光伏并网发电系统应用现状与发展前景

光伏并网发电光伏并网发电 系统应用现状与发展前景系统应用现状与发展前景 目目 录录 摘 要 1 1 引言 1 2 光伏并网系统应用现状 2 2 1 全球应用现状 2 2 2 国内应用现状 4 3 光伏并网逆变器技术特点 6 3 1 主电路结构 6 3 2 控制策略 8 3 3 国内外产品比较 10 4 光伏并网系统市场前景 11 4 1 主要技术瓶颈 11 4 2 国际市场前景 12 4 3 中国市场前景 13 5 结束语 14 6 致谢 15 7 参考文献 16 光伏并网发电系统应用现状与发展前景光伏并网发电系统应用现状与发展前景 摘摘 要 要 太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一 光伏并网发电 是光伏发电的发展趋势 光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵 列的工作效率和整个系统的工作稳定性 实现并网发电系统输出的交流正弦电 流与电网电压同频同相 1 2 最大功率点跟踪 MPPT maximum power point tracking 是太阳能光伏发电系统中的重要技术 它能充分提高光伏阵列的整体 效率 在确定的外部条件下 随着负载的变化 太阳能电池的输出功率也会变 化 但始终存在一个最大功率点 当工作环境变化时 特别是日光照度和结温 变化时 太阳能电池的输出特性也随之变化 且太阳能电池输出特性的变化非 常复杂 目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵 因此 使用最大 功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率 充分利用太阳能电池的转换能量 应是光伏系统研究的一个重要方向 关键词 关键词 光伏并网发电系统应用现状 光伏并网逆变器技术特点 最大功率 点 1 1 引引 言言 随着人类社会的发展 能源的消耗量正在不断增加 世界上的化石能源总 有一天将达到极限 同时 由于大量燃烧矿物能源 全球的生态环境日益恶化 对人类的生存和发展构成了很大的威胁 在这样的背景下 太阳能作为一种巨 量的可再生能源 引起了人们的重视 各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电 产业的发展 1 而在我国 光伏系统的应用还刚刚起步 市场状况尚不明朗 针对这方面的空白 本文着重于今后发展前景广阔的光伏并网系统 通过对国 内外市场和技术的调研 分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发 电的发展前景 相信作为当今发展最迅速的高新技术之一 太阳能光伏发电技 术 特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化 2 2 光伏并网系统应用现状光伏并网系统应用现状 2 12 1 全球应用现状全球应用现状 目前 全球的光伏市场正处于稳定增长阶段 据 solarbuzz llc 年度 pv 工业报告显示 2007 年世界光伏市场比 2006 年增长了 62 2007 年一年的安 装量为 2826mwp 其中德国 2007 年的安装量为 1328mwp 占当年世界光伏市场 总量的 47 连续三年居世界首位 西班牙安装了 640mwp 为世界第二 日本 安装了 230mwp 世界第三 美国市场增加了 57 达到 220mwp 世界第四 表 1 和图 1 给出了 2006 年和 2007 年世界不同国家和地区的光伏市场份额 2 可 以看出 西班牙 意大利等欧洲国家的市场正在逐步扩大 而德国在 2006 年降 低了政府对光伏系统的补贴力度 日本也于 2006 年结束了光伏补贴政策 从而 导致了两国的市场增速放缓 中国市场也略有增加 但对于全球光伏市场来说 影响甚微 表 1 2007 年世界不同国家和地区的光伏市场及份额 图 1 2006 2007 年世界主要国家和地区光伏市场份额 在国际市场中 光伏系统的应用形式主要分为离网系统和并网系统两大类 图 2 显示了 1992 年至 2006 年 iea pvps 项目 成员国光伏系统的累计安装量 可以看到 