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光伏并网发电
阅读:10017时间:2011-08-30 15:30:46

  光伏并网发电是通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电,经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频,同相的正弦交流电流.从近几年来并网光伏发电系统逐渐成为光伏技术的研究热点,同时随着光伏发电系统的性价比提高,其应用范围越来越广,并开始从特殊场合应用向商业化应用发展。

组成

  光伏并网发电系统主要由太阳电池阵和并网逆变器两部分组成。

  (1)太阳电池阵:将太阳光能转换成电能,在阳光充足时通过并网逆变器将直流电转换为交流电输入电 网。

  (2)并网逆变器:并网逆变器是将直流电转换为交流电的设备,输入端接太阳电池阵,输出端接交流电 网。并网逆变器除具有普通逆变器的功能外,还应具有以下功能:

  1)纯正弦波同步并网送电:通过 DC/AC 电压型逆变器实现电流瞬时控制,将电流控制成 50Hz 正弦波, 自动与电网同步后送入电网。 以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。

  2)太阳能电池最大功率追踪技术:以晶体硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其 I-V 特性曲线各不相同,而输出与 I-V 特性相应存在一个最大功率输出点,因此,对太阳电池最大输出 功率点的追踪 MPPT(Maximum Power Point Trace)成为提高整个系统效率的关键点之一。

  3)反孤岛运行技术:并网发电运行时,电网因意外情况出现停电时,并网运行设备应该能够及时检测 出电网停电情况,并与电网解列,停止向电网送电,以保护人身和设备安全。

  4)独立供电及自动同步并网运行技术:系统在电网停电时,可实现自动与电网解列,独立向重要负载 提供优质交流电能。在配备蓄电池后,本系统还可在夜间不间断地提供电能。在电网恢复供电时,通过 与电网电压同步,可在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式。

拓扑结构

光伏并网发电的拓扑结构

  如图1所示光伏并网拓扑结构有很多形式,最普遍的有采用单级变换和两级变换拓扑结构,两级变换拓扑结构一般由形式多样的DC/DC变换器和DC/AC并网逆变器组成。前端的DC/DC变换器一般是比较常见的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK或者是推挽电路等等,用来实现光伏电池输出功率的最大功率跟踪,前端DC/DC环节还需要实现蓄电池储能功能;而DC/AC一般是单相或三相的并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能,如果是单级变换拓扑结构就只有后端的DC/AC部分。

显示与远程监控

  光伏电站主要由光伏电池、并网功率调节装置、有源无功发生器、远程监控系统组成。光伏系统电子显示牌主要是把LED显示所需如太阳辐射强度,当前发电功率、环境温度、今日发电量以及系统各个部分的工作状态等采集的数据传送到当地监控PC上。监控PC对数据做适当处理后,把需要显示的数据由RS-232串口通过传输模块向LED电子显示牌发送。

  目前,光伏系统中的远程监控技术从通讯方式的物理实现来讲分为有线远程监控与无线远程监控两种. 有线远程监控主要是通过通讯总线实现远距离信号传输,实时性好,但距离有限,即使是通过线路中继器距离也不能太远,尤其是系统安装在偏远地区,采用有线远程监控是无法实现的. 无线远程监控则不受地域与距离的限制,特别是在偏远地区具有特别重要的意义.

  目前应用比较多的有线远程监控技术包括:(1)采用工业总线,如485总线、CAN总线等来实现下位机(DSP、单片机、工控机等)与监控主PC机间的通讯; (2)采用调制解调器(Modem)通过公用电话网来实现; (3)利用互联网( Internet)与前两种方式相结合来实现,这种方式的适用范围更广、距离更长. 图5-(a)所示是一个采用485工业总线及Internet实现的太阳能光伏发电有线远程监控系统, 485总线可以实现多个本地光伏系统的联网监控,然后通过转换接口与本地入网计算机连接,再通过Internet实现异地监控. 图5-(b)所示是一个通过公用电话网和Modem实现的有线远程监控系统,它借助公用电话网,通过Modem 的链接实现点对点有线远程监控。

  无线远程监控技术主要借助于微波站或人造卫星的中继传输技术,如利用移动通讯基站上专用的通讯信号频段进行传输如图5-(c) ,目前我国西部很多移动基站上的太阳能光伏电站就是以此方式实现远程监控的;基于GSM /GPRS无线移动通讯网络的远程监控系统,它通过申请移动通讯GSM /GPRS的数据通讯业务、或SMS( ShortMessage Service)短信息业务等实现远程监控, 图5-(d)所示是基于GSM/GPRS无线通讯网络的光伏电站监控系统.

