太阳能光伏发电的并网技术.pdf

第 3 2卷第 4期 2 0 1 1 年 8 月 电力与 能源 3 1 3 张军军 ， 商 振 ， 吴福保 ( 国网电力科学研究 院， 南京2 1 O 0 0 3 ) 摘要 ： 光伏发 电作为最有发展前 景的一种可再生绿色能源 ， 已经成为当今能源发 电领域 的研究热点 ， 介绍 了 光伏 发电并网技术的研究现状及关键技术 ， 重点对光伏发 电的逆变器 最大功率 点跟踪 技术 、 孤 岛检测 技术 以 及光伏 电站并 网控 制技术进行 了讨论 ， 并且 预测 了光伏发 电技术 的发展趋 势。 关键词 ： 光伏发 电； 可再生能源 ； 光 电效 应 ； 最大功率点跟踪 ； 孤 岛效应 ； 并网光伏电站 中图分类号 ： T M6 1 5 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 1 ) O 4 一O 3 1 3 一O 4 Th e S u r v e y o f Ph o t o v o l t a ic Po we r Ge n e r a t io n Te c h n o l o g y Zh a n g J u n j u n，S h a n g Zh e n，W“Fu b a o ( S t a t e Gr i d El e c t r ic P o we r Re s e a r c h I n s t it u t e ，Na n j in g 2 1 0 0 0 3。 Ch i n a) 随着 光伏 发 电成本 快速 下 降 ， 商 业进 程加 快 ， 世界 光 伏 发 电 总 装 机 容 量 达 到 2 2 0 0 万 k w ， 比 2 0 0 8 年 增 长 4 6 。德 国 已完 成 “ 十万 屋顶 计划 ” ， 总装 机容量 超 过 3 0 0 Mw ； 美 国 出台“ 百 万 太 阳能 屋顶 计划 ” ， 光 伏总装 机 容量 约为 3 0 2 5 MW ； 日本 目前 屋顶 光伏 总装 机 容 量 已达 到 4 7 0 0 MW 。近 年来 我 国也 在加 快 推 进 新 能 源 发 电 的 发展 ， 并 出 台 了 金 太 阳 鼓 励 政 策 以 加 快 太 阳 能 光 伏 的 发 展 _ 1 ， 预 计 到 2 0 2 0年 ， 光 伏 装 机 容 量 将 达 到 2 GW 。 并 网 系统 目前 存在 两 种 主 要应 用 方 式 ： 大 型光 伏 电站 和建筑 光伏 系统 。 随着 光伏 技术 及 应 用 的快 速 发 展 ， 相 关 领 域 技 术人 员 和专 家对光 伏发 电并 网技术展 开 了深 入 研 究 ， 本文 将 对 国 内外 的研 究 现 状 进 行 总结 。太 阳能光 伏并 网发 电涉 及 到 较 多 方 面 的技 术 ， 本 文 还 将 对光 伏 逆 变 器 的 MP P T 和 防 孤 岛技 术 以及 光伏 电站 并 网技 术 等 关键 点 进 行 讨 论 ， 并 讨 论 光 伏 发 电并 网技 术 的发展 趋势 。 1 并网运行光伏发 电的发展现状 太 阳 能光 伏 发 电作 为 一 种 可 再 生 的 清 洁 能 源， 近年来在各国经济发展深受能源资源和环境 保 护压力 下 的背 景 下 得 到 了很 大 发 展 ， 并 将 在 低 碳经济时代得到进一 步发展 。在 2 O世纪 8 0年 代 ， 一些 工业 发达 国家 开 始 建设 百千 瓦 级 到 兆 瓦 级的并 网光伏 电站 。德 国于 1 9 9 0年首先开始实 施由政 府 投 资 支持 的 “ 屋 顶 计 划 ” ， 后 扩 展 为 “ 1 0 0 0 屋顶 计 划 ” ， 到 1 9 9 7年 德 国境 内 已成 功 建 成 1 0 0 0 0多个 并 网住宅 光伏 屋顶 系统 ， 安 装 光伏 组件3 3 Mw 。 