并网系统已经毫无争议的占据了市场的主导地位 达到了 90 以上 成为该领域的发展潮流 j ka 图 2 iea pvps 项目成员国光伏系统累计安装量 并网系统又分为分布式和集中式两种 分布式主要应用在城市屋顶并网 光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面 种系统占地少 安装灵活 投资门 槛低 与离网系统相比 因为有电网电压支撑 可以不考虑负载特性而最大化 的提供功率 且省去了蓄电池降低了系统成本 在德国 日本 美国等提供上 网电价补贴的发达国家 普通居民均可投资建设并获取利润 而集中式则主要 指大型光伏并网电站 因为需要大量土地 一般建于大漠中 作为大电源直接 向高压电网送电 由于成本较高 一般由政府出资建设 由于欧美 日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系 统 如德国实施了 上网电价法 政府购电的价格达到德国火电价格的十倍 左右 美国则是通过抵税政策来支持企业和个人投资光伏并网系统 因此 分 布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统 在 iea pvps 项目成员国 中就达到了 14 1 2 22 2 国内应用现状国内应用现状 近年来 我国太阳能光伏产业发展十分迅速 光伏电池年产量已位居世界 第一 且年增长率达到 100 300 2 6 而与之相对 我国的光伏市场发展 相对迟缓 甚至可以说严重落后于光伏产业的发展 图 3 显示了自 1995 年以来 我国光伏市场的发展情况 可以看出 我国光伏市场的发展相当缓慢 2002 2003 年国家启动 送电到乡 工程 导致安装量有所突增 2004 2005 年回落到年安装量约 5mwp 的水平 2 7 2006 年以后 由于国家大型并网工程 的促进又有所回升 以 2007 年为例 我国当年光伏电池产量达到 1088mwp 但 国内只安装了 20mwp 其余几乎全部用于出口 可见 我国真正的太阳能光伏 市场还远没有形成 图 3 1995 年 2007 年我国光伏系统的年装机和累计装机容量变化 截止到 2007 年底 我国国内光伏系统的累计安装量只有 100mwp 与全球 近 12gwp 的装机容量相比所占份额非常小 其具体分配比例如图 4 所示 可以 看到 这些装机大部分均用于农村电气化 以解决无电地区人民的生活用电问 题 而并网系统仅占到了 6 2 图 4 截至 2007 年底我国光伏发电市场分配 对于我国已建成的几十个光伏并网发电系统 其安装功率从几千瓦到一兆 瓦不等 其中大部分都是政府推动的示范项目 由于我国电网技术等原因 这 些已建成的示范项目大部分处于试验性并网状态 大多数都安装了防逆流装置 不允许光伏电力通过电力变压器向高压电网 10kv 反送电 而只允许在低压 侧 380 220v 自发自用 总体来说 随着时间的推移 所建设并网系统的容量也在逐渐增大 目前 有 8 座兆瓦级光伏电站正在建设之中 预计 2009 年底可以完工 另外 为了体 现北京奥运会绿色奥运的精神 北京在国家体育中心 丰台垒球中心等奥运场 馆均使用了 100kwp 左右的光伏并网系统 用来降低建筑物能耗 这些示范工程 在促进光伏并网技术发展 降低 co2 排放等方面起到了很好的推动作用 但就 其经济性来讲 由于当前组件价格较贵 所以还是很不划算的 以首都博物馆 新馆安装的 300kwp 并网太阳能系统为例 总造价约 2000 万元人民币 而北京 每天的标准日照时间为 4 5 个小时 如果以事业型部门电价 0 6683 元 度计算 一年最多节约电费 5 300 0 6683 365 36 59 万元 回收成本共需要 2000 36 59 54 7 年 而电池板的寿命一般只有 20 30 年 这显然是不划算 的 又如深圳国际园林花卉博览园 1mwp 并网项目 总投资 6600 万人民币 而 20 年运营期内节约的电费只有 1360 万元 8 因此 今后较长的时间内光伏并 网发电仍需要政府政策的扶持才能发展 3 3 光伏并网逆变器技术特点光伏并网逆变器技术特点 3 13 1 主电路结构主电路结构 光伏并网发电系统根据光伏电池模块组合方式 可分为如 05 所示的四种主 要方式 中心集中式 图 5a 组串式 