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1、赵争鸣 清华大学电机工程与应用电子技术系 2012年11月 中国沈阳光伏建筑节能国际会议论坛 光伏并网发电关键技术及其应用 主要内容 一. 光伏并网发电的发展 二. 光伏并网存在的问题 三. 光伏阵列组合建模 四、光伏并网逆变器集群特性 五. 并网谐波放大及其抑制 六. 几点看法 一、光伏并网发电的发展 n光伏市场分类 n离网系统 n户用离网 n非户用离网 n并网系统 n分布式并网 n集中式并网 数据来源：IEA-PVPS, Trends in photovoltaic applications IEA-PVPS项目成员国光伏系统累计安装量 光伏并网发电系统已毫无争议的占据了市场的主导地位 国
2、际能源机构(IEA)的光伏发电系统规划(IEA-PVPS)项目成员国中的光伏系统 具体市场分布如下图所示： 一. 光伏并网发电的发展 中国光伏市场突飞猛进，发展不平衡 中国的太阳能光伏产业在近几年迅速崛起，但太阳能光伏应用市场与太阳能光伏电池制造业的成长并 不平衡，主要体现在： 资料来源：Solarbuzz, March 15, 2010 p中国已是世界太阳能光 伏电池三大生产国之一， 2008年产能为2.4GW，占 世界产能的32%；2010年 产量达8GW，占全球55%。 p中国光伏发电装机总容 量从2004年到2009年增加 了15倍，但2009年光伏发 电装机总容量仍仅为 160MW
3、，只占世界装机总 容量6.43GW的2.48%； 2010年装机容量达到 500MW，累计装机容量为 800MW。 深圳园博园 1MW光伏并网发电站 大型光伏并网发电站快速发展 （1）国内： 2004年，深圳园博园安装了第一座兆瓦级太阳能光伏并网发电站； 2007年：上海崇明前卫村建成了兆瓦级10kV光伏并网电站示范工程； 2008年，上海临港新城建成总装机容量为1300kW的光伏并网发电站； 2009年，北京火车南站建成247kW建筑一体化的光伏并网电站。 上海崇明MW级光伏 并网发电系统 北京南站建筑一体化光伏并网发电系统 近几年来，国内几家兆瓦级光伏并网电站先后开工或建成。 国内大型光伏
4、并网发电站快速发展 2008年12月昆明 166MW光伏并网 发电工程正式开工 2008年宁夏发电 集团MW光伏电站 并网仪式 2008年12月大唐甘肃我国第一个荒漠化并网型光伏电站并网发电 中国光伏市场的推进 “十一五”期间太阳能发电重点领域和区域 p国家能源发展规划； p 国家发改委重新制定2020年中国光伏市场目标: 20GW（原为5GW）； p新能源振兴规划明确指出，到2020年中国光伏发电的装机总量将达到2000万千瓦（20GW）； p中华人民共和国可再生能源法及其实施细则确定了发展光伏的三条主要原则：全额收购可再生能 源并网发电项目的上网电量；上网电价按照成本加合理利润的原则确定；
5、上网电价的差额在全网中分 摊。 我国的太阳能光伏发电与欧 洲等国家以“分散开发、低电 压就地接入”的发展方式不同 ，呈现出“以大规模集中开 发、中高压接入”与“分散开 发、低电压就地接入”并举的 发展特征。 随着光伏行业整体技术水平不断进步，成本快速下降； 中国2012年新增实际装机量在4GW左右； 德国即使不断削减补贴, 2012年仍旧预计新增安装8GW左右； 2012年，全球预计新增光伏安装33GW（2011年27.8GW）。 中国光伏“十二五”规划中，即至2015年止，中国光伏装机目标达到 21GW，最近，有消息称该目标还可能扩大至40GW。 光伏行业补贴已经逐渐从FIT （Feed-i