1 9 9 8年德 国政 府 又 提 出 “ 1 0万 屋 顶 计 划” ， 自 1 9 9 9年 1月 开始 实施 ， 光伏 组件 总 装机 容 量 3 0 0 Mw ， 现 已全部 完成 。美 国 1 9 9 6年在 能 源部的支持下开始 了一项“ 光伏建筑物计划” ， 共 投资达 2 0亿美元 ， 1 9 9 7年 6月美 国政府 宣布 了 宏 伟 的“ 百 万 太 阳 能 屋 顶 计 划 ” 。该 计 划 的 目标 是 ： 到 2 0 1 0年累 计 安 装 1 0 1 4万 套 太 阳能 住 宅 ， 光伏 组件 的总装 机容 量 为 3 0 2 5 MW 。 日本 政府 从 1 9 9 4年 1月开 始实施 “ 朝 日七 年 计划 ” ， 规 划要 求 到 2 0 0 0年安 装 1 6 2万 套 并 网屋 顶 光 伏 系 统 ， 光 伏组 件 总 安 装 容 量 1 8 5 Mw 。1 9 9 7年 日本 政 府 再 次宣 布 实施 “ 7万 屋 顶 计 划 ” ， 光伏 组 件 总 安 装 容 量 为 2 8 0 Mw 。 日本 政 府 提 出 的 发 展 目标 是 ， 到 2 0 1 0年 光 伏 组 件 的 总 装 机 容 量 要 达 到 4 7 0 0 Mw ， 目前 已 经 基 本 实 现 。欧 洲 光 伏 协 会 提 出到 2 0 2 0年 欧盟 光 伏 发 电 占所 有 发 电 量 的 比 例 将 达到 1 2 。 我 国在“ 六五” 至“ 九五” 期间的国家科技攻关 计划 ， 主要 围绕 独立 光 伏 电站 及 其 控 制 器 和逆 变 器的攻关及产品开发 ， 并建设完成很多太阳能光 伏 应 用示 范工 程 。“ 十 五 ” 和 “ 十一 五 ” 期 间 ， 光 伏 发 电研究 重点 逐渐 转移 到并 网光 伏 系统 的部 件研 究 和 系统 开发 方面 ， 并在 系列 并 网逆变 器 、 光伏 建 筑一体化、 大型并 网光伏电站以及光伏阵列 自动 跟踪系统方面取得 了可喜 的进展 。2 0 0 7年 1 O 3 1 4 张军军 ， 等 ： 太 阳能光伏发 电的并 网技术 月， 国务院发布的 可再生能源中长期发展规划 对 并 网光伏 发 电建 设 提 出 了 明确 的发 展 目标 ： 到 2 0 1 0年 ， 全 国建 成 1 0 0 0 个 屋 顶光 伏 发 电 项 目， 总 容 量为 5万 k w ， 到 2 0 2 0年 全 国建 成 2万 个 屋 顶 光 伏发 电项 目， 总容 量达 到 1 0 0万 k w 。广 东 、 江 苏 和上 海 已制定 规 划建 设 “ 光 伏 屋顶 ” ， 上 海 提 出 “ 1 0万屋顶 计 划 ” ， 旨在 使 1 O万个 屋 顶 安装 光伏 发 电装 置 ， 每个 屋 顶利 用 3 O m ， 全 市 总结 3 0 0万 m 。 ，占上 海 全 市 屋 顶 面积 的 1 5 。 同 时 ， 在 甘 肃 、 西藏 和 内蒙 古 等 建 立 并计 划 建 立 多 座 大 型沙 漠光 伏 示 范 电站 ， 包 括 敦 煌 1 O MW 光 伏 并 网发 电项 目， 全球最大光伏电站一 鄂尔多斯 2 G w 光伏 电站等等 ， 为我 国屋顶光伏并 网发 电和沙漠电站 技术 的规模 化 发展 积累 了经验 。 目前我 国的小功 率逆 变器 已经 与 国外处 于 同一 水 平 ， 但 是 在 大功 率并 网逆变器上研发水平与国外差距较大。我国 目前 是光伏 产 品 的制 造 大 国和 应用 小 国 ， 光 伏 市 场和应用仍然主要集 中在欧洲 ， 我 国商业化 的光 伏电力市场刚刚启 动， 光伏发 电仅仅停留在实验 示范 阶段 ， 市场 份额 不到 1 9 6 。 