伏并网电站,因为需要大量土地,一般建于大漠中,作为大电源直接向高压电网送电。由于成本较高,一般由政府出资建设。
由于欧美、日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。如德国实施了《上网电价法》,政府购电的价格达到德国火电价格的十倍左右;美国则是通过抵税政策来支持企业和个人投资光伏并网系统。因此,分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统。在iea-pvps项目成员国中就达到了14:1。 2.2 国内应用现状
近年来,我国太阳能光伏产业发展十分迅速,光伏电池年产量已位居世界第一,且年增长率达到100%~300%[2][6]。而与之相对,我国的光伏市场发展相对迟缓,甚至可以说严重落后于光伏产业的发展。图3显示了自1995年以来我国光伏市场的发展情况。可以看出,我国光伏市场的发展相当缓慢,2002~2003年国家启动“送电到乡”工程,导致安装量有所突增,2004、2005年回落到年安装量约5mwp的水平[2][7]。2006年以后,由于国家大型并网工程的促进又有所回升。以2007年为例,我国当年光伏电池产量达到1088mwp,但国内只安装了20mwp,其余几乎全部用于出口。可见,我国真正的太阳能光伏市场还远没有形成。
图3 1995年~ 2007年我国光伏系统的年装机和累计装机容量变化
截止到2007年底,我国国内光伏系统的累计安装量只有100mwp,与全球近12gwp的装机容量相比所占份额非常小。其具体分配比例如图4所示,可以看到,这些装机大部分均用于农村电气化,以解决无电地区人民的生活用电问题,而并网系统仅占到了6%[2]。
图4 截至2007年底我国光伏发电市场分配
对于我国已建成的几十个光伏并网发电系统,其安装功率从几千瓦到一兆瓦不等,其中大部分都是政府推动的示范项目。由于我国电网技术等原因,这些已建成的示范项目大部分处于试验性并网状态,大多数都安装了防逆流装置,不允许光伏电力通过电力变压器向高压电网(10kv)反送电,而只允许在低压侧(380/220v)自发自用。
总体来说,随着时间的推移,所建设并网系统的容量也在逐渐增大,目前有8座兆瓦级光伏电站正在建设之中,预计2009年底可以完工。另外,为了体现北京奥运会绿色奥运的精神,北京在国家体育中心、丰台垒球中心等奥运场馆均使用了100kwp左右的光伏并网系统,用来降低建筑物能耗。这些示范工程在促进光伏并网技术发展、降低co2排放等方面起到了很好的推动作用。但就其经济性来讲,由于当前组件价格较贵,所以还是很不划算的。以首都博物馆新馆安装的300kwp并网太阳能系统为例,总造价约2000万元人民币。而北京每天的标准日照时间为4~5个小时,如果以事业型部门电价0.6683元/度计算,一年最多
节约电费:5×300×0.6683×365≈36.59万元。回收成本共需要:
2000÷36.59≈54.7年。而电池板的寿命一般只有20~30年,这显然是不划算的。又如深圳国际园林花卉博览园1mwp并网项目,总投资6600万人民币,而20年运营期内节约的电费只有1360万元[8]。因此,今后较长的时间内光伏并网发电仍需要政府政策的扶持才能发展。 3 光伏并网逆变器技术特点 3.1 主电路结构
光伏并网发电系统根据光伏电池模块组合方式,可分为如05所示的四种主要方式:中心集中式(图5a)、组串式(图5b)、模块集成式(图5c)和多组串式(图5d)[9]-[14]。
图5 光伏系统与组件的组合方式
中心集中式是将多个光伏模块进行串并联的排列组合然后接入到一个逆变器上。这种结构可以直接向光伏逆变器输入高电压和大电流,提高了转换效率。而且装置比较简单、成本低,适用于大型的高功率(>10kw)三相光伏并网发电系统。但其结构方式不够灵活,会产生许多电能质量问题。特别是当电池板局部受到遮挡时对输出功率的影响较大。同时,因为只有一个逆变器,其中出现任何问题都会使整个并网系统不能工作。
组串式是现阶段光伏并网逆变器主要采用的一种结构,即把每一组光伏模块串联
后分别接到不同的逆变器上,分别进行mppt控制,在交流侧并联。这样可以避免不同组件上光照强度不同,甚至部分遭受阴影遮挡时带来的功率损失。同时,多个逆变器提高了系统的可靠性。该系统可以提供高压低电流输出,主要应用于中型功率(2~3kw)单相并网发电系统。
模块集成式是在组串式的基础上,为每个光伏电池模块配备一个专属逆变器。这种设计更为灵活,适应性更强,可即插即用。不过由于逆变模块过多,其日常维护极为繁琐。一般应用于50~400wp的小功率系统[12]。
图6 光伏并网逆变器功率主电路
多组串式也是在组串式的基础上,将多个组串分别接到dc/dc变换器上从而分别进行最大功率点跟踪,之后全部输送到直流母线上,再通过逆变器送到电网中[14]。这种结构融合了组串式逆变器设计灵活、高能量输出与集中式低成本的优点,是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势。
逆变器的主电路结构主要分为单级式和两级式两种,具体分类如图6所示。一般来说两级式是指先通过dc/dc环节进行最大功率控制并将直流电压升到一个较高的范围,然后再通过dc/ac环节逆变到电网中去。这种电路结构比较复杂,但控制算法较易实现。单级式是指没有dc/dc环节,直接通过逆变器并网。这种系统结构紧凑、效率高,但是控制算法复杂,所有的控制算法都需要通过一个光伏并网逆变器实现。
在美国、日本等电网电压较低的地区,可避免应用boost变换器,而选择高效率
的单级式光伏并网逆变器。美国电气标准从安全角度考虑要求安装光伏并网系统时需要在逆变器的输出端通过一个隔离变压器与电网相连接[10]。另外,选择隔离型变压器还可以调节电压变换范围,这样直流母线电压输入范围选择宽广,从而可以根据场地要求优化光伏阵列设计。 3.2 控制策略
光伏逆变器实现并网运行必须依赖于有效的逆变器控制策略,分为三个方面:最大功率点跟踪、并网电流控制和孤岛效应监测与保护。 (1) 最大功率点跟踪技术(mppt)
光伏阵列的输出特性具有非线性特征,并且受到光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下,只有唯一的一个电压值对应着光伏电池的最大输出功率。因此,不断的根据光照强度、环境温度等外部特性的变化来调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点的技术称为最大功率点跟踪(mppt)技术。
目前常用的方法有:常压法、扰动观察法、电导增量法等。常压法的依据是光伏阵列在不同的工况下其最大功率点电压变化范围很小,因此可以使光伏电池的输出电压稳定在根据光伏电池标称参数计算得到的光伏阵列最大功率点电压处。该方法的优点是简单直接,但在光照强度及环境温度变化时,最大功率点的电压值会发生偏移,从而会造成一定的功率损失。
由于光伏电池最大功率点的电压与光伏阵列的开路电压的比值近似为常数,所以在实际应用中可以在光伏阵列的旁边安装一块与光伏阵列相同特性的光伏电池模块,检测其开路电压。而后按照固定系数计算得到当前最大功率点电压,以使mppt效率更高,且成本与传统常压法近似。