文／上海長興供電公司 瞿衛(wèi)東／

1 引言

“十二五”發(fā)展規(guī)劃對于節(jié)能減排提出了更具有挑戰(zhàn)性的目標，即：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放分別降低16%和17%，非化石能源占一次能源消費比重提高到11.4%，主要污染物排放總量減少8%至10%，森林蓄積量增加6億立方米，森林覆蓋率達到21.66%。已有研究人員指出，為進一步更好更快實現(xiàn)“十二五”發(fā)展規(guī)劃關(guān)于節(jié)能減排的目標，對于電力行業(yè)，節(jié)能減排的措施主要包括：通過“上大壓小”政策，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減排；提高電力工業(yè)的煙氣脫硫，實現(xiàn)工程減排；擴大清潔能源比例，減少煤炭消耗總量?？梢娦履茉吹陌l(fā)展和利用在節(jié)能電力系統(tǒng)的節(jié)能減排過程中占據(jù)非常重要的地位，而其中的太陽能光伏發(fā)電在補償國家電網(wǎng)發(fā)展電力這一平臺發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)與國家電網(wǎng)的并網(wǎng)及風電互補等措施的施行迫在眉睫。本文旨在綜述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其并網(wǎng)進程的一些突出問題。

根據(jù)中國電力科學研究院的預(yù)測及現(xiàn)有規(guī)劃，光伏發(fā)電總量在2010年可達到350MW，2020年為1.8GW，2050年將達到600GW。截止到2010年末可再生能源裝置在中國占總電力能源裝置的30%，其中光伏發(fā)電占5%。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是可以使發(fā)電系統(tǒng)更有效地利用公用電網(wǎng)。然而公用電網(wǎng)側(cè)和光伏系統(tǒng)側(cè)的技術(shù)需求都必須滿足保證光伏組件安裝者的安全且不影響公用電網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)面臨著諸如孤島效應(yīng)及諧波失真等問題，因此它們就成為擴大光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍亟待解決的問題[1]。光伏系統(tǒng)與國家電網(wǎng)的互聯(lián)是通過逆變器實現(xiàn)的，它可將光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為給一般用電器供電的交流電，因此逆變系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電特性

2.1 世界光伏組件及電學性能

全球光伏產(chǎn)業(yè)的一個特征是，光伏發(fā)電正以越來越快的速度代替其他形式的電能，特別在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中更為明顯。太陽電池產(chǎn)生的電能取決于光伏組件本身的性質(zhì)和它所接收的太陽輻射，太陽電池的物理本質(zhì)可在文獻中得知[2]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)，再依據(jù)安裝環(huán)境可進行進一步分類。獨立光伏系統(tǒng)也稱離網(wǎng)系統(tǒng)，其應(yīng)用包括邊遠地區(qū)家庭電力供應(yīng)、邊遠地區(qū)集中發(fā)電、通訊用電力供應(yīng)、陰極保護及照明。中小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率為5～100kW，大型或者更大型的為100kWp。

獨立發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器須通過需要的電流來控制其輸出交流電壓，系統(tǒng)還需要蓄電池，在太陽電池處于低功率輸出、多云天氣或者夜晚時向負載供電?，F(xiàn)有技術(shù)把類似的功能集成在并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器中，但這一舉措的采取與現(xiàn)有的優(yōu)化功率光伏系統(tǒng)相比，會增加發(fā)電的成本。

2.2 并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)包括建筑光伏一體化系統(tǒng)和地面光伏系統(tǒng)（光伏鹽堿地、沙灘和沙漠光伏系統(tǒng)）。在現(xiàn)有的整個并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，光伏組件發(fā)出的電力在毫秒時間內(nèi)即被消耗。過剩的電力可經(jīng)由能量儲存裝置如水泵來收集，但傳統(tǒng)的儲能裝置的響應(yīng)速度遠比用于調(diào)整峰值功率而使輸入電網(wǎng)的能流穩(wěn)定速度慢。另外，當負載在公用電網(wǎng)上達到一峰值水平時，系統(tǒng)必須激活每一個可用的發(fā)電電源對電網(wǎng)進行供電以防止節(jié)流導致公用電網(wǎng)電壓崩潰。

表1給出了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)從96年到05年的市場份額[3]。

表1 并網(wǎng)光伏發(fā)電的市場份額年均增長率

并網(wǎng)光伏發(fā)電仍是增長最快的發(fā)電技術(shù)，累計裝機容量以55%的速率從2004年的2.0GW增長到3.1GW，全球年增長的一半發(fā)生在德國，一年中裝機超過600MW。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電量的增長量中，日本為300MW，美國為70MW。2005年出現(xiàn)了幾個里程碑如世界上規(guī)模最大的太陽能光伏電站的啟用，德國總發(fā)電量為10MW電站的建設(shè)及許多發(fā)電量為數(shù)千瓦的商用設(shè)施的啟用。德國的光伏發(fā)電累計容量首次超過日本。加上離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，與2004年的4.0GW相比，全球光伏總量已增長為5.4GW。