光伏 发 电 并 网 系统 主 要 包 括 太 阳 能 电池 阵 列 ， 并 网逆 变 器 组 成 ， 并 辅 以相 应 的 中 央集 控 系 统 。光伏 并 网发 电技术 关 键 在 于 并 网逆 变器 ， 逆 变器性能的改进对于提高系统的效率 、 可靠性， 提 高 系统 的寿命 、 降 低成 本 至 关 重 要 。随 着 电力 电 子技 术 、 微 电子技 术 和 现 代 控 制理 论 的进 步 不 断 改进 ， 逆 变技 术 正 向着 频 率更 高 、 功 率 更 大 、 效率 更 高 、 体 积更 小 的 方 向发展 。 目前 逆 变 器 的研究 集中于针对“ 孤岛效应” 的被动和主动防护检测方 法 ， 以及 MP P T 控 制 、 电网 电流 控 制及 电 压 放 大 等课题 I 】 。德 国 S MA是 全 球 最早 生 产 光伏 逆 变 器 的生 产 企 业 ， 占全 球 市 场 3 3 左 右 的市 场 份 额 ， 为 全球 光伏 逆变器 领 军企业 。此 外 ， 光 伏 发 电 领域相 关 国际技 术标 准在 积极 完善 之 中。I E C及 I E E E分别 就光 伏发 电相关 技 术 出 台 了相关 的技 术标 准 。I E C 6 2 4 4 6标准 对光 伏组 串性 能 ， 电压异 常 ( 扰动 ) 测试 ， 频 率 异 常 ( 扰 动 ) 测 试 及 防 孤 岛保 护特性测试等给出了相关规范_ 3 ， I E E E P 1 5 4 7 标 准为光伏并网系统的各种保护性能 ， 控制对电网 性能的影 响提 出 了完整 的评 估体 系L 4 。T UV， UL等实 验 室 已经 开展 光 伏逆 变 器 并 网性 能 检 验 认 证工 作 。 。 2 光伏逆变 器 MP P T技术 最 大功率 跟踪 技术 是通 过调 整光 伏阵列 端 电 压 ， 使光 伏阵列 在 各 种 不 同 的 日照 和温 度 环 境下 实 现最 大 功率 输 出 。 目前 常见 的 MP P T 方 法 包 括 恒 电压跟踪 ( C VT) 方法 、 干 扰 观 测法 及 电 导增 量法 等 。 1 )恒 电压 跟 踪 采 用 恒 电压 跟 踪 方 法 在光 照强 度变 化时 保 持输 出 电压 不 变 ， 所 用 光 伏器 件 基本 为最 大功率 输 出 。恒 电压跟踪 的优 点是 控制 简单 ， 但是 结论 是 在 假设 温 度 不 变 的情 况 下 推 出 的 ， 而实 际工作 中输 出 功率 是 随温 度 变化 而变 化 的 ， 光 伏 阵列 的功率 输 出将 随温度 变化 ， 采用 恒定 电压控制阵列的输出功率将会偏离最大功率输出 点 ， 产 生较 大 的 功 率损 失 。特 别 在 太 阳能 电池 的 结温 升高 比较 明 显 时 ， 阵列 的伏 安 曲线 与 系统 预 先设定 的工作电压 可能不存在交点， 引起 系统振 荡 。 为 了克服环 境 温 度 变 化 对 系统 造 成 的 影 响 ， 可以事先将特定光伏阵列在不 同温度下测得的最 大功率点电压值储存在控制器 中， 运行时控制器 根据 检测 光伏 阵 列 的温 度 ， 通 过 查 表 选取 合 适 的 电压 给定 值 。在光 伏发 电 系统 中增加 一块 与光伏 阵列 相 同特性 的 较 小 的光 伏 电池 模 块 ， 检 测 其开 路电压， 按照固定系数计算得 到当前最大功率点 电压 。 2 )扰 动观 测 法 扰 动 观 测 法 ( P e r t u r b a t io n a n d o b s e r v a t io n me t h o d ) 的原 理 是 每 隔一 定 的 时 间增加或者减少光伏阵列输 出电压 ， 然后根据机 组输 出的功率 变 化 方 向调 整光 伏 系统 输 出 电压 ， 使 输 出功率 达到 最大 功率 点 。