  随着移动通讯3G技术的不断成熟与应用,无线远程监控还可以实现声频、视频数据的海量传输. 在非偏僻地区但不便布线且有Internet覆盖的地方,主要采用Modem与Internet结合实现远程监控.

  随着IT信息技术的发展,三网(互联网、通信网、有线电视网)合一技术的实现,通过三网合一技术实现远程监控会十分方便、快捷,这也是太阳能光伏电站远程监控技术今后的发展趋势。

展望

  光伏并网技术相对太阳能应用来说,目前的发展还处在初期。2030年之后会有稳定且很高的增长率。到2030年光伏并网发电将成为可行的电力供应者,此后市场将继续全速增长。商业技术会进一步快速成熟,发电成本会继续降低。所以光伏发电将成为一个标准和公认的选择,它与其它可再生能源一起,将成为安全有力的能源供应者,在需要的时间和地点支撑电网或单机模式的电力供应。

国家政策

  我国《可再生能源中长期发展规划》 ,明确到2010  年,太阳能发电总容量要达到 300MW,2020年达到 1800MW。其中,在西藏、青海、内蒙古、新疆等省(区、市)偏远农村地区推广户用光伏发电系统或建设小型光伏电站,到  2020  年光伏发电容量达到300MW;在内蒙古、甘肃、新疆等地的荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地,建设太阳能热发电示范项目,到2020  年光伏发电容量达到 1000MW。同时,在经济较发达、现代化水平较高的大中城市,建设与屋顶太阳能并网光伏发电设施,到 2020  年建成  2  万个屋顶光伏发电项目,光伏发电容量达到  300MW。另外,光伏发电在通讯、气象、长距离管线、铁路、公路等领域的应用也有很好的前景, 2020 年这些领域的光伏应用将达到 200MW。

  2010 年 12月 2日,财政部、科技部、住房和城乡建设部、国家能源局等四部门联合在北京召开会议,对金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程的组织和实施进行动员、部署,加快推进国内光伏发电规模化应用。财政部副部长张少春、科技部副部长曹健林、住房和城乡建设部副部长仇保兴、国家能源局副局长刘琦、国家电网公司副总经理帅军庆出席会议并讲话。 会议指出, 近年来, 我国光伏发电产业发展迅速,技术水平稳步提高,产业体系基本形成,市场潜力不断释放,政策措施日趋完善,已具备大规模推广应用条件。同时,全球光伏发电产业发展正迈入规模化应用新阶段。为贯彻落实党中央、国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的战略部署,必须提高认识,紧紧抓住光伏发电产业发展的战略机遇期,进一步推动国内光伏发电规模化应用,在继续采取特许权招标支持光资源丰富地区建设大型荒漠电站的同时,积极运用财政补贴方式加大金太阳和太阳能光电建筑应用示范工程实施力度,形成国际国内协同拉动,继续保持和扩大我国光伏发电产业在国际领域的竞争优势。

  会议公布了首批 13 个光伏发电集中应用示范区名单,分别是:北京亦庄经开区、上海张江高新区、天津中新生态城、深圳高新区、河南郑州空港新区、安徽合肥高新区、 山东德州经开区、 江西新余高新区、湖北黄石黄金山开发区、湖南湘潭九华示范区、河北保定高新区、辽宁鞍山达到湾开发区、浙江长兴经开区。

  会议明确,2009 年、2010 年国内光伏发电规模化应用示范工程建成投产后,明后两年将因地制宜进一步扩大示范,力争 2012 年以后每年国内应用规模不低于 1000 兆瓦,形成持续稳定、不断扩大的光伏发电应用市场。

  会议强调,大力推进国内光伏发电规模化应用意义重大,影响深远。当前重点要抓好以下五项工作:

  一是要加大政策支持力度,对金太阳和太阳能光电建筑应用示范项目,中央财政对关键设备按中标协议价格给予 50%补贴,其他费用按不同项目类型分别按 4元/瓦和 6 元/瓦给予定额补贴。二是要加快集中连片示范,探索建立有效的光伏发电商业模式,把开发区和工业园区作为国内扩大光伏发电应用的重点,进一步增加示范区数量,争取使园区内具备条件的企业厂房上都安装光伏发电系统。三是保障项目并网运行,国家电网将进一步规范和简化并网程序,完善相关技术标准和管理制度,及时为项目单位提供并网服务;落实示范项目自发自用政策,对富余电量按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价实行全额收购。四是建立“财政-科技联动新机制”,通过实施示范工程启动市场,支持企业加大新产品和新技术应用,促进科技成果产业化和规模化,使光伏发电成本持续大幅度下降,尽早实现光伏发电“平价”上网。五是采取集中招标,让优秀企业脱颖而出,做大做强,打造具有国际竞争力的光伏发电生产企业和电站建设、施工、运营企业,促进光伏发电产业健康发展。

  会议要求,相关部门和地区要加强组织领导,明确目标责任,抓住关键环节,突破重点难点,加快工作进度;要密切协调配合,形成工作合力,把示范工程建成精品工程;要加强管理,严格考核,确保财政资金发挥引导示范效应;要广泛宣传,营造氛围,让社会各界了解政策内容、掌握政策导向,引导企业和社会行为,不断扩大国内光伏发电规模化应用,为形成光伏发电研发、制造和应用协同发展的新局面共同努力。

  会议还举行了 13 个光伏发电集中应用示范区授牌仪式和北京亦庄经开区启动仪式。

对电网的影响

  随着我国《可再生能源法》的颁布实施,常规能源价格的不断升高和石油价格逼近$100,世界范围内围绕利用太阳能科技,商业发展非常迅速,其中光伏并网发电技术发展非常快。目前制约光伏发电的主要因素是成本问题。太阳能光伏发电造价高(每千瓦3万元以上),发电成本贵(1.5元/千瓦时以上)。随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高,总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到那时侯,光伏发电将会进入商业化应用阶段。为了提早迎接这一天的到来,我们将有必要提前考虑光伏并网发电对现有发电模式的技术、经济、政策和环境效益的影响。我们先假设这个时代已经到来,并且现有的发电模式并未发生较大的改变。那么光伏发电给我们带来好处的同时将会对现有的电网产生什么样的问题?

  由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差,调节能力差的能源,发电量受天气及地域的影响较大,并网发电后会对电网安全,稳定,经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。至于有多大的影响目前尚不清楚。我们知道目前电能是不能大规模低成本储存的,在可以预见的将来也不能大规模低成本储存。这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约,同时也受到地理上的限制。但是随着技术和市场的发展,当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂,水电,核电等电厂的发电量处于可比较的数量级和成为不可忽略的一部分时,光伏并网发电将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策和环境效益带来如下问题:(如果光伏并网发电系统采用有蓄电池方案,光伏并网发电的优点和优势将大打折扣。但是为光伏并网发电优化配置的蓄电池系统可以部分解决以下1,2和3点提出的问题。)1. 负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力,这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量,电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的。这当然是发电商所不愿意看到的。

  2. 昼夜变化,东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现的周期性,光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。

  3. 气象条件的变化。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时,如果地理气象出现大幅变化,电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量,来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下,电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。

  4. 远距离光伏电能输送。当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为可能时,由于光伏并网发电没有旋转惯量,调速器及励磁系统,它将给交流电网带来新的稳定问题。如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电,将会给与光伏发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题,(专门用于光伏并网发电的输电线路,由于使用效率低,将对荒漠太阳能的利用形成制约。用于借道或者兼顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路,由于负荷率低下,显得很不经济。)不论采用高压交流或直流送出,光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置。至于对电网稳定的影响,目前还未见到光伏发电在电网稳定计算中的数学模型(包括电源模型和负荷模型)。光伏并网发电将对电网安全稳定运行有多大的影响目前尚不清楚。

  5. 降耗问题;光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用,因此,光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的,光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益,这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是由于电网在考虑安全,稳定和经济运行时,不仅仅只由水电厂担任旋转备用。因此,系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量前应该乘以一个小于1的系数,并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。

  6. 环保问题;光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究,因为当光伏并网发电时,同样电网在考虑电网安全,稳定和经济运行时,往往减少出力的不仅仅是火电厂,而考虑旋转备用时,也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务(水电厂承当旋转备用任务损失较小)。因此,在考虑光伏并网发电系统的减排贡献时,也应该在理论值前乘以一个小于一的系数。这个结论并不象一些文章中所讲的那么乐观。

  7. 顺便指出,风力发电也存在环保生态问题。国外有环保人士指出大型的风力发电站往往建在季风的风道上,这往往是候鸟迁徙的最佳路线。

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