见图4。系统的用户在电力使用上可通过电网来调节，PV系统有剩余电力时向电网发送电力，电力不足时从电网输入电力，因此大多数系统不配备蓄电池。有逆流供电系统小到千瓦级的家庭PV系统，大到兆瓦级、10 MW级乃至将来用于沙漠发电的吉瓦级PV系统，大小不一，灵活多变，但是系统的基本构成相差不大。根据就近接入的电网电压高低可以分为低压并网系统和高压并网系统，前者的特点在于PV系统发的电直接被分配到住宅内或区域内的用电负载上，多余或不足的电力通过所连接的低压电网来调节，系统效率和电能使用效率较高；后者的特点在于PV系统发的电直接通过升压系统被输送到高压电网上，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位，由于PV系统所发电力到达负载前要经过升压和降压两道口子，电能使用效率会下降一些。通常家庭PV系统和几十千瓦级的办公楼PV系统都采用低压并网方式，以发挥小型PV系统就地发电就地使用的特点。对于百千瓦级以上的大系统，通常多数采用高压并网方式，由于要追加升压装置和完善接入系统，工程设计会稍微复杂一些。总的来说，有逆流供电系统结构简洁，故障率低，维护简单，系统效率高。图5为日本家用PV并网供电系统结构原理图。无蓄电池有逆流供电系统工程示例见图6。

图4 无蓄电池有逆流供电系统原理图（低压并网方式）

图5 日本家用PV并网供电系统结构原理图

图6 上海市闵行区3 kW家用PV供电系统

图6中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵136 W×22块，并网逆变器2.5 kW×1台。

5 建筑一体化光伏技术

随着太阳能发电市场的迅猛发展和城市化进程的推进，太阳能发电与建筑的结合越来越受到人们的重视。事实上，在各国政府提出屋顶太阳能发电计划的同时，太阳能工程师们就开始考虑能使环境优美、居住舒适的建筑一体化光伏（Building Integrated PhotoVoltaic，BIPV）技术了。

BIPV技术是大规模应用太阳能的需要，也是人类就近利用太阳能这一最终唯一安全可靠能源的最好方式。把太阳能同生态结合起来、把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发展成独立能源、自我循环式的新型建筑，这也是人类进步和社会、科学技术发展的必然。工程示例见图7。

图7 上海电力学院南汇校区学生多功能生态活动中心BIPV供电系统

图7中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵185 W×54块，并网逆变器2.8 kW×3台。

6 大型屋顶PV系统

在大城市里推广PV系统技术，占用宝贵的绿化地和公园用地等显然是不合理的。解决安装场地的最好办法就是除了利用住宅区建筑之外，还可以利用大量的办公大楼安装太阳电池。国家电网浙江省电力公司生产调度大楼太阳能光伏发电系统就是一个应用典范。该系统由太阳电池方阵（总容量为244.11 kW）、直流汇流装置、交直流控制装置、并网逆变器、交流升压装置及输电设备（电缆、桥架等）构成，采用高压并网方式，由交流升压装置把逆变器输出的400 V三相交流电升压至10 kV后再接入当地公共电网，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位。工程示例见图8～11。

图8中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400 V→10 kV）并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵270 W×16块/串×48串，175 W×15块/串×14串，直流汇流箱8台，交直流组合柜3台，并网逆变器50 kW×1台、100W×2台，升压变压器400 kV·A×1台。

图8 浙江省电力公司250 kW太阳能屋顶并网光伏电站示范工程

图9中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400 V→10 kV）并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵，用12664块多晶硅光伏组件组成6个子系统，总功率3 MW，并网逆变中压变压器500 kV·A×6台。

图9 盐城阜宁3 MW屋顶光伏发电系统（MW级工程）

图10中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400 V→10 kV→110 kV）并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵，用98684块多晶硅光伏组件组成38个子系统，总功率20 MW，并网逆变中压变压器500 kV·A×38台，高压变压器20 MV·A×1台。

图11中，供电方式为无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400 V→10 kV）并网供电；系统主体设备为太阳电池方阵，总功率3 MW，并网逆变器500 kW×1台、250 kW×1台、100 kW×18台、50 kW×3台、5 kW×25台，升压变压器1250 kV·A×1台、1600 kV·A×1台。

图10 徐州协鑫20 MW光伏电站

图11 上海世博会3 MW屋顶光伏发电系统

7 微网系统

微网系统（Micro-Grid）是一种独立性很强的分散型电源网络，是智能电网的基础。该系统是由太阳能光伏发电、风力发电、小水力发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来，再加入计量和控制装置，自成系统，独立于大电网或间歇与大电网连接，不需要长距离输电线（电缆）和架空铁塔等大型设备，投资省，不需要大规模投资，也解决了远距离运输大型设备的成本，尤其可以解决大型发电设备运往岛屿和山区的困难（见图12）。由于其自我调衡，因此能把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度，还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率。它还是解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的最佳方案。该技术目前尚处于研究和完善阶段，但可以预期其进入实际应用将为期不远。

图12 微网系统的典型构成及原理

8 智能电网系统

智能电网（Smart-grid）的提出并非偶然，是有多种原因的，其中很重要的因素就是分散型的可再生能源（太阳能、风能、生物质能等）电力的大量应用和上网造成电网管理日益复杂和困难，且势头已不可逆转，需要改革传统的管理方式，运用现代高科技来调控和管理。作为大规模接纳可再生能源电力的电网技术必须做到对频率和电压波动的抑制，同时维持和提高电力质量，并提高电力的使用效率。其主要手段是在微网供配电技术基础上借助通信网络（移动通信、无线通信等）来把握安装有PV系统的家庭、办公楼等用电户与发电厂之间供需电情况，进行远距离监测和控制（见图13）。可以说智能电网是利用微网技术和IT技术形成的新一代电网。据资料称，日本搞智能电网技术研究的科技人员中有70%来自于IT行业，这足以说明IT技术与智能电网技术的密切关系。发挥IT在快速准确传递信息方面的技术特点，在国家一级的广大区域内实时掌控电力使用状况和发电状况，进行电力需求调整，包括对PV电力和风电等不稳定电力进行调控。

图13 智能电网概念图

9 全球PV供电系统

全球PV供电系统是一种理想的光伏电力资源共享网络，利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地区进行大规模太阳能发电，远距离输电线路全部采用超导电缆，并把各国的国家电网连接起来，形成一个超级PV供配电系统，见图14。就全球而言，这个PV系统总在工作，美国白天PV系统的过剩电力可以送往正处于晚间的中国，反之亦然。

图14 全球PV供电系统概念图

10 结语

从200年前的工业革命开始，人类在大规模开发利用矿物能源的过程中，既获得了电动机械、高速交通工具、成千上万种家电和霓虹闪烁的夜生活带来的享受，也饱受了煤炭石油造成的无情污染和气候变化之苦，并且每时每刻都把自己置身于切尔诺贝利核电泄露事件那样的威胁之下。到如今，连这种乐中带苦的“享受”也难以为继了，我们无法得知矿物能源枯竭的那一天何时到来，但是人类已经感觉到这种威胁的日益逼近。随着时代的进步和科技的发展，大规模利用PV技术进行太阳能发电已经蓬勃兴起，也许清洁、无污染、永不枯竭的太阳能才能真正地让人类从此走上一条可持续发展之路。