試論光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

于永

（中國三峽集團(tuán)中國水利電力對外有限公司，北京 101100）

隨著煤炭、石油等化石能源儲量的不斷減少，人們面臨著能源短缺的嚴(yán)峻形勢。各國都在大力發(fā)展新能源，以改善人們生活的環(huán)境，維護(hù)人與自然的和諧。與水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電相比，太陽能發(fā)電具有無污染、無噪音、故障發(fā)生概率小、維護(hù)簡單、使用方便等特點(diǎn)。實(shí)際資料表明，光伏并網(wǎng)技術(shù)已成為一種新型的技術(shù)，尤其是大規(guī)模的太陽能光伏與并網(wǎng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，將會產(chǎn)生更多的電力。

1 關(guān)于光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

太陽能發(fā)電是一種利用半導(dǎo)體介面產(chǎn)生的光效應(yīng)，將光轉(zhuǎn)換成電的技術(shù)。太陽能并網(wǎng)技術(shù)是把太陽能電池陣列的直流電能轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓同幅值、同頻、同相的交流電，然后通過電力系統(tǒng)把電能傳輸給電網(wǎng)的一種技術(shù)。光伏并網(wǎng)需要解決的技術(shù)問題有光伏并網(wǎng)逆變、光伏并網(wǎng)監(jiān)控、反孤島保護(hù)、低壓穿越、直流并網(wǎng)等。

1.1 光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)

并網(wǎng)逆變技術(shù)是光伏并網(wǎng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能是把太陽能電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，使其與電網(wǎng)的電壓保持一致，從而達(dá)到與電網(wǎng)的電能交互。當(dāng)前，在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的逆變器有3大類：集中式逆變器、組串式逆變器、微型逆變器。

圖1

1.2 光伏并網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)

光伏發(fā)電的可靠和高效并網(wǎng)，是光伏發(fā)電的重要組成部分。目前，多數(shù)大型電廠都配備了監(jiān)測設(shè)備，這些設(shè)備除了具備正常的數(shù)據(jù)采集與保護(hù)功能外，還可以實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的能源管理，根據(jù)不同的使用情況，實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 反孤島保護(hù)技術(shù)

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為防止在電網(wǎng)失效時，光伏系統(tǒng)會與當(dāng)?shù)氐呢?fù)載進(jìn)行匹配，從而在一定的時間段內(nèi)形成孤島，從而危及電網(wǎng)中的用電設(shè)備，因此，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)要具備防孤島保護(hù)的能力。孤島探測技術(shù)主要有遠(yuǎn)程探測、被動探測、主動探測3種。

1.4 光伏直流并網(wǎng)技術(shù)

目前，我國的光伏并網(wǎng)正朝著大型化、集群化的方向發(fā)展，國內(nèi)外已陸續(xù)建造了一批規(guī)模龐大的太陽能光伏發(fā)電場，但偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)相對薄弱，直流接入電網(wǎng)的成本更低、效率更高。

1.5 太陽能光伏電池板

太陽能板主要由硅膠、鋁合金、接線盒、EVA、電池片、背板以及鋼化玻璃構(gòu)成。晶體硅是目前最重要的光電器件之一，在很長一段時間里，晶體硅都是主要的材料。但是，由于成本高昂，使得其應(yīng)用受到了一定的制約。太陽能光伏板是利用光電效應(yīng)和光化學(xué)作用原理實(shí)現(xiàn)的，它是利用太陽能的能量轉(zhuǎn)換成電能的。當(dāng)太陽光線照射到太陽能電池板上時，它會吸收光能，從而產(chǎn)生一種電子躍遷，使其產(chǎn)生電勢差異，使其工作。

1.6 太陽能光伏控制器

控制光伏發(fā)電過程中的能量波動，對提高電池的使用壽命具有重要的作用。太陽能光電控制器可為蓄電池提供適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏?，管控充、放狀態(tài)，從而達(dá)到延長蓄電池壽命的目的。太陽能光伏控制器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它對蓄電池的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)進(jìn)行了規(guī)定和控制，根據(jù)負(fù)荷要求來控制太陽能光伏電池設(shè)備和蓄電池的輸出強(qiáng)度。太陽能光電控制器對光電板進(jìn)行控制，從而控制電池的充電特性，具有通信功能、功率調(diào)節(jié)和保護(hù)功能。

