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、關于光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)
光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉(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年法國科學家貝克雷爾發(fā)現(xiàn)，光照能使半導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”。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，隨著新型半導體材料、新型拓撲和高效磁材料的應用，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用，有助于提高設備開關頻率，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)象可能導致的極端波動現(xiàn)象進行了精準預測，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，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簽訂了關于“高壓直流(HVDC)供電系統(tǒng)”驗證業(yè)務的實施計劃意向書，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，這也要求對相關技術(shù)研發(fā)工作進行相應調(diào)整，從而適應產(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，以適應不同類型的市場需求;電網(wǎng)適應能力不斷提高，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，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，相應的直流并網(wǎng)設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”、《關于加強金太陽示范工程和太陽能光電建筑應用示范工程建設管理的通知》《關于促進光伏產(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，同時適應未來市場及相關政策的變化，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。應加強大規(guī)模可再生能源并網(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;另需要出臺相關政策，抑制盲目發(fā)展火電，加大配套設施，如輸電通道和配電網(wǎng)的建設，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：碳中和 | 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢
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