作為清潔能源的一個(gè)重要發(fā)展方向，光伏發(fā)電技術(shù)近年來取得了持續(xù)快速發(fā)展，光伏并網(wǎng)已經(jīng)成為太陽能資源的主要利用形式。積極發(fā)展光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，是我國應(yīng)對環(huán)境壓力，推動綠色、可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的重要切入點(diǎn)。本文對目前國內(nèi)外光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了梳理與分析，并提出了我國未來發(fā)展的重點(diǎn)及對策建議。
一、關(guān)于光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)
光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是指將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅值、同頻、同相的交流電，并與電網(wǎng)連接將能量輸送到電網(wǎng)的技術(shù)系統(tǒng)。在光伏發(fā)電并網(wǎng)過程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)、光伏并網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)、反孤島保護(hù)技術(shù)、低電壓穿越以及直流并網(wǎng)技術(shù)的選擇等，本文將針對以上各主要技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)闡述。
(一)光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)
并網(wǎng)逆變器是實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的重要組成部分，主要作用是將光伏電池產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同相同頻，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電能的交互。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的逆變器包括集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器三類，不同類型逆變器技術(shù)特點(diǎn)不同，適用于不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)。
(二)光伏并網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)
為了保證光伏發(fā)電可靠、高效的并網(wǎng)運(yùn)行，電站監(jiān)控系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前大型電站大多配有監(jiān)控系統(tǒng)，除了具備常規(guī)的數(shù)據(jù)采集和保護(hù)功能外，往往還能夠?qū)夥到y(tǒng)進(jìn)行能量管理，針對不同的應(yīng)用場合，對光伏發(fā)電功率進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，有些還具有遠(yuǎn)程控制和云數(shù)據(jù)功能。
(三)反孤島保護(hù)技術(shù)
在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了避免電網(wǎng)故障情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)與本地負(fù)荷功率匹配，形成一定時(shí)間內(nèi)的孤島系統(tǒng)，對電網(wǎng)中的人和用電設(shè)備造成威脅的狀況發(fā)生，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般需要配備反孤島保護(hù)功能。孤島檢測技術(shù)分為遠(yuǎn)程法、被動法和主動法三大類。
(四)光伏直流并網(wǎng)技術(shù)
并網(wǎng)光伏電站正在向大型化、集群化方向發(fā)展，國內(nèi)外一批百萬千瓦級光伏發(fā)電基地相繼涌現(xiàn)，然而邊遠(yuǎn)電網(wǎng)比較薄弱，接入交流電網(wǎng)的集、直流升壓和直流接入電網(wǎng)的成本更低、效率更高，大型光伏發(fā)電基地和高壓直流技術(shù)的結(jié)合是必然發(fā)展趨勢。
二、國際發(fā)展現(xiàn)狀
太陽能資源非常豐富，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。在光伏電池發(fā)明以前，人類對太陽能的利用主要是光和熱。1839年法國科學(xué)家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象即被稱之為“光伏效應(yīng)”。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室兩位研究人員恰賓和皮爾松，根據(jù)這一原理首次研制成功實(shí)用的單晶硅太陽能電池，人類從此進(jìn)入了將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏發(fā)電階段。
進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球光伏發(fā)電新增容量持續(xù)快速增長，年平均增速達(dá)到50%。至2015年底全球光伏裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到227GW，比2009年至少增加了10倍，比2005年至少擴(kuò)大了40倍。從區(qū)域來看，歐洲一直以來在光伏市場中占有較大的份額，但近幾年來受政策影響停滯不前，相較之下，亞洲市場自2012年迅速崛起并有趕超之勢。目前歐洲光伏市場占全球的42%并有下降的趨勢，亞洲市場同樣占有42%，美洲占13%。目前世界各國的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)都是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)技術(shù)也就成為了光伏產(chǎn)業(yè)主要研究方向之一。
