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        一種光伏應(yīng)用新技術(shù)

        2011-09-18 07:16:00薄志謙石亞和劉葉冰
        智能建筑電氣技術(shù) 2011年3期
        關(guān)鍵詞:逆流逆向市政

        賈 寧/邢 巖/王 欣/薄志謙/石亞和/劉葉冰

        1.西東控制集團(tuán), 遼寧 沈陽 110015; 2.清華大學(xué)—阿爾斯通電網(wǎng)研究中心, 北京 100084; 3.東北大學(xué), 遼寧 沈陽 110004)

        1 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

        20世紀(jì)就有專家預(yù)言:21世紀(jì)將是人類走進(jìn)直接使用太陽作為能源的一個(gè)新世紀(jì)。專家們估計(jì),到本世紀(jì)中葉,太陽能將占到人類能源構(gòu)成的15%;到本世紀(jì)末,太陽能將成為人類能源構(gòu)成的“主力”。當(dāng)前世界各國都極其重視太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

        本世紀(jì)最初的10年,世界光伏電池產(chǎn)業(yè)年增長率為48.6%。2010年世界光伏電池產(chǎn)量達(dá)15.8GW,同比增長48.2%;完成太陽能發(fā)電裝機(jī)容量12.5GW,同比增長58.2%。

        2009年中國光伏太陽能電池產(chǎn)量為4011MW;2010年中國光伏電池產(chǎn)量達(dá)到8GW,翻了1倍,占到世界產(chǎn)量的一半。2009年,中國光伏發(fā)電市場裝機(jī)量約160MW,占全球當(dāng)年裝機(jī)總量的2%;2010年,預(yù)計(jì)裝機(jī)約380MW,在全球總裝機(jī)量中占3%。

        從上述數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)前中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展還十分不盡人意,主要問題是光伏電池主要用于出口,內(nèi)需嚴(yán)重不足,造成“耗能在國內(nèi)、節(jié)能在國外”的虛假的產(chǎn)能過剩現(xiàn)象。中國政府對(duì)此一直十分關(guān)注,從2006年開始,國家就有意識(shí)地推廣光伏在建筑上的應(yīng)用。2009年4月,財(cái)政部、住建部直接推出“太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程”;2009年7月,財(cái)政部、科技部及國家能源局推出“金太陽示范工程”,給予建筑光伏應(yīng)用專項(xiàng)支持;2010年12月2日,財(cái)政部、科技部、住建部、國家能源局四部委舉辦聯(lián)席會(huì)議,對(duì)金太陽示范工程和太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程的組織和實(shí)施進(jìn)行動(dòng)員部署,并公布了首批13個(gè)光伏發(fā)電集中應(yīng)用示范區(qū)名單。四部委表示,希望通過加大補(bǔ)貼力度、增加示范區(qū)數(shù)量、保障項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行等措施,加快推進(jìn)國內(nèi)光伏發(fā)電規(guī)?;瘧?yīng)用,力爭2012年以后每年國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模不低于1,000 MW。

        2 制約建筑光伏應(yīng)用發(fā)展的技術(shù)問題

        目前光伏應(yīng)用主要有兩種模式:獨(dú)立式(又稱離網(wǎng)式),即白天光伏發(fā)電由蓄電池儲(chǔ)電,晚上使用,典型的應(yīng)用就是大量的太陽能路燈、草坪燈、信號(hào)燈等。這種應(yīng)用由于系統(tǒng)中需要配備蓄電池,因此效率低、成本高、維護(hù)費(fèi)用高,而且存在二次污染問題,適合在無電地區(qū)使用,不宜在城市建筑中大量推廣應(yīng)用。

        并網(wǎng)式,又分為可逆流和不可逆流兩種方式。其中可逆流是目前光伏應(yīng)用的主流技術(shù),即,將光伏電力轉(zhuǎn)換成與市政電力同頻、同相、同質(zhì)的交流電力并入市政電網(wǎng)使用,典型的應(yīng)用就是光伏電站建設(shè)。光伏電站的建設(shè)規(guī)模一般都較大,需要大量擺放光伏電池板的地方,大都選擇在荒漠地區(qū)建設(shè),也不應(yīng)是建筑光伏應(yīng)用的主流技術(shù)。