图 5b 模块集成式 图 5c 和多 组串式 图 5d 9 14 图 5 光伏系统与组件的组合方式 中心集中式是将多个光伏模块进行串并联的排列组合然后接入到一个逆变 器上 这种结构可以直接向光伏逆变器输入高电压和大电流 提高了转换效率 而且装置比较简单 成本低 适用于大型的高功率 10kw 三相光伏并网发电 系统 但其结构方式不够灵活 会产生许多电能质量问题 特别是当电池板局 部受到遮挡时对输出功率的影响较大 同时 因为只有一个逆变器 其中出现 任何问题都会使整个并网系统不能工作 组串式是现阶段光伏并网逆变器主要采用的一种结构 即把每一组光伏模块串 联后分别接到不同的逆变器上 分别进行 mppt 控制 在交流侧并联 这样可以 避免不同组件上光照强度不同 甚至部分遭受阴影遮挡时带来的功率损失 同 时 多个逆变器提高了系统的可靠性 该系统可以提供高压低电流输出 主要 应用于中型功率 2 3kw 单相并网发电系统 模块集成式是在组串式的基础上 为每个光伏电池模块配备一个专属逆变器 这种设计更为灵活 适应性更强 可即插即用 不过由于逆变模块过多 其日 常维护极为繁琐 一般应用于 50 400wp 的小功率系统 12 图 6 光伏并网逆变器功率主电路 多组串式也是在组串式的基础上 将多个组串分别接到 dc dc 变换器上从 而分别进行最大功率点跟踪 之后全部输送到直流母线上 再通过逆变器送到 电网中 14 这种结构融合了组串式逆变器设计灵活 高能量输出与集中式低成 本的优点 是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势 逆变器的主电路结构主要分为单级式和两级式两种 具体分类如图 6 所示 一 般来说两级式是指先通过 dc dc 环节进行最大功率控制并将直流电压升到一个 较高的范围 然后再通过 dc ac 环节逆变到电网中去 这种电路结构比较复杂 但控制算法较易实现 单级式是指没有 dc dc 环节 直接通过逆变器并网 这 种系统结构紧凑 效率高 但是控制算法复杂 所有的控制算法都需要通过一 个光伏并网逆变器实现 在美国 日本等电网电压较低的地区 可避免应用 boost 变换器 而选择高效 率的单级式光伏并网逆变器 美国电气标准从安全角度考虑要求安装光伏并网 系统时需要在逆变器的输出端通过一个隔离变压器与电网相连接 10 另外 选 择隔离型变压器还可以调节电压变换范围 这样直流母线电压输入范围选择宽 广 从而可以根据场地要求优化光伏阵列设计 3 23 2 控制策略控制策略 光伏逆变器实现并网运行必须依赖于有效的逆变器控制策略 分为三个方 面 最大功率点跟踪 并网电流控制和孤岛效应监测与保护 1 最大功率点跟踪技术 mppt 光伏阵列的输出特性具有非线性特征 并且受到光照强度 环境温度和负 载情况影响 在一定的光照强度和环境温度下 只有唯一的一个电压值对应着 光伏电池的最大输出功率 因此 不断的根据光照强度 环境温度等外部特性 的变化来调整光伏电池的工作点 使之始终工作在最大功率点的技术称为最大 功率点跟踪 mppt 技术 目前常用的方法有 常压法 扰动观察法 电导增量法等 常压法的依据 是光伏阵列在不同的工况下其最大功率点电压变化范围很小 因此可以使光伏 电池的输出电压稳定在根据光伏电池标称参数计算得到的光伏阵列最大功率点 电压处 该方法的优点是简单直接 但在光照强度及环境温度变化时 最大功 率点的电压值会发生偏移 从而会造成一定的功率损失 由于光伏电池最大功率点的电压与光伏阵列的开路电压的比值近似为常数 所以在实际应用中可以在光伏阵列的旁边安装一块与光伏阵列相同特性的光伏 电池模块 检测其开路电压 而后按照固定系数计算得到当前最大功率点电压 以使 mppt 效率更高 且成本与传统常压法近似 扰动观察法是通过周期性的增加或减少光伏阵列输出电压 同时测量其功率 寻找出光伏阵列最大功率的工作点 该方法最大的优点是结构简单 测量参数 少 通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大 缺点在于初始电压值以及跟踪步 长的选取对跟踪精度和速度有较大影响 阵列在最大功点附近总是不断摆动 从而造成一定的功率损失 在光照强度快速变化的情况下会出现 误判 现象 电导增量法是当光伏阵列输出最大功率值 pmax 时 