作為清潔能源的一個重要發(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)濟發(fā)展模式的重要切入點。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)狀及趨勢進行了梳理與分析,并提出了我國未來發(fā)展的重點及對策建議。
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)狀進行詳細闡述。
(一)光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)
并網(wǎng)逆變器是實現(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,并實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同相同頻,從而實現(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)采集和保護功能外,往往還能夠?qū)夥到y(tǒng)進行能量管理,針對不同的應(yīng)用場合,對光伏發(fā)電功率進行控制,提高系統(tǒng)運行安全可靠性和經(jīng)濟效益,有些還具有遠程控制和云數(shù)據(jù)功能。
(三)反孤島保護技術(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)與本地負荷功率匹配,形成一定時間內(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功能。孤島檢測技術(shù)分為 遠程法、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年美國貝爾實驗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用的單晶硅太陽能電池,人類從此進入了將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏發(fā)電階段。
進入21世紀以來,全球光伏發(fā)電新增容量持續(xù)快速增長,年平均增速達到50%。至2015年底全球光伏裝機容量累計達到227GW,比2009年至少增加了10倍,比2005年至少擴大了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)換效率是評價光伏逆變器優(yōu)劣的一項重要指標,隨著新型半導(dǎo)體材料、新型拓撲和高效磁材料的應(yīng)用,以及最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱MPPT)技術(shù)的改進,逆變器效率不斷提高, 目前國際上逆變器最大效率已達到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電平拓撲外,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)象進行了精準預(yù)測,從而保證電網(wǎng)運營商和電力交易商對此進行了快速反應(yīng),確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
(三)反孤島保護技術(shù)
反孤島保護技術(shù)是光伏技術(shù)中的一項重要研究內(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)及時停機,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,遠程法逐漸成為研究的熱點,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提出了一系列標準,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)”驗證業(yè)務(wù)的實施計劃意向書,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)濟性也進行了研究。
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制,這也要求對相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作進行相應(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功能;未來光伏逆變器將與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)字化,基于云端存儲和計算的數(shù)字化平臺將得到更為廣泛的應(yīng)用??傮w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)展的重點方向之一。除了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行外,監(jiān)控系統(tǒng)未來還將肩負更多使命,例如控制電站運行,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)的多能互補協(xié)調(diào)控制,以及基于云數(shù)據(jù)的遠程監(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。
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50年代開始對光伏電池的生產(chǎn)和應(yīng)用進行研究,到20世紀70年代光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)才正式起步。進入20世紀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)進入了一個新的時代。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)電累計裝機容量達到7742萬千瓦,新增和累計裝機容量均為全球第一。
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:
一是引入競爭機制。各地區(qū)制定光伏發(fā)電項目競爭性配置辦法,光伏企業(yè)需通過競爭方式獲得項目資源,其中上網(wǎng)電價是重要的競爭條件,除此之外,需禁止地方保護和不正當收費。
二是加強可再生能源并網(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荷的零增長,導(dǎo)致棄光問題越發(fā)嚴重,同時造成了大量的資源和投入浪費。應(yīng)加強大規(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),同時鼓勵各地區(qū)實行就近消納,從而鼓勵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)進行評估,同時鼓勵光伏材料的回收再利用,進一步實現(xiàn)光伏的環(huán)境友好。
原標題:雙碳 | 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