光伏太阳能技术及其并网特性——电力企业节能减排之有效途径

文／上海长兴供电公司 瞿卫东／

1 引言

“十二五”发展规划对于节能减排提出了更具有挑战性的目标，即：单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低16%和17%，非化石能源占一次能源消费比重提高到11.4%，主要污染物排放总量减少8%至10%，森林蓄积量增加6亿立方米，森林覆盖率达到21.66%。已有研究人员指出，为进一步更好更快实现“十二五”发展规划关于节能减排的目标，对于电力行业，节能减排的措施主要包括：通过“上大压小”政策，实现结构减排；提高电力工业的烟气脱硫，实现工程减排；扩大清洁能源比例，减少煤炭消耗总量。可见新能源的发展和利用在节能电力系统的节能减排过程中占据非常重要的地位，而其中的太阳能光伏发电在补偿国家电网发展电力这一平台发挥着至关重要的作用。光伏发电系统与国家电网的并网及风电互补等措施的施行迫在眉睫。本文旨在综述太阳能光伏发电系统及其并网进程的一些突出问题。

根据中国电力科学研究院的预测及现有规划，光伏发电总量在2010年可达到350MW，2020年为1.8GW，2050年将达到600GW。截止到2010年末可再生能源装置在中国占总电力能源装置的30%，其中光伏发电占5%。

光伏并网发电系统的优点是可以使发电系统更有效地利用公用电网。然而公用电网侧和光伏系统侧的技术需求都必须满足保证光伏组件安装者的安全且不影响公用电网的稳定性要求。光伏并网发电系统面临着诸如孤岛效应及谐波失真等问题，因此它们就成为扩大光伏并网发电系统应用范围亟待解决的问题[1]。光伏系统与国家电网的互联是通过逆变器实现的，它可将光伏电池发出的直流电转换为给一般用电器供电的交流电，因此逆变系统是光伏并网发电系统的重要组成部分。

2 光伏发电系统的并网发电特性

2.1 世界光伏组件及电学性能

全球光伏产业的一个特征是，光伏发电正以越来越快的速度代替其他形式的电能，特别在光伏并网发电系统中更为明显。太阳电池产生的电能取决于光伏组件本身的性质和它所接收的太阳辐射，太阳电池的物理本质可在文献中得知[2]。

光伏发电系统可分为独立光伏系统和并网系统，再依据安装环境可进行进一步分类。独立光伏系统也称离网系统，其应用包括边远地区家庭电力供应、边远地区集中发电、通讯用电力供应、阴极保护及照明。中小型离网光伏发电系统的功率为5～100kW，大型或者更大型的为100kWp。

独立发电系统中的逆变器须通过需要的电流来控制其输出交流电压，系统还需要蓄电池，在太阳电池处于低功率输出、多云天气或者夜晚时向负载供电。现有技术把类似的功能集成在并网光伏发电逆变器中，但这一举措的采取与现有的优化功率光伏系统相比，会增加发电的成本。

2.2 并网发电光伏系统

并网光伏发电系统包括建筑光伏一体化系统和地面光伏系统（光伏盐碱地、沙滩和沙漠光伏系统）。在现有的整个并网光伏系统中，光伏组件发出的电力在毫秒时间内即被消耗。过剩的电力可经由能量储存装置如水泵来收集，但传统的储能装置的响应速度远比用于调整峰值功率而使输入电网的能流稳定速度慢。另外，当负载在公用电网上达到一峰值水平时，系统必须激活每一个可用的发电电源对电网进行供电以防止节流导致公用电网电压崩溃。

表1给出了并网光伏系统从96年到05年的市场份额[3]。

表1 并网光伏发电的市场份额年均增长率

并网光伏发电仍是增长最快的发电技术，累计装机容量以55%的速率从2004年的2.0GW增长到3.1GW，全球年增长的一半发生在德国，一年中装机超过600MW。光伏并网系统发电量的增长量中，日本为300MW，美国为70MW。2005年出现了几个里程碑如世界上规模最大的太阳能光伏电站的启用，德国总发电量为10MW电站的建设及许多发电量为数千瓦的商用设施的启用。德国的光伏发电累计容量首次超过日本。加上离网发电系统，与2004年的4.0GW相比，全球光伏总量已增长为5.4GW。