        在德國和日本等國家鼓勵(lì)小型光伏發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用,這是由于他們?cè)陔娋W(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中已經(jīng)考慮這種分散可再生能源接入電網(wǎng)運(yùn)行的安全問題。但是在世界大多數(shù)國家,包括中國,電力建設(shè)長期以來遵循的是“發(fā)電—輸電—配電—用電”模式,其電力運(yùn)行與系統(tǒng)保護(hù)方向性十分明確,一旦出現(xiàn)大量用戶側(cè)發(fā)電上網(wǎng),不僅無法實(shí)施電力調(diào)配,而且勢必對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成影響。

        在中國,從2006年開始,國家就有意識(shí)地推廣光伏在建筑上的應(yīng)用,一直到2009年開始實(shí)施的“太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程”和“金太陽示范工程”,都公開大力倡導(dǎo)實(shí)施“用戶側(cè)并網(wǎng)”來實(shí)現(xiàn)建筑光伏應(yīng)用。這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用,就是將光伏電力在用戶側(cè)與市政電網(wǎng)并網(wǎng)使用。國家本想將這種不可逆流并網(wǎng)應(yīng)用方式作為建筑光伏主流應(yīng)用技術(shù)推廣,并為了保證市政電網(wǎng)的運(yùn)行安全,規(guī)定了系統(tǒng)光伏電力對(duì)市政電網(wǎng)實(shí)施逆向功率保護(hù),但是還是不宜大面積推廣應(yīng)用。

        在國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》(GB/T 19939-2005)中明確規(guī)定:“系統(tǒng)在不可逆的并網(wǎng)方式下工作,當(dāng)檢測到供電變壓器次級(jí)處的逆流為逆變器額定輸出的5%時(shí),逆向功率保護(hù)應(yīng)在0.5s~ 2s內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開”。同時(shí),還規(guī)定了系統(tǒng)在市電失電時(shí)防止孤島效應(yīng)發(fā)生:“當(dāng)電網(wǎng)失壓時(shí),防孤島效應(yīng)保護(hù)應(yīng)在2s內(nèi)動(dòng)作,將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開”[1]。規(guī)定0.5s~ 2s實(shí)施逆流保護(hù)的原因,是基于目前還沒有辦法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)意義上的零逆流控制,因?yàn)閷?duì)逆流的常規(guī)檢測方法需要幾百ms才能完成,加上控制保護(hù)動(dòng)作,只能規(guī)定0.5s~ 2s內(nèi)完成不可逆流保護(hù)。

        由此可以看出,這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用在實(shí)施逆向功率保護(hù)之時(shí),實(shí)際上已經(jīng)在0.5s~ 2s內(nèi)向市政電網(wǎng)發(fā)生了光伏逆向功率,其規(guī)模已經(jīng)超過裝置的額定功率5%。當(dāng)這種應(yīng)用尚不普遍時(shí),還不至于對(duì)市政電網(wǎng)安全運(yùn)行造成較大影響。但是如果普遍推廣,即便每個(gè)裝置逆功率都很小,但是由于數(shù)量大,勢必影響市政電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此,電力系統(tǒng)對(duì)這種用戶側(cè)并網(wǎng)應(yīng)用方式一直表示擔(dān)憂,即便同意,也往往會(huì)要求實(shí)施“一點(diǎn)并網(wǎng)”,要求將分散建設(shè)在分散建筑上的大量光伏電池連為一點(diǎn)接入電網(wǎng)。這樣一來,就需要通過大量匯流母線與設(shè)備,將這些分散光伏電力從一點(diǎn)接入電網(wǎng),這不僅增加線材投資,而且加大了光伏損耗,大大降低光伏應(yīng)用效率。這個(gè)問題一直困擾著光伏發(fā)電在建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

        3 光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)