(一)光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)
國際光伏逆變器市場仍然被外國公司寡頭壟斷。近年來主要的變化是過去是專業(yè)型企業(yè)主導(dǎo)的市場(SMA，Power-one，KACO等)，現(xiàn)在ABB、GE、西門子、施耐德這些跨國巨頭也紛紛加入，中國企業(yè)也在努力向歐美市場滲透。2007年以后，國外并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的選型越來越傾向于小型化、智能化、模塊化，小型光伏并網(wǎng)逆變器的使用已成為光伏并網(wǎng)發(fā)展的趨勢。
轉(zhuǎn)換效率是評價(jià)光伏逆變器優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，隨著新型半導(dǎo)體材料、新型拓?fù)浜透咝Т挪牧系膽?yīng)用，以及最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)技術(shù)的改進(jìn)，逆變器效率不斷提高，目前國際上逆變器最大效率已達(dá)到99%。近年來多電平技術(shù)在光伏逆變器中也得到了廣泛應(yīng)用，除了常規(guī)的3電平拓?fù)渫?，還有PowerOne的4電平、SMA的5電平、ABB的簡化5電平等，此外，模塊化多電平MMC也將應(yīng)用于光伏逆變器。在電力電子器件方面，SiC等新材料開始得到應(yīng)用，有助于提高設(shè)備開關(guān)頻率，減小體積，降低成本。
為了提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)可靠性，提高系統(tǒng)效益，光伏逆變器仍需要繼續(xù)提高效率，同時(shí)加大功率，提高電壓等級。因此，2.5MW及以上功率等級的逆變器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，相較于1MW的逆變器，至少可降低0.1元/W成本;另外，高電壓等級的直流系統(tǒng)(例如1500V直流系統(tǒng))也受到越來越多的關(guān)注，此類系統(tǒng)除可以降低成本外，同時(shí)可以減小系統(tǒng)損耗。
(二)光伏并網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)
施耐德電器光伏業(yè)務(wù)部門在2015年推出了一套全新的光伏解決方案以及增強(qiáng)型監(jiān)控應(yīng)用，它可與施耐德電氣的轉(zhuǎn)換變電站以及監(jiān)控系統(tǒng)相連;SolarEdge展示了最新的住宅光伏儲能系統(tǒng)及擴(kuò)增產(chǎn)品，從而使得特斯拉的家庭儲能系統(tǒng)Powerwall與電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)相融合;光伏遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案提供商Meteocontrol，在2015年3月對即將發(fā)生的德國日蝕現(xiàn)象可能導(dǎo)致的極端波動現(xiàn)象進(jìn)行了精準(zhǔn)預(yù)測，從而保證電網(wǎng)運(yùn)營商和電力交易商對此進(jìn)行了快速反應(yīng)，確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
(三)反孤島保護(hù)技術(shù)
反孤島保護(hù)技術(shù)是光伏技術(shù)中的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下能夠保證并網(wǎng)光伏系統(tǒng)及時(shí)停機(jī)，避免不必要的意外發(fā)生，提高了系統(tǒng)的整體安全性和可靠性。
對于分布式發(fā)電系統(tǒng)的反孤島保護(hù)技術(shù)，國際上提出了很多控制方法，除了傳統(tǒng)的被動法之外，還有主動的頻率擾動、電壓擾動等方法。此外，遠(yuǎn)程法逐漸成為研究的熱點(diǎn)，該方法更加適用于大規(guī)模的復(fù)雜光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，避免多臺逆變器之間的互相干擾，可靠性更高，適用范圍更廣。
(四)光伏直流并網(wǎng)技術(shù)
日本電信電話株式會社(NTT)針對供電領(lǐng)域的HVDC提出了一系列標(biāo)準(zhǔn)，并將光伏接入高壓直流系統(tǒng)。2015年NTT公司與美國德克薩斯大學(xué)簽訂了關(guān)于“高壓直流(HVDC)供電系統(tǒng)”驗(yàn)證業(yè)務(wù)的實(shí)施計(jì)劃意向書，開展光伏發(fā)電系統(tǒng)與高壓直流并網(wǎng)測試;與英國就海上風(fēng)電與光伏混合電站的直流接入進(jìn)行了方案討論;與印度對于光伏接入直流系統(tǒng)的方案及經(jīng)濟(jì)性也進(jìn)行了研究。
三、光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢
未來隨著光伏電價(jià)不斷下調(diào)，光伏產(chǎn)業(yè)不可避免地需要引入市場競爭機(jī)制，這也要求對相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而適應(yīng)產(chǎn)業(yè)變革的需要。