在中国成功示范的并网光伏发电厂用的都是输出电压较低的光伏组件，其发容量较小而并未通过电网输送所发电力，因而对电网的正常运行几乎没有什么影响。[4,5]

文献[6]概括总结了泰国一个500kW并网光伏电站的性能，该光伏系统被全面监控来评估光伏系统的潜在技术瓶颈和与当地电网并联的系统特性。该光伏系统中组件的效率介于9%～12%之间，功率调节装置的效率在92%～98%之间终产率为2.91h/d（2004年3月）到3.98h/d（2004年4月）。性能比从0.7～0.9。其俘获损失Lc和系统损失Ls在文献中有详细阐述。这些损失与下列因素相关：电池的运作条件并非标准测试条件，电压在直流系统和保护二极管中下降，灰尘、部分遮阴对光伏组件中的光电参数有一定影响，工作电压高于最大功率点，光谱和光入射角的变化等等。并非上述所有的因素都会被涉及到，只有通过辅助的实验数据才能将这么多损失影响都考虑在内。这些工作有望在项目的后续阶段中完成。

直流输送且电压较低时，由于输电导体引起的损失是相当可观的，关键是要确定导体结的大小以确保压降小于1.5%，因此要求逆变器必须装置于光伏阵列附近，使得逆变器在电池板发出的最大直流电压下工作，即在它的可耐最大电压下工作，由此来增强逆变器的性能并降低欧姆损耗。[7]

2.2.1 高渗透水平的并网光伏系统面临的潜在问题

对高渗透水平的并网光伏系统，许多文献都研究了它们潜在的问题。渗透水平（penetration levels）定义为光伏组件额定功率（Wp）与输电线路的最大负载之比。文献结果如下：

文献[8]研究了云遮对中央集中光伏电厂的瞬态影响，研究结果表明，系统的极限渗透水平约为5%，与传统发电系统相比，瞬态云遮对系统的影响较大。文献[9]则基于南加州爱迪生中央光伏电厂的运作情况，称并未遇到此类问题，光伏系统与电网的连结稳定且在结点上只有非常小的渗透水平。文献[10]处理了俄克拉荷马公共服务公司在系统平均渗透水平为15%条件下的电压调节问题。15%是瞬间云遮引起的可控制范围内的最大功率变化，因此称为系统的最高渗透水平。文献[11]中的一项研究是加德纳MA光伏项目的谐波问题。加德纳56kW的光伏系统其渗透水平为37%。它所采用的逆变器是第一代正弦波脉冲宽度调制逆变器。[12]家庭光伏组件都装置于一13.8kW的单相输电线路的终端，光伏组件对电压失真的影响约为0.2%，这一影响远低于一般负载所引起的失真[11]，由此得出了只要光伏逆变器设计得当就可避免谐波失真的问题。加德纳MA光伏工程着眼于四个领域：稳态和慢瞬态云遮对系统的影响；集中光伏系统对即时瞬态云遮如何响应，如开关孤岛效应、故障及用电高峰；集中光伏对系统谐波的影响以及配电系统的整体性能。该文评估了高渗透水平光伏系统的总体影响，最终结论是37%的渗透水平在以上四个领域中并未引起故障。

国际能源机构对光伏能源系统四期工程进行了一系列报道，包括孤岛效应，荷载量认证情况及示范项目的成果等。最重要的是它处理了电压增大的问题。[13]其中一份报告聚焦于低电压高渗透水平的三个光伏系统。此项研究得出了最大光伏渗透水平等同于每个输电线路的最低负载这一结论。文献[14]指出，如果负载量为最大时，渗透水平为25%那么就只有很少的过压情形发生，而在负载量最小时，再增大其渗透水平，就会使得过压情形全面出现。