        仔細(xì)分析建筑光伏應(yīng)用的特點(diǎn)是“三個(gè)分散”,即“分散的陽光”、“分散的建筑”、“分散的用電需求”。如何找到一種適合“三分散”的光伏應(yīng)用技術(shù),將是解決光伏建筑應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

        現(xiàn)在終于有了一種針對(duì)建筑光伏應(yīng)用“三分散”特點(diǎn)的新技術(shù)——光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。其主要特征是:光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏電力和市政電力共同向負(fù)載供電,當(dāng)光伏電力不足或沒有時(shí),由市政電力作為系統(tǒng)基礎(chǔ)供電向負(fù)載供電。即正常狀態(tài)下,光伏共網(wǎng)(grid co-existing PV)應(yīng)用與不可逆流的光伏并網(wǎng)(grid-connected PV)應(yīng)用工作狀態(tài)相同。兩者不同是:共網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)能夠保證無論在什么情況下,包括市電失電時(shí),光伏電力絕對(duì)不會(huì)對(duì)市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率,即實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)本質(zhì)安全零逆流。這樣一來,光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)市政電網(wǎng)而言,就是一個(gè)可變負(fù)載(相當(dāng)于變頻電機(jī))在用電,而沒有任何發(fā)電設(shè)備的特征。

        共網(wǎng)應(yīng)用模式是一種嶄新的光伏應(yīng)用模式,它特別適合在那些大量分散的建筑上建設(shè)太陽能電池板,所得到的光伏電力就地使用,而市政電力作為備電(實(shí)際是基礎(chǔ)電力)保證系統(tǒng)負(fù)載在光伏電力不足或沒有時(shí)的正常用電。這與離網(wǎng)系統(tǒng)相比,省掉大量蓄電池;與不可逆流的并網(wǎng)系統(tǒng)相比,不僅解決了電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的擔(dān)心,還減少“一點(diǎn)并網(wǎng)”所造成的系統(tǒng)效率損耗,大大提高太陽能使用效率,大大降低系統(tǒng)投資和系統(tǒng)維護(hù)成本。

        實(shí)現(xiàn)光伏共網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備是共網(wǎng)控制逆變裝置,其基本功能是在正常情況下保證光伏并網(wǎng)應(yīng)用的同時(shí),實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)本質(zhì)安全零逆流,嚴(yán)格防止光伏電力向市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率。這是采用普通檢測與控制方法無法實(shí)現(xiàn)的,只能依靠更高的控制理論與技術(shù)手段突破這一技術(shù)瓶頸。該裝置標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)由住建部2010年3月19日的建標(biāo)[2010]40號(hào)文件中立項(xiàng)編制,目前已進(jìn)入審批程序,預(yù)計(jì)2011年內(nèi)完成批準(zhǔn)頒布。

        由于共網(wǎng)控制逆變裝置具有逆向功率零逆流控制保護(hù)功能,徹底解決了光伏電力與市政電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用時(shí)對(duì)市政電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響,消除了電力系統(tǒng)對(duì)光伏電力共網(wǎng)應(yīng)用影響電網(wǎng)安全的擔(dān)心,打開了建筑光伏應(yīng)用的大門。

        這樣一來,就可以在一座建筑,或者一個(gè)建筑群,甚至一座城市的建筑光伏應(yīng)用中,采用這種“共網(wǎng)控制裝置”與光伏電池板組成若干個(gè)規(guī)模合適的光伏微電子網(wǎng),實(shí)現(xiàn)光伏電力就地即發(fā)即用。當(dāng)光伏電力不足時(shí),系統(tǒng)由市政電力補(bǔ)充供電;當(dāng)光伏電力超過負(fù)荷用電量或者發(fā)生市電失電時(shí),“共網(wǎng)控制裝置”可以保證光伏電力絕不向市政電網(wǎng)發(fā)生逆向功率,保證市政電網(wǎng)的絕對(duì)安全運(yùn)行。