6、n Tariff）向 PPA （Power Purchase Agreement）过渡。 光伏行业前途光明 中国光伏市场的推进 新疆和田皮山县的太阳能光伏扬水与照明 综合应用系统2#、3#发电站（2001年） 清华大学太阳能扬水照明综 合应用系统（1999年） 北京奥运体育中心的太阳能扬水与照明系统 申办绿色奥运示范工程（2000年） 同方大厦太阳能 广场照明灯 (2003年) 太阳能供电下的LED照明系统实验 (2007年) 清华大学光伏离网发电 太阳能高压钠灯一条街（2005 年） 研究团队曾经在太阳能光伏离网发电方面所做的一些工作 n第一阶段 实验室300W样机 （2003年） 保定天威
7、15kW并网示范工程（2006年） 清华大学7kW并网示范系统 （2004年） 出版(2005年) 清华大学光伏并网发电 实验室三相光伏并网逆变器 光伏并网电站中的逆变器 关键问题：逆变器组合特性及其系统安全工作区 系列光伏并网发电逆变器及其系统 太阳能光伏并网逆变器产品 （3 kW 250kW ） 清华大学光伏并网发电 二. 光伏并网存在的问题 光伏并网发电来自几个方面的要求 电网关注的是电能质量、电网的安全，需要光伏系统 可以方便调度； 投资商关注的是系统收益，或者是LCOE，即发电平均 成本； 运营商关注的是光伏系统的运行稳定可靠，设备运行 监控实时直观，安装、维护、操作简便安全； 以上
8、各个层面的要求是光伏并网发电不断技术进步的 原动力。 德国中压电网接入指令德国中压电网接入指令 于于2011.9 2011.9 强制实施强制实施最新光伏电站接入国标，将于最新光伏电站接入国标，将于20132013年正式发布年正式发布 光伏并网发电标准 当前光伏并网存在的主要问题（从电力系统角度来看） p电压和频率 n间歇性电源的接入影响稳态电压分布和系统电压波动； n对于大规模接入的分布式光伏电源，由于其有功出力具有随机性，如果不加控制 会引起系统频率偏移； p潮流 n光伏发电系统接入配电网后，特别是从负荷侧接入后，则会导致整个网络的负荷 分布发生变化； n光伏发电系统的随机变化特性会导致并网
9、后的各种负荷分布情况交替出现，这使 系统潮流也具有一定的随机性，此时传统潮流算法将不再适用； p电能质量 n光伏发电电源接入配电网后，会带来各种扰动，影响系统电能质量，主要体现在 电压闪烁和谐波、电压脉冲、浪涌、电压跌落、频率偏移、瞬时供电中断等动态 电能质量问题； p继电保护 n引入光伏发电电源后，配电网将成为一个多电源系统，这要求继电保护设备具有方 向性，因此需重新考虑继电保护装置的设计和应用思路； p故障处理与可靠性分析 n系统可靠性与光伏电源的接入位置、接入方式、运行方式、电源特性等密切相关； p优化调度与协调运行 n应研究大规模分布式光伏电源接入后对配电网的影响机理，探讨配电网对此类
10、大规 模分布式电源的消纳能力以及光伏电源出力与配电网主电源出力平衡的协调控制策 略和方法； n在高级配电运行框架下，需要开展光伏发电系统的互联和接口研究、混合式并网发 电系统的工作模式研究以及在不同负载、不同电网电价波动情况下的最优控制策略 研究等； 当前光伏并网存在的主要问题（从电力系统角度来看） 并网发电系统发电量统计表 太阳辐 射功率 W/m2 理论日发 电量Wh 实际日发 电量Wh 系统效率 当日最高 温度 3月日平均3119387140 278175 0.72 65 4月日平均3905484700 245920 0.51 80 5月日平均3605447463 173580 0.39
11、83 6月日平均3991495375 136633 0.28 85 7月日平均2982370135 65064 0.18 105 平均3520.4436962.6179874 0.41 83.6 1、几百kW级光伏组件 2、发电效率极低（18） 3、安装不合理 4、温升计算估计不足。 实例数据 光伏阵列存在的问题温升，光伏组件的杀手（从发电端来看） 光伏电站起火事故频发 * 2009年国际电工技术委员会（IEC）统计：欧洲和美国已经发生 10余起光伏电站起火事故。 主要原因：电弧，温度过高等。 * 更重要的是难以扑灭大火，都是带高压电，去不掉。 Buerstadt/Germany June 2