2.2.2 并网逆变器

逆变技术是使并网光伏系统安全可靠的关键技术，它也要求在合理价格为交流公用系统提供高质量的电源。为满足要求，最新技术也已经运用到逆变器中，通过对装有脉冲宽度调制的半导体器件运用高频开关技术，高转换效率控制芯片上的微处理器实现了光伏系统输出功率的控制，控制芯片对系统起到保护作用，即在于电网互联时保证光伏系统的安全，逆变器的成本也得到了控制。

任何一个连接到电网的逆变系统都不能降低结点的供电质量，这一点是非常重要的。同时低质量的电流对装入系统中逆变器的影响也很大。这些逆变系统不会影响电源的质量，考虑到它对电网谐波的影响，控制电流和控制电压的逆变器有很大的不同。在一个未与电网连接的孤立系统中，应提供电压控制装置。相关研究结果表明，装有自整流电压逆变系统的逆变器，在1kW以下或者100kW以上电流控制器使用更为普遍，在简单控制系统中可得更高的功率因数，而且运用于并网系统中时，当受到公共电网电压的波动影响时，可抑制电流的变化。

2.2.3 孤岛效应的检测方法

光伏电站作为分布式电源通过并网逆变器并网，必须具备防孤岛效应保护。

孤岛效应是指电网失压时，光伏系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态[15]。具体地讲，就是当电力公司的供电，因故障或停电检修而跳闸时（例如大电网停电），并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离供电网络，形成由并网发电系统和当地负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。

防孤岛效应保护主要分为被动式和主动式。被动式包括电压相位跳动、三次电压谐波变动、频率变化率等，即在不改变输出特性的基础上对输出状态的检测保护。主动式主要有频率偏离、有功功率变动、无功功率变动、电流脉冲注入引起阻抗变动等。被动式保护的缺点是在负载和逆变器输出功率匹配时很难检测孤岛的发生。主动式检测方式通过对逆变器输出进行主动干扰，即使发生孤岛时负载和逆变器输出功率匹配，也会破坏系统平衡，造成系统电压、频率明显变动，从而确定孤岛产生，但在某些情况下也存在检测盲区[16-18]。主动式和被动式保护各有优缺点，因此，光伏系统应设置至少各一种主动和被动防孤岛效应保护，且当电网失压时，防孤岛效应保护应在2s内动作，断开与电网的连接。

2.2.4 谐波

逆变器使用了大量的电力电子元件，在逆变器将直流转换为交流的过程中，不可避免地会产生谐波，所以并网逆变器的质量与性能对并网交流电的电能质量有着至关重要的影响，应谨慎选择。

表2 电流谐波限值

光伏并网电站谐波电压和电流的允许水平主要取决于配电系统的特性、供电类型、所连接的负载/设备类型，以及电网的现行规定。按照《光伏发电站接入电力系统技术规定》，光伏发电站并网运行时，向公共连接点注入的谐波电流应满足GB/T14549－1993的要求。各次谐波应限制在表2所列的百分比内。此范围内的偶次谐波应小于低的奇次谐波限值的25%。建议供电公司在工程投产后，测试相关电网的谐波，以保证电压质量。

3 结论

通过上文的阐述，可得到以下结论：光伏电站规模的扩大程度与逆变器的性能和制备工艺密切相关；在各种渗透水平的光伏发电系统中，发生故障和系统与公用电网断开同时进行的概率为0，因而在大型光伏系统中孤岛效应的检测仍存在障碍；逆变器故障时最常发生的故障，这主要是由于首批逆变器生产厂商缺乏经验，后期生产的部分逆变器发生故障不排除与电网的连结问题造成扰动引起；被动方法检测孤岛效应基本是通过监测所选的参数如电压、频率及它们的异常引起逆变器停止运作，主动方法检测孤岛效应即在连接芯片中故意引入设定的变更过扰动并监测公用电网的变化，看其固定电压频率阻抗等是否正常发生异常，发生异常则逆变器停止工作。实现光伏并网发电仍需要解决诸多技术瓶颈，只要进一步致力于研究这些问题，太阳能光伏发电必将顺利与国家电网无损结合，从而为节能减排做出相应的贡献。

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