在最大功率点处有 即 所以 当光伏阵列增量电导 di du 等于瞬时电导 i u 的负值时 说明光伏阵 列工作在最大功率点 该方法控制精确 响应速度比较快 适用于大气条件变 化较快的场合 但是该方法对硬件的要求 特别是对传感器的精度要求比较高 算法复杂 系统各个部分响应速度都要求比较快 因而整个系统的硬件造价也 会比较高 2 电流控制技术 光伏并网系统的主要功能是将太阳能光伏阵列所产生的直流电直接转换成 与电力公司供给的相同电压和频率的交流电 其控制方式有如一个与市电电压 同步的电流控制型 pwm 逆变器 为了降低送入电网的电流对电网产生的电力谐 波 因此送入电网的电流波形总谐波畸变率越低越好 整个控制效果如同一个 输出功率因数为 1 的交流电源供应器 电压源型脉宽信号调制 vs pwm 变换器可用于交流电机调速驱动 有源滤 波 pwm 整流 不间断电源 ups 以及高性能光伏并网系统 这些系统的控制结 构中有一个共同点是都含有一个电流反馈控制内环 因此 变换器控制系统性 能的优劣主要依靠电流控制策略 相对于传统的开环电压源型 pwm 变换器 电 流控制的 pwm cc pwm 变换器可以有效减小输出电压和电流的纹波 降低总谐 波失真率 3 孤岛效应检测与保护技术 由于光伏并网发电系统直接与市电相并联 因此必须具备完善的保护措施 所谓孤岛效应 是指电网中断供电时 光伏发电系统未能及时检测出电网停电 状态并脱离电网 使太阳能并网发电系统和周围的负载组成一个不受电力公司 掌控的自给供电孤岛 孤岛运行状态会带来安全隐患 从用电安全和用电质量 方面考虑 是不允许出现的 目前比较有效的方法有 主动频移法 主动相移法 无功补偿法等 16 当前孤岛效应检测技术主要朝两个方向发展 一是检测指标的研究 也就是定 义更为有效的量测参数作为判断市电断电的依据 这其中包括 电压 频率 相位 波形失真 负载阻抗变化等等 二是判断方法的改善 当可依据的断电 检测指标增加时 可以发展成以经验法则为基础的智能型控制 有功功率正反 馈 无功功率正反馈等方法 以便快速检测出孤岛效应 3 33 3 国内外产品比较国内外产品比较 目前国际光伏发电市场上主要逆变器制造商的市场份额如图 7 所示 图 7 全球光伏逆变器公司市场份额 而在我国 由于目前还没有发布 上网电价法 这类具体实施细则 只在 边远无电地区推行离网式光伏户用系统用以解决离大电网较远的农牧民的基本 生活用电问题 并网系统则基本是政府推动的应用示范项目 所以 我国国内 的大部分厂家仅生产几瓦至几百瓦的户用离网系统和太阳能路灯 水泵之类的 小型系统 而研发和制造并网逆变器的厂家并不多 从整个光伏逆变器行业来看 大部分企业生产的并网逆变器会配备变压器 这主要是从安全角度考虑 使电网侧与电源侧不共地 而像德国的 sma 等大公 司可生产不使用变压器的高效产品 但其中都会安装享有专利的并网保护装置 以保证并网安全 在价格方面 各公司产品售价高低不等 但总的来说其性能 与价格呈正比的关系 平均售价约 7 5 元 w 总的来说 大部分公司光伏并网 逆变器的利润率都已经超过了 100 目前国内的光伏市场主要集中在西部无电地区户用离网系统的应用 大部 分国内公司主要偏重在离网控制器和逆变器的生产销售上 而并网逆变器则主 要用于政府工程项目和西部一些私营企业的备用电源 市场需求十分有限 所 以有相当一部分产品用于向国外出口或卖给系统承包商间接出口 4 4 光伏并网系统市场前景光伏并网系统市场前景 目前 我国光伏产业十分兴旺 容易令人产生形势一派大好的错觉 但是 必须看到 中国光伏市场的缺失给我国的光伏产业带来了很大隐患 下面从技 术和市场两个方面阐述目前面临的主要问题 4 14 1 主要技术瓶颈主要技术瓶颈 提到光伏系统的技术问题 其源头是高纯硅的提纯技术 以及如何减少单 个电池片所使用的硅材料 而这里主要讨论光伏逆变器的技术问题 1 逆变器效率需要进一步提高 目前国际上逆变器产品的最高效率可以达到 98 但一般维持在 95 左右 有些逆变器效率还会更低 如何通过减小开关管 频率或其他途径减小逆变器损耗是一项很重要的课题 2 如何通过光伏电池模块的组合 发展新的拓扑结构以提高 mppt 的跟踪效率 也是今后需要进一步研究的问题 目前流行的组串式拓扑结构和多组串式结构 可以根据不同电池板上的光照不同分别进行 mppt 