12、009 “Thermal Event” PVUSA, Thermal Event” PVUSA, Davis, CaliforniaDavis, California June, 2009 June, 2009 Bakersfield California, Bakersfield California, April 2009April 2009 v 由6台55kW的逆变器并联组成一台330kW的逆变器，3台这样的330kW逆变 器组成1MW变换装置。 v 一共并联了18台逆变器，LC滤波各自独立，共用一台变压器并网。 v 太阳能面板铺设在邻近的几个建筑屋顶。 多机并联运行产生谐波放大问题 实
13、际兆瓦 级光伏电 站在30% 和80%出 力情况下 的并网电 流实测波 形。 三. 光伏阵列建模及其分析 光伏阵列建模 1、光伏阵列 （1）光伏阵列数学模型 太阳能电池的等效电路图 VOC RL ID Rsh Ish RS IL (ISC) IR 太阳能电池的数学模型 单晶、多晶 非晶 薄膜透明 化合物 (CIS) 转换效率 短路电流 空载电压 温度特性 弱光性 衰减率 寿命 单个光伏组件特性与大规 模组合光伏阵列特性并不 一样? MPPT控制就不一样。 ? ? ? ? 光伏阵列组合存在的问题多极值问题 PSIM下的光伏电池模型 n 模型实现 光照 强度 温度 阳极 阴极 光伏阵列建模 失效
14、模型 失效机 理 失效特 性 热斑效应导致局部失效 正常模型与 失效模型之间 的关系？ 局部故障与 全局运行 之间的关系？ 局部失效的 检测和排除？ 故障机理分析 与保护？ 光伏阵列组合存在的问题热斑效应 光伏电池反向特性 暗光下的光伏电池反向特性(a)和正向特性(b) 光照下的光伏电池反向特性(a)和正向特性(b) 反向偏置阴影 雪崩击穿热斑 反向特性！ 光伏电池反向特性热斑产生的原因 (2) 建立不同类型的光伏组件特性试验平台，测试各种光伏电池输出特性 以及受环境因素的影响分析。 9种不同类型的光伏电池实验分析 光照度、温度、湿度、风向、风速等外部 气候条件对不同类型的光伏电池实验平台 及
15、其数据监测分析 CSI、非晶薄膜和多晶光伏电池样品分析 各种光伏电池特性在线检测 光伏组件基本参数（出厂数据） 编号类型技术标称功率/WIscVoc Si T-F 1薄膜a-Si95.0 1.290 140.190 Si T-F 2薄膜a-Si/a-Si48.0 1.044 80.700 Si T-F 3薄膜a-Si/a-Si50.0 1.518 61.673 Si T-F 4薄膜a-Si55.0 5.591 17.730 Si T-F 5薄膜a-Si/uc-Si120.0 1.362 140.651 CIGS薄膜CIGS75.0 2.210 34.000 p-Si 1晶体硅 Self-cle
16、an p-Si 185.0 8.452 29.937 p-Si 2晶体硅p-Si185.0 8.473 30.096 p-Si 3晶体硅p-Si240.0 8.505 37.539 m-Si 晶体硅m-Si200.0 5.720 45.600 29 各种光伏电池特性在线检测 各种光伏电池特性在线检测 各种光伏电池特性在线检测 n结论： n不论什么品牌什么类型的光伏电池，其发电量都与光照强度 密切相关，光照强度大，发电量多，环境因素对光伏组件特 性影响很大 n各光伏电池在不同季节发电特性有所区别 12月2月冬天晶体硅电池和CIGS电池发电性能优异， 与非晶硅薄膜电池相比有较大优势，且CIGS电池比晶体硅 电池的性能更加优越； 3月7月春夏季节，非晶硅薄膜电池发电量大幅增加， 发电量反超晶体硅电池和CIGS电池，且优势明显； 相对而言，6月7月夏季CIGS电池表现不佳，发电量不 仅逊于非晶硅薄膜电池，也少