在中國成功示范的并網(wǎng)光伏發(fā)電廠用的都是輸出電壓較低的光伏組件，其發(fā)容量較小而并未通過電網(wǎng)輸送所發(fā)電力，因而對電網(wǎng)的正常運行幾乎沒有什么影響。[4,5]

文獻[6]概括總結(jié)了泰國一個500kW并網(wǎng)光伏電站的性能，該光伏系統(tǒng)被全面監(jiān)控來評估光伏系統(tǒng)的潛在技術(shù)瓶頸和與當?shù)仉娋W(wǎng)并聯(lián)的系統(tǒng)特性。該光伏系統(tǒng)中組件的效率介于9%～12%之間，功率調(diào)節(jié)裝置的效率在92%～98%之間終產(chǎn)率為2.91h/d（2004年3月）到3.98h/d（2004年4月）。性能比從0.7～0.9。其俘獲損失Lc和系統(tǒng)損失Ls在文獻中有詳細闡述。這些損失與下列因素相關(guān)：電池的運作條件并非標準測試條件，電壓在直流系統(tǒng)和保護二極管中下降，灰塵、部分遮陰對光伏組件中的光電參數(shù)有一定影響，工作電壓高于最大功率點，光譜和光入射角的變化等等。并非上述所有的因素都會被涉及到，只有通過輔助的實驗數(shù)據(jù)才能將這么多損失影響都考慮在內(nèi)。這些工作有望在項目的后續(xù)階段中完成。

直流輸送且電壓較低時，由于輸電導體引起的損失是相當可觀的，關(guān)鍵是要確定導體結(jié)的大小以確保壓降小于1.5%，因此要求逆變器必須裝置于光伏陣列附近，使得逆變器在電池板發(fā)出的最大直流電壓下工作，即在它的可耐最大電壓下工作，由此來增強逆變器的性能并降低歐姆損耗。[7]

2.2.1 高滲透水平的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)面臨的潛在問題

對高滲透水平的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，許多文獻都研究了它們潛在的問題。滲透水平（penetration levels）定義為光伏組件額定功率（Wp）與輸電線路的最大負載之比。文獻結(jié)果如下：

文獻[8]研究了云遮對中央集中光伏電廠的瞬態(tài)影響，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)的極限滲透水平約為5%，與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，瞬態(tài)云遮對系統(tǒng)的影響較大。文獻[9]則基于南加州愛迪生中央光伏電廠的運作情況，稱并未遇到此類問題，光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連結(jié)穩(wěn)定且在結(jié)點上只有非常小的滲透水平。文獻[10]處理了俄克拉荷馬公共服務(wù)公司在系統(tǒng)平均滲透水平為15%條件下的電壓調(diào)節(jié)問題。15%是瞬間云遮引起的可控制范圍內(nèi)的最大功率變化，因此稱為系統(tǒng)的最高滲透水平。文獻[11]中的一項研究是加德納MA光伏項目的諧波問題。加德納56kW的光伏系統(tǒng)其滲透水平為37%。它所采用的逆變器是第一代正弦波脈沖寬度調(diào)制逆變器。[12]家庭光伏組件都裝置于一13.8kW的單相輸電線路的終端，光伏組件對電壓失真的影響約為0.2%，這一影響遠低于一般負載所引起的失真[11]，由此得出了只要光伏逆變器設(shè)計得當就可避免諧波失真的問題。加德納MA光伏工程著眼于四個領(lǐng)域：穩(wěn)態(tài)和慢瞬態(tài)云遮對系統(tǒng)的影響；集中光伏系統(tǒng)對即時瞬態(tài)云遮如何響應(yīng)，如開關(guān)孤島效應(yīng)、故障及用電高峰；集中光伏對系統(tǒng)諧波的影響以及配電系統(tǒng)的整體性能。該文評估了高滲透水平光伏系統(tǒng)的總體影響，最終結(jié)論是37%的滲透水平在以上四個領(lǐng)域中并未引起故障。

國際能源機構(gòu)對光伏能源系統(tǒng)四期工程進行了一系列報道，包括孤島效應(yīng)，荷載量認證情況及示范項目的成果等。最重要的是它處理了電壓增大的問題。[13]其中一份報告聚焦于低電壓高滲透水平的三個光伏系統(tǒng)。此項研究得出了最大光伏滲透水平等同于每個輸電線路的最低負載這一結(jié)論。文獻[14]指出，如果負載量為最大時，滲透水平為25%那么就只有很少的過壓情形發(fā)生，而在負載量最小時，再增大其滲透水平，就會使得過壓情形全面出現(xiàn)。

2.2.2 并網(wǎng)逆變器

逆變技術(shù)是使并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵技術(shù)，它也要求在合理價格為交流公用系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。為滿足要求，最新技術(shù)也已經(jīng)運用到逆變器中，通過對裝有脈沖寬度調(diào)制的半導體器件運用高頻開關(guān)技術(shù)，高轉(zhuǎn)換效率控制芯片上的微處理器實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)輸出功率的控制，控制芯片對系統(tǒng)起到保護作用，即在于電網(wǎng)互聯(lián)時保證光伏系統(tǒng)的安全，逆變器的成本也得到了控制。