1.7 并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器是一種特殊的逆變器，它既能使直流轉(zhuǎn)換為交流，又能保證輸出的交流電流在相位和頻率上都能與電力系統(tǒng)同步。并網(wǎng)逆變器的 AC輸出通常是60Hz或者50Hz。電力變壓器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)既有工頻變壓器、新型高頻變壓器，也有不帶變壓器的變壓器。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通常包括輸出電壓、額定輸出功率、美國加州能源學(xué)會（CEC）加權(quán)效率、峰值效率、峰值功率跟蹤電壓、啟動電壓、最大輸出電流、最大輸入電流和國際保護(hù)級別認(rèn)證等。該系統(tǒng)包括濾波電路、控制邏輯、逆變橋等。為方便對并網(wǎng)狀態(tài)下的太陽能光伏發(fā)電進(jìn)行監(jiān)控，要在配電箱內(nèi)安裝監(jiān)控系統(tǒng)。為有效地改善并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行安全性，要對其進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。

1.8 太陽能儲能裝置

太陽能電池是一種太陽能光伏系統(tǒng)的能量存儲，它是一種利用太陽能發(fā)電和供電需求之間的平衡來穩(wěn)定、持續(xù)的供電。在太陽能發(fā)電容量大于電力需求時，太陽能電池板可為蓄電池提供充足的電力。在電力供應(yīng)需求大于太陽能發(fā)電時，太陽能電池板將電力輸送至負(fù)荷，而蓄電池則為負(fù)荷提供備用電力。目前，膠質(zhì)蓄電池和鉛酸蓄電池由于具有良好的環(huán)保性能和較低的維護(hù)需求而受到人們的青睞。

2 光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 光伏發(fā)電的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)70年代開始對太陽能光伏技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并在初期進(jìn)行了大規(guī)模的投資。太陽能發(fā)電對我國的能源結(jié)構(gòu)起到了重要的促進(jìn)作用，目前，全國的光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量已達(dá)到1.4億千瓦以上。我國之所以持續(xù)使用和推廣光電技術(shù)，一方面，是因?yàn)槲覀儞碛胸S富的太陽能資源；另一方面，也是因?yàn)樗軌蛲耆珴M足廣大人民的需要。對安全、綠色能源的探索，要從太陽能發(fā)電技術(shù)入手，對太陽能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

圖2

2.2 我國光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展不協(xié)調(diào)

我國是世界知名的生產(chǎn)大國，在光伏行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域也是一樣。相關(guān)的產(chǎn)品包括生產(chǎn)晶片、生產(chǎn)光能電池等已經(jīng)能夠量產(chǎn)。隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很多國家的企業(yè)家也紛紛成立了自己的光伏產(chǎn)業(yè)公司。最大的問題在于，雖然光伏產(chǎn)業(yè)的規(guī)模很大，但是技術(shù)水平也很低。由此，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了嚴(yán)重的不和諧現(xiàn)象。目前，國外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，為了維護(hù)自身的利益，在技術(shù)上對我國的光伏產(chǎn)業(yè)形成了一種技術(shù)壟斷。從市場角度來看，國內(nèi)還有很多地方電力工業(yè)尚未飽和，而隨著社會的發(fā)展，太陽能的發(fā)展和應(yīng)用也會越來越好，對人們的生活也會有很大的幫助。

2.3 光伏發(fā)電的國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，日本和歐洲在光伏發(fā)電領(lǐng)域的占有率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國。所以，世界各地對光伏發(fā)電的重視程度越來越高，電池的容量和壽命也在不斷地增長，但電池單元的價格卻在下降，使得越來越多的光伏發(fā)電站不斷增加。全球光電產(chǎn)業(yè)正處在一個活躍的發(fā)展時期。2006年以前，我國的光電產(chǎn)業(yè)年增長率僅為33%，而隨著全球光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，其規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。相關(guān)資料表明，截至2010年，全球約有30GW并網(wǎng)發(fā)電，日本是全球最大的國家，歐洲的太陽能光伏發(fā)電達(dá)到了3GW。

2.4 國際光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的競爭激烈

隨著世界范圍內(nèi)的光伏行業(yè)發(fā)展，競爭的壓力越來越大，各國的光電行業(yè)都在爭先恐后地發(fā)展，研發(fā)出更好的產(chǎn)品。所以，要突破國外的壁壘，提升國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的競爭力，這是一個很大的挑戰(zhàn)。全球的光電技術(shù)一直在發(fā)展，主要表現(xiàn)在：（1）太陽能電池組件容量得到了提高。（2）太陽能電池裝置的價格一直在降低。（3）持續(xù)地延長太陽能電池總成的壽命。（4）持續(xù)降低硅材料的消耗。（5）增加屋頂并網(wǎng)的太陽能光伏系統(tǒng)。（6）減少發(fā)電費(fèi)用，減少電力價格。（7）逐步增加大規(guī)模的光電發(fā)電站。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)分析

3.1 子系統(tǒng)