该 方 法跟踪 方法 简 单 ， 实现容易， 对传感器精度要求不高， 但是在光 伏阵列的运行最大功率点附近振荡 ， 导致一定功 率 损失 ， 而 且跟 踪 步 长 的设 定 无 法兼 顾 跟 踪 精 度 和响应 速 度 ， 特 别 是 在太 阳光 照 强 度 和环 境 温 度 急剧变 化 时 ， 扰 动观 测法 可 能会跟踪 失败 。 图 1为 日照剧烈变化情况下光伏器件的功率 变化情况 ， 图中 I ， 分别是光伏 器件在不同 日照 条件下的两条功率 曲线 。假设光伏器件工作在曲 线 I 最大功率点附近的 A点 ， 此时工作点电压为 U ， 输出功率为 P ， 扰动观察法正常工作时光伏 器件的工作点将会根据控制结果移动到 A ， 若 日 照 强度 突然下 降 ， 光 伏 器 件 的输 出功 率 则 由曲线 张军军 ， 等 ： 太 阳能光伏发 电的并 网技术 3 1 5 工变化 为 曲线 且 工作 在 B点 ， 此 时光 伏 器 件 的 输 出电压 为 己 ， e ， 输 出功 率 为 P n 。 比较 日照变 化 前后光 伏器 件相 关 参 数 的变 化 ， 由扰 动 观 察 法 判 断光伏器件工作在最大功率点右侧 ， 系统根据计 算 结果 希望 通过减 小 输 出功率 给定来 提 高光 伏器 件的输出功率 ， 但此 时光伏器件工作在最大功率 点左侧 ， 如果此时 日照持续下降， 那么逆变器的输 出功率持 续减 小 ， 光 伏 器 件 的工 作 点 继续 左 移 距 离最 大功 率点 越 来 越 远 ， 从 而 失 去对 最 大 功 率 点 的跟踪控 制能 力 。 A 、 图 1扰 动 观 祭 法 失 控 原 理 图 3 )电导 增 量 法 电 导 增 量 法 ( i n c r e me n t a l c o n d u c t a n c e me t h o d ) 通 过 比较 光 伏 阵 列 的 电导 增量 和 瞬时 电导值 来改 变控 制信 号从 而跟 踪最 大 功率 点 ， 控 制算 法 需 要 通 过 测 量 光伏 阵列 的输 出 电压 、 电 流的 变化 量来 确 定 。电导 增 量 法 实 际 上 是 对扰 动观 察法 的改 进 ， 只是 光 伏 器 件 工 作 在 最 大 功率 点时控 制 有所 不 同 。 由最大功率点处 d P d 【 ，的值等 于 0 ， 可以得 到 ： d 1 一一 d U U 电导增 量 法控制 精 确 ， 响应速 度 比较快 ， 稳 态 振 荡 比干扰 观测 法 要 小 ， 但 是 对 硬 件 的 要 求 特别 是传 感器 的精 度 要 求 比较 高 ， 因而 整个 系统 的硬 件造 价 比较高 。 以上 几种 最大 功 率 跟 踪 技 术 各有 缺 点 ， 目前 已经有专家学者针对这些 问题开展 了相关研究 。 文 献 8 对被 部 分遮 挡 的 串联 光 伏 组 件输 出特 性 展 开分 析 ， 从 理 论上 推 导 出 串联 太 阳 能 电 池组 件 被 部分遮 挡 后 的 U 和 P U 特 性 曲线 ， 指 出 功率 输 出的多 峰 值特 性 ， 导致 建 立 在 功 率 输 出曲 线 的单 峰 性 基 础 上 的传 统 的 MP P T 法 失 效 。文 献 9 提出了一种改进 的 MP P T算法 ， 在实现上 述功能的同时 ， 也提高 了单级式光伏并网逆变 系 统 在遇 到光 照强度 快 速变化 时 的稳定 性 。