未來光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢如下：集中式和組串式逆變器的功率不斷加大，效率提高，電壓等級升高，從而降低成本，減少損耗;微型逆變器等組件級產(chǎn)品越來越豐富，以適應(yīng)不同類型的市場需求;電網(wǎng)適應(yīng)能力不斷提高，例如低電壓穿越、高電壓穿越等功能不斷完善，具有高可靠性的保護(hù)功能;未來光伏逆變器將與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，基于云端存儲和計(jì)算的數(shù)字化平臺將得到更為廣泛的應(yīng)用。總體來看，未來光伏逆變器將朝著更高效、更可靠、更智能化的方向發(fā)展。
隨著大功率地面光伏電站的不斷建設(shè)，光伏監(jiān)控及能量管理系統(tǒng)勢必成為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。除了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行外，監(jiān)控系統(tǒng)未來還將肩負(fù)更多使命，例如控制電站運(yùn)行，降低光伏并網(wǎng)功率的波動性，對光伏與水電、儲能等其他發(fā)電系統(tǒng)的多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制，以及基于云數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。
此外，光伏高壓直流并網(wǎng)技術(shù)在未來將會逐步體現(xiàn)其優(yōu)勢，尤其對于西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的大容量光伏電站，直流并網(wǎng)的優(yōu)勢更加明顯，相應(yīng)的直流并網(wǎng)設(shè)備的研究也將成為未來的研究熱點(diǎn)。
四、我國光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與對策
我國幅員遼闊，太陽能資源極其豐富。20世紀(jì)50年代開始對光伏電池的生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)行研究，到20世紀(jì)70年代光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)才正式起步。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，在世界大環(huán)境的帶動下，我國光伏產(chǎn)業(yè)也迅速發(fā)展，光伏發(fā)電的裝機(jī)容量逐年增加。但是此階段我國光伏產(chǎn)業(yè)主要以材料生產(chǎn)和出口為主，國內(nèi)光伏發(fā)電應(yīng)用發(fā)展緩慢。
2002年，政府出臺了“光明工程”，使中國光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。在此之后，政府持續(xù)加大了對光伏發(fā)電的支持力度，出臺了大量有利于光伏發(fā)展的政策和意見，如“金太陽示范工程”、《關(guān)于加強(qiáng)金太陽示范工程和太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程建設(shè)管理的通知》《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》(國發(fā)〔2013〕24號)等。通過以上這一系列政策的扶持，中國光伏產(chǎn)業(yè)自2009年開始正規(guī)化啟動，中國成為了全球光伏安裝發(fā)電量發(fā)展最快的國家，到2013年成為世界第一大光伏市場。截至2016年，我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到7742萬千瓦，新增和累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一。
為了提高我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在全球的競爭力，解決產(chǎn)業(yè)中存在的問題，同時(shí)適應(yīng)未來市場及相關(guān)政策的變化，提出以下建議：
一是引入競爭機(jī)制。各地區(qū)制定光伏發(fā)電項(xiàng)目競爭性配置辦法，光伏企業(yè)需通過競爭方式獲得項(xiàng)目資源，其中上網(wǎng)電價(jià)是重要的競爭條件，除此之外，需禁止地方保護(hù)和不正當(dāng)收費(fèi)。
二是加強(qiáng)可再生能源并網(wǎng)消納研究，解決棄光問題。近年來火電的快速增長和用電負(fù)荷的零增長，導(dǎo)致棄光問題越發(fā)嚴(yán)重，同時(shí)造成了大量的資源和投入浪費(fèi)。應(yīng)加強(qiáng)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)及消納問題研究，最大限度提高電網(wǎng)消納可再生發(fā)電的能力，提升可再生能源在能源消費(fèi)總量中的占比;另需要出臺相關(guān)政策，抑制盲目發(fā)展火電，加大配套設(shè)施，如輸電通道和配電網(wǎng)的建設(shè)，同時(shí)鼓勵(lì)各地區(qū)實(shí)行就近消納，從而鼓勵(lì)光伏等新能源市場的發(fā)展。
三是提高光伏的環(huán)境友好性。太陽能是清潔環(huán)保的綠色能源，光伏發(fā)電在全生命周期內(nèi)都會對環(huán)境產(chǎn)生影響，我國現(xiàn)已展開了光伏生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的評估和研究，未來需要對發(fā)電環(huán)節(jié)和廢棄回收環(huán)節(jié)進(jìn)行評估，同時(shí)鼓勵(lì)光伏材料的回收再利用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光伏的環(huán)境友好。
原標(biāo)題：碳中和 | 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢
掃描關(guān)注微信
寧德時(shí)代吳凱...
天合光能陳奕...
劉巖: 追光行...
黃震院士：大...