        光伏微電網(wǎng)采用模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)成。即,各個(gè)光伏微電子網(wǎng),通過各種通訊方式(包括有線、無線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))連接到光伏微電網(wǎng)控制管理中心,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        其中BMG(Branch of Micro Grid)為微電子網(wǎng),與MGC(Micro Grid Centor)微電網(wǎng)管理中心采取模塊式連接。而微電網(wǎng)管理中心計(jì)算機(jī)將會(huì)自動(dòng)處理網(wǎng)內(nèi)所有微電子網(wǎng)的工作數(shù)據(jù),包括當(dāng)前工作狀態(tài)和累計(jì)各種歷史數(shù)據(jù)。即,顯示和存儲(chǔ)各個(gè)微電子網(wǎng)的即時(shí)發(fā)電量和工作狀態(tài),累計(jì)各個(gè)微電子網(wǎng)的日、月、年發(fā)電量,以及整座建筑或整座城市的光伏應(yīng)用系統(tǒng)的即時(shí)發(fā)電量和累計(jì)發(fā)電量,以及折算成標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)。

        4 共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)是對(duì)光伏應(yīng)用的返璞歸真

        100多年的電力建設(shè)歷史,形成了一整套“發(fā)電—輸電—配電—用電”的電力建設(shè)與使用模式,這符合采用化石能源的特點(diǎn)。但是將這套追求規(guī)模建設(shè)的模式再照搬到太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,尤其是建筑光伏應(yīng)用中,將明顯出現(xiàn)某些不和諧現(xiàn)象,起碼不符合光伏建筑應(yīng)用的“三分散”特點(diǎn)。

        因此,對(duì)于到本世紀(jì)末將占到一次能源50%以上份額的太陽能應(yīng)用來講,非常必要找到一種最符合太陽能應(yīng)用特點(diǎn)、最高效和最適合的技術(shù),一并滿足人類孜孜以求對(duì)能源利用的可再生和環(huán)境最友好的心愿,也許這是一種顛覆傳統(tǒng)電力建設(shè)理論的新技術(shù)。

        這種光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)的基本特征是:①光伏電力即發(fā)即用優(yōu)先使用;②市電作為基礎(chǔ)用電保證向用電負(fù)載的正常供電;③系統(tǒng)絕對(duì)保證防止光伏電力向市政電網(wǎng)的逆向功率和實(shí)現(xiàn)市電失電的孤島效應(yīng)保護(hù)。這種共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)從根本上解決了建筑光伏應(yīng)用對(duì)市政電網(wǎng)影響的技術(shù)瓶頸。

        采用這種光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用新技術(shù)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設(shè)的不同點(diǎn)是,為適應(yīng)建筑光伏應(yīng)用三分散特點(diǎn),系統(tǒng)將向小發(fā)展。這樣所帶來的好處是顯而易見的,即帶來系統(tǒng)建設(shè)的“三低一高”:系統(tǒng)損耗降低、系統(tǒng)技術(shù)難度降低、系統(tǒng)建設(shè)投資降低、系統(tǒng)效率提高。這為我們?cè)诒椴际澜绺鞯氐母黝惤ㄖ?,將無處不在的太陽能變?yōu)楣夥娏硎褂脦砹说统杀靖咝实目赡?。隨著太陽能光伏電池技術(shù)的發(fā)展(成本降低、安裝方便),我們完全可以將系統(tǒng)做得更小,比如開發(fā)出一種采用太陽能薄膜電池的、用于住戶家庭陽臺(tái)上的“家庭光伏掛毯”,將會(huì)使光伏應(yīng)用直接靈活方便地進(jìn)入每戶家庭。

        光伏微電網(wǎng)共網(wǎng)應(yīng)用是一種最符合光伏在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù),是一種對(duì)太陽能光伏應(yīng)用技術(shù)的返璞歸真。它將打開建筑光伏應(yīng)用之門,使建筑光伏應(yīng)用走上快速發(fā)展的道路。

        [1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

        [2]董欣,賈寧等.零碳地下停車場照明系統(tǒng)建設(shè)[J]. 低碳照明.2011(1):26-29.

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