该算 法 改进后 ， 稳态情况下可根据增减方 向选取合适的 步 长值 调整 光伏 阵列 的工 作 点 ； 动 态 情 况 下 采用 前 馈方 法检 测光 照 强 度 突 变 过 程 ， 可 迅 速 改 变并 网系统 运行 状态 ， 避 免母 线 电压崩 溃 。 3光伏逆 变器防孤 岛技术 美 国 S a n d ia国家 实验 室把 孤 岛效 应定 义 为 ： 当电力公司的供 电因故障或维修而停 电时， 光伏 并 网发 电系 统未 能 将 自身 切 离 市 电 网路 ， 结果 和 周 围的负 载形 成 的一个 电力 公 司无 法掌 握 的 自给 供 电孤 岛 。孤 岛运 行 存在 以下 问 题 ： 电力公 司 输 电线路 维修 人 员 的触 电危 险 ； 影 响 配 电 系统 上 的传 统继 电保 护性 能 ； 孤 岛 运行 供 电 电压 与 频 率 的不稳 定 ， 电能质量 下 降 ； 市 电网 络恢复 时 孤 岛区域 与市 电网相 位 不 同 步造 成 联 网 困难 ； 孤岛区域如采用单相逆变器可能造成区域 内三相 负 载 的缺相 问题 。 孤岛的检测方法一般分为被动检测和主动检 测 。其 中被 动 检 测 法 是 通 过 不 断 检 测 电 网状 态 ( 如 电压 ， 频 率等 ) 来判 断是 否 出现 孤岛 ， 包括 电压 频率 检 测 法 、 相 位 跳 变 检 测 法 、 电 压 谐 波 检 测 法 等。被动检测不会对电网产生干扰 ， 但是 当电网 负载 与逆 变器 输 出平 衡 时将 无 法 检 测 到 孤 岛 ， 存 在检测盲区。主动法是光伏逆变器定时发出扰动 信 号 ， 检 测 电 网响应来 判 断孤 岛 ， 包 括 主动式 阻抗 测 量法 、 有 功功 率 变 动 、 无 功 功率 变 动 、 频 率 偏 移 法等 。电 网正常运 行 时 ， 由于 电 网制 衡作 用 ， 主 动 扰动效 果 微弱 不足 以产 生影 响 ， 但 当孤 岛产生 时 。 主动产 生 的小 扰 动 将会 造 成 孤 岛 状 态 大 的 变 化 。 主动式 检 测方 法检 测盲 区较 小 ， 但 是 输 出谐 波 较 大 ， 而且 为 了克服 控 制算 法较 复杂 ， 实 际应用 比较 困难 一 。 孤 岛检测 的 技 术难 点 ， 已 有很 多学 者 提 出 了 更进一步的解决方案。文献 1 O 提出了一种新 的 被 动式 孤 岛检测 方法 ， 该方 法 以并 网公 共 连 接 点 P C C处频 率 变化 与 负荷 电压 变化 之 比 f A U作 为检 测 指标 ， 并把 它 与给定 的门槛 值相 比较 ， 判 断 并 网系统是否发生孤岛现象。文献 1 1 从多机并 网运行 的角度 对 孤 岛检 测 方 法 进 行 了研 究 ， 对 并 网逆变 器常 用 的移频 与移 相 两类 主动孤 岛 检测 技 术 在多 逆变 器并 联工 作 下 的相 互联 系及 内在影 响 进行 了深入分析 ， 同时给 出这两类方法下的逆变 器孤 岛检 测 设 计 注 意 事 项 及 孤 岛 算 法 参 数 选 取 方 法 。 3 1 6 张军军 ， 等 ： 太 阳能光伏发 电的并 网技 术 4光伏电站并网技术 光 伏 电站并 网运行 必须 在 多个方 面需 要满 足 电 网要 求 ， 其 中包 括 电能质 量 、 功率 和 电压调节 功 能 、 电网异 常情况 下 的保护 特性 等 ， 发 送 电能 的质 量 ， 必须 在谐 波 、 电压偏 差 、 电压 不平 衡度 、 直流 分 量 、 电压 波 动和 闪变 等方 面应满 足 国家相 关标 准 。 并 网逆 变器 在单 机 并 网运行 时 ， 一般 电流 纹 波 较 小 ， 但在 多机 并联 运行 时 ， 由 于逆 变器 输 出电流 纹 波 的 同相叠 加 ， 可能 引起 总 电流 谐 波超 标 或 电 网 谐 振 ， 造 成 电 网供 电质 量 的下 降 ， 因此 必须 对光 伏 逆变器的控制策略进行改进 ， 并 在电网合适节点 位置配置阻抗滤波以改善电能质量。 