任何一個連接到電網(wǎng)的逆變系統(tǒng)都不能降低結(jié)點的供電質(zhì)量，這一點是非常重要的。同時低質(zhì)量的電流對裝入系統(tǒng)中逆變器的影響也很大。這些逆變系統(tǒng)不會影響電源的質(zhì)量，考慮到它對電網(wǎng)諧波的影響，控制電流和控制電壓的逆變器有很大的不同。在一個未與電網(wǎng)連接的孤立系統(tǒng)中，應(yīng)提供電壓控制裝置。相關(guān)研究結(jié)果表明，裝有自整流電壓逆變系統(tǒng)的逆變器，在1kW以下或者100kW以上電流控制器使用更為普遍，在簡單控制系統(tǒng)中可得更高的功率因數(shù)，而且運用于并網(wǎng)系統(tǒng)中時，當受到公共電網(wǎng)電壓的波動影響時，可抑制電流的變化。

2.2.3 孤島效應(yīng)的檢測方法

光伏電站作為分布式電源通過并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)，必須具備防孤島效應(yīng)保護。

孤島效應(yīng)是指電網(wǎng)失壓時，光伏系統(tǒng)仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)[15]。具體地講，就是當電力公司的供電，因故障或停電檢修而跳閘時（例如大電網(wǎng)停電），并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離供電網(wǎng)絡(luò)，形成由并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和當?shù)刎撦d組成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。

防孤島效應(yīng)保護主要分為被動式和主動式。被動式包括電壓相位跳動、三次電壓諧波變動、頻率變化率等，即在不改變輸出特性的基礎(chǔ)上對輸出狀態(tài)的檢測保護。主動式主要有頻率偏離、有功功率變動、無功功率變動、電流脈沖注入引起阻抗變動等。被動式保護的缺點是在負載和逆變器輸出功率匹配時很難檢測孤島的發(fā)生。主動式檢測方式通過對逆變器輸出進行主動干擾，即使發(fā)生孤島時負載和逆變器輸出功率匹配，也會破壞系統(tǒng)平衡，造成系統(tǒng)電壓、頻率明顯變動，從而確定孤島產(chǎn)生，但在某些情況下也存在檢測盲區(qū)[16-18]。主動式和被動式保護各有優(yōu)缺點，因此，光伏系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置至少各一種主動和被動防孤島效應(yīng)保護，且當電網(wǎng)失壓時，防孤島效應(yīng)保護應(yīng)在2s內(nèi)動作，斷開與電網(wǎng)的連接。

2.2.4 諧波

逆變器使用了大量的電力電子元件，在逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流的過程中，不可避免地會產(chǎn)生諧波，所以并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量與性能對并網(wǎng)交流電的電能質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，應(yīng)謹慎選擇。

表2 電流諧波限值

光伏并網(wǎng)電站諧波電壓和電流的允許水平主要取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負載/設(shè)備類型，以及電網(wǎng)的現(xiàn)行規(guī)定。按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，光伏發(fā)電站并網(wǎng)運行時，向公共連接點注入的諧波電流應(yīng)滿足GB/T14549－1993的要求。各次諧波應(yīng)限制在表2所列的百分比內(nèi)。此范圍內(nèi)的偶次諧波應(yīng)小于低的奇次諧波限值的25%。建議供電公司在工程投產(chǎn)后，測試相關(guān)電網(wǎng)的諧波，以保證電壓質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過上文的闡述，可得到以下結(jié)論：光伏電站規(guī)模的擴大程度與逆變器的性能和制備工藝密切相關(guān)；在各種滲透水平的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)生故障和系統(tǒng)與公用電網(wǎng)斷開同時進行的概率為0，因而在大型光伏系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的檢測仍存在障礙；逆變器故障時最常發(fā)生的故障，這主要是由于首批逆變器生產(chǎn)廠商缺乏經(jīng)驗，后期生產(chǎn)的部分逆變器發(fā)生故障不排除與電網(wǎng)的連結(jié)問題造成擾動引起；被動方法檢測孤島效應(yīng)基本是通過監(jiān)測所選的參數(shù)如電壓、頻率及它們的異常引起逆變器停止運作，主動方法檢測孤島效應(yīng)即在連接芯片中故意引入設(shè)定的變更過擾動并監(jiān)測公用電網(wǎng)的變化，看其固定電壓頻率阻抗等是否正常發(fā)生異常，發(fā)生異常則逆變器停止工作。實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電仍需要解決諸多技術(shù)瓶頸，只要進一步致力于研究這些問題，太陽能光伏發(fā)電必將順利與國家電網(wǎng)無損結(jié)合，從而為節(jié)能減排做出相應(yīng)的貢獻。

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