對各獨(dú)立子系統(tǒng)及逆變器進(jìn)行充分的互聯(lián)，可構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。三相交流電與升壓變壓器完全展開，主要依靠并網(wǎng)的逆變器，再與電網(wǎng)相連。

3.2 主要設(shè)備

逆變器的最大功率和最小的單位費(fèi)用是密切相關(guān)的，當(dāng)出現(xiàn)故障時，大容量的逆變器會對系統(tǒng)造成很大的影響。所以，選擇合適的逆變器，不僅要考慮實(shí)際應(yīng)用中的光伏發(fā)電系統(tǒng)，而且還要考慮逆變器的容量。通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器進(jìn)行相關(guān)的檢測，可以利用直流電源來穩(wěn)定蓄電池的電流，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳遞給控制器，從而安全地運(yùn)行。當(dāng)采用一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)作為一個裝置的時候，這個方法也可以被用于并網(wǎng)的逆變器。

3.3 增壓系統(tǒng)

對電網(wǎng)進(jìn)行反饋的交流電電流主要來自并網(wǎng)的逆變器，而對其功率大小有影響的電力來自光伏系統(tǒng)。層間的分布主要為：上部為逆變器，下部為配電房。在選擇高低壓進(jìn)氣箱時，與低壓相對應(yīng)的進(jìn)氣箱是一個中央控制室和一個拉出開關(guān)柜。另外，變壓器的電壓和線圈的溫度也要通過電腦進(jìn)行監(jiān)測。增壓系統(tǒng)具有一次多臺逆變器的能力，它主要是通過組控制器來實(shí)現(xiàn)的，它不僅可以降低逆變器的損失，而且可以延長它的壽命。

3.4 保護(hù)措施

為確保升壓變壓器的供電及電壓能得到足夠的保護(hù)與控制，特設(shè)高溫跳閘裝置。此外，還設(shè)置了相關(guān)的保護(hù)裝置，以防止過電壓、欠電壓等。如果在釋放電流的過程中出現(xiàn)了問題，則主要是由逆變器切斷與系統(tǒng)的聯(lián)系，并保證系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.5 明確檢修目的，加大管理力度

要想徹底解決設(shè)備的問題，就要明確維修目標(biāo)，保證高質(zhì)量、高效率進(jìn)行。這就需要對維修人員進(jìn)行嚴(yán)格的管理，不但要對工作提出更多的關(guān)注，還要在檢修時制定清晰的維修任務(wù)，并且要保持一定的工作熱情，確保工作的完善和執(zhí)行，因此，驗(yàn)收工作也不能松懈。其次，加強(qiáng)維護(hù)過程的管理。根據(jù)維修人員存在的各種問題，規(guī)范和改進(jìn)維修資料，以提高管理水平。

3.6 提升檢修人員的素質(zhì)

為保證這項(xiàng)工作的順利進(jìn)行，要加強(qiáng)技術(shù)人員的素質(zhì)教育，及時進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其綜合素質(zhì)得到提高，使其在實(shí)際工作中能滿足本項(xiàng)工作的要求。同時建立健全的維修體系，以便對維修人員進(jìn)行約束和控制，保證系統(tǒng)在與實(shí)際維修工作相結(jié)合的情況下具有良好的適用性。

4 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，光電技術(shù)已成為一種具有太陽能優(yōu)勢的高潔凈能源發(fā)電方式。但由于我國的光伏發(fā)電技術(shù)起步較晚，在氣候變化、價格昂貴、逆變器產(chǎn)生諧波干擾等諸多問題的情況下，光伏發(fā)電技術(shù)仍需完善。隨著人們對太陽能的深入研究、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，將使太陽能光伏發(fā)電的問題得到更全面的解決，同時，并網(wǎng)的太陽能發(fā)電也必將在全球得到廣泛應(yīng)用。然而，關(guān)于光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究仍需進(jìn)一步探討，尤其是在轉(zhuǎn)換與控制方面。所以，對光伏并網(wǎng)技術(shù)的控制進(jìn)行深入的研究，在轉(zhuǎn)換方面也應(yīng)尋求更好的解決方案。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多以前被忽視的并網(wǎng)光伏技術(shù)，都將會在以后的研究中被解決。

5 結(jié)語

我國目前正處于經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的大背景下，提高太陽能發(fā)電技術(shù)在一定程度上既能解決環(huán)境污染問題，又能節(jié)約資源的浪費(fèi)。雖然目前國內(nèi)的并網(wǎng)式光伏發(fā)電技術(shù)還不夠成熟，在發(fā)展的過程中肯定會遇到很多問題，但是發(fā)展清潔能源一直是我們所關(guān)心的問題，而太陽能作為一種清潔能源，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，它的發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>