调度部门对于不同规模 的光伏电站有不同的 要 求 ， 大 型 和 中型光 伏 电站 应 具 有 有 功功 率 调 节 能力 ， 并 能根 据 电 网调 度 部 门指 令 控制 其 有 功 功 率 输 出 。为 了实 现 对 光 伏 电站 有 功 功 率 的控 制 ， 光伏 电站需 要安 装 有 功 功 率控 制 系统 ， 要 求 能 够 接收并 自动执行电网调度部 门远方发送的有功 出 力控制信号 ， 并根据电网频率值 、 电网调度部门指 令等信号 自动调节 电站 的有功功率输 出， 确保光 伏 电站 最 大输 出功率 及功 率变 化率 不超 过 电网调 度部门的给定值 ， 维护电力系统的稳定性 。 大 中型并 网光 伏 电站应 具备一 定 的耐受 电压 异 常和 系统频 率 异常 的能 力 ， 避 免 在 电网 电压 或 频率 异 常时脱 离 ， 引起 电 网 电源 进 一 步损 失 。对 于 小型光 伏 电站 ， 根 据 国家 电 网公 司光 伏 电 站 接 入 电 网技 术 规定 ( 试 行 ) 要 求 ， 当并 网点 处 电 压 超 出规定 的 电压范 围时 应 停止 向 电 网线 路 送 电 ； 当 并 网点 频率 在 4 9 5 5 O 2 Hz范 围外 时应 在 0 2 S 内停 止 向 电网线路 送 电 。 5 结语 可持续 发 展 的重 要 内容之 一就 是能 源消 费结 构 的转 换 ， 其 中取 之不 尽 用 之 不 竭 的 太 阳能 具 有 最 广 阔的发 展前 景 ， 是 各 国最 着 力 发 展 的可 再 生 能 源技 术之 一 。中 国具 有 很好 的太 阳能 资 源 ， 有 足够的建筑屋顶和沙漠 荒漠资源 ， 具有大规模发 展光伏发电的条件。太 阳能以其相对无限性 、 安 全 、 无 污染等 优势 必将 成为 2 l世纪最 有潜 力 的绿 色 能源 。 参考文献 ： 1 2 0 1 0 2 0 1 5年 中国太阳能光伏发 电产业投资分 析及前景预 测报 告 E B O L中 国 投 资 咨 询 网h t t p ： ww wo c n c o m c n 1- 2 3 王斯成 国内外光伏 发电现状及 趋势口 中国电力 发展与 改革研究 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 2 2 2 5 3 Gr i d c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c s y s t e ms - Mi n i mu m r e q u i r e me n t s f o r s y s t e m Do c u me n t a t io n，c o mmis s io n in g t e s t s a n d in s p e c t io n s I EC 6 2 4 4 6 E 4 D r a f t s t a n d a r d f o r c o n o r ma n c e t e s t s p r o c e d u r e s f o r e q u i p m e n t in t e r c Onn e c t ing d is t r ub t e d r e s o u r c e s wit h e l e c t r i c p o we r s y s t e ms ， Dr a f t 5 1 ， 2 o 0 4 S I E EE P 1 5 4 7 - 1 5 赵 为 太阳能光伏 并