控制以提高效率 但这同时会 带来成本的增加 3 随着光伏并网系统安装数量的增多 电网对其并网谐波的要求必然会越来越 严格 目前一般产品的 thd 能够达到 4 以下 如何进一步降低谐波仍有待研究 4 对于离网系统 由于目前还没有光伏系统专用的深放电 长寿命铅酸电池 一般电池的使用寿命在 2 3 年左右 经常更换蓄电池 使成本进一步提高 因 此尽快研发出长寿命电池和通过系统控制满足蓄电池充放电的要求是今后离网 系统需要着力解决的问题 5 可靠性仍然是制约光伏发电系统发展的重要问题 一些农村用的光伏路灯 其平均故障率 一年内发生故障的设备 总运行设备 达到了 21 致使使用 单位不敢再用 其主要是参数匹配不恰当 保护功能不善等原因所致 4 24 2 国际市场前景国际市场前景 就目前世界形势来看 光伏并网发电已经成为太阳能发电的主流趋势 特 别是单相 3 5kwp 的屋顶并网系统 以其投资门槛低 收益好 获得了德国等 实施了 上网电价法 的国家居民的青睐 可以预计 今后的国际市场中 光伏系统 90 以上的应用形式是以光伏电 站为代表的大型并网电站和以屋顶并网系统为代表的小型光伏并网系统 而光 伏建筑一体化由于专用建筑材料的限制还不会有太大规模的应用 离网系统则 只是作为边远地区居民 手机基站 灯塔等不便接线地区的电源设备 市场需 求比较固定 不会有太多的增加 在技术上 今后主电路拓扑会以组串式和多组串式这种安装灵活的结构形式为 主 逆变器所用器件以 igbt 为主 10kw 以下一般会使用 ipm 模块 逆变设备 总体上向着低成本 高效率 小型化 更通用 更安全的方向发展 4 34 3 中国市场前景中国市场前景 对于国内光伏产业两头在外的局面 加速开拓国内市场是发展我国光伏产 业的关键问题 但目前拉动内需 发展光伏市场的前景还不明朗 可再生能 源法 对光伏市场的驱动力量还十分有限 其中制约光伏发电发展最主要的原因就是成本太高 我国的经济还没有达 到日本和欧洲等发达国家的水平 虽然政府已经意识到能源替代的重要性 但 我国当前的首要任务依然是发展经济 消除贫困 毕竟中国尚有 2365 万人年均 收入低于 683 元的国家贫困线 按照国际通行的日消费 1 美元的标准 中国的 赤贫人口有 1 73 亿 18 所以我国目前的基本政策还是以经济建设为中心 节 能减排固然重要 但在光伏发电成本仍居高不下的时候是难以全面开展光伏发 电项目的 这一点从目前光伏项目的工作重心偏重在农村电气化上也可以看出 总的来说 我国太阳能发电的政策体系还不完善 经济激励力度较弱 相 关政策之间缺乏协调 政策的稳定性差 还没有形成支持光伏发电持续发展的 长效机制 虽然国家对光伏系统的发展逐步加大了支持力度 但由于没有建立 起强制性的市场保障政策 无法形成稳定的市场需求 可再生能源发展缺少持 续的市场拉动 就我国的形势来说 由于目前光伏发电成本仍然是常规发电的 8 10 倍 如果不采取特殊措施 而只依靠技术进步 光伏发电成本到 2050 年左右才能接 近当时常规发电成本水平 20 也就是说 如果政府不采取措施 在未来相当 长的一段时间内光伏发电在中国难以走向市场 当前 我国一些专家呼吁政府 效仿德国推行 上网电价法 的呼声很高 但到目前为止仍然难以知道我国推 行 上网电价法 的具体时间表 从当前的市场和技术的发展来看 今后我国 的光伏市场有以下两种发展趋势 1 悲观估计 如果近几年没有出台切实可行的 上网电价法 那么我国光伏市场的需 求只会在政府项目的推动下缓慢发展 主要应用形式会有三种 第一是光伏系 统政府示范工程 主要会用到 10kwp 1mwp 的光伏并网系统 第二是农村电气 化的推动 继续发展户用 10wp 50wp 的离网系统和太阳能路灯 第三是西部一 些缺电地区的企业安装光伏备用电源 即当电网正常供电时 光伏发电系统也 正常发电以降低该企业的市电消耗量 当电网出现故障时 自动切换为离网模 式向企业供电 由于没有体制保障 这三种形式的市场需求都不会很大 最终 会导致大部分光伏电池和逆变器生产企业依靠出口生存 2 乐观估计 如果我国于近年实施了 上网电价法 等一系列扶持政策 那么这将会是 对我国光伏市场的一个重大刺激 光伏系统并网数量必然会迅速增加 我国各 类系统市场份额有可能接近日本 德国等发达国家水平 城镇光伏市场会大幅 度增长 农村离网系统也会得到一