光伏并网发电系统的技术发展趋势

•分布式电源及并网技术•

光伏并网发电系统的技术发展趋势

(1.上海电力学院自动化工程学院，上海200090;

2. 国网天津东丽供电公司，天津300300;3. 国网枣庄供电公司，山东枣庄277000)

摘要：介绍了光伏并网发电系统的发展成果和趋势。在各个国家高渗透的分布 式发电（DG)资源使得GCPVS对电网造成无意的压力。现有和未来的标准，缓和了技 术上的挑战与GCPVS的增长数量的关系。最大功率点跟踪（MPPT)和太阳能跟踪

方永辉（1991一）， 男，硕士，研究方向 为光伏并网发电技 术。

方永辉1，孙宇贞1，李平2，刘国建3

(ST)都可以在确保最小程度干扰电网的前提下提高光伏系统（PV)的工作效率。通过 逆变器支持无功功率控制、频率调节和能量储存等途径来减轻采用GCPVS造成的

挑战。

关键词：光伏并网发电系统；分布式发电；中图分类号：TM 7

PV; MPPT;太阳能跟踪；逆变器

27.2文献标志码：A文章编号:2095-8188(2016)23-0050-05

DOI： 10.16628/j.cnki. 2095-8188. 2016.23.009

Development Trends and Challenges of Grid-

Connected Photovoltaic Systems

FANG Yonghui1，SUN Yuzhen , LI Ping2，LIU Guojian

(1. Institute of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China；

2. State Grid Dongli Electric Power Supply Company, Tianjin 300300, China；3. State Grid Zaozhuang Electric Power Supply Company, Zaozhuang 277000, China)

Abstract ： This paper introduced the recent developments and trends pertaining to grid-connected photovoltaic

systems ( GCPVS) . In countries with high penetration of distributed generation ( DG) resources, GCPVS have been shown to cause inadvertent stress on the electrical grid. A review of the existing and future standards that addresses the technical challenges associated with the growing number of GCPVS was presented. Maximum power point tracking(MPPT) , solar tracking(ST) and the use of transformless inverters can all lead to high efficiency gains of photovoltaic (PV) systems while ensuring minimal interference with the grid. Inverters that support ancillary services like reactive power control, frequency regulation and energy storage are critical for mitigating the challenges caused by the growing adoption of GCPVS.

Key words：grid-connected photovoltaic systems( GCPVS) ； distributed generation(DG) ； PV； MPPT； solar tracking ( ST) ； inverter

业，是温室气体的主要来源。传统化石燃料发电 设备满足过去大多数全球电能的要求。然而，环 境和气候变化的影响使得化石燃料发电对社会和 环境问题构成了严重的挑战。分布式发电

(Distributed Generation，DG)，尤其是光伏（PV )发

〇引言

人类的活动是气候变化的主要影响因素，且 这个影响大部分是来自电力工业的化石燃料[1]。

2012年美国有32%的温室气体排放来自电力行

孙宇贞（李平

1975 —），女，副教授，研究生导师，研究方向为电力设备智能控制、电厂过程控制等 （1986—），女，硕士，主要研究方向为电力系统安全稳定控制。

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电系统，减轻了气候变化带来的挑战。

与离网光伏发电系统不同，光伏并网发电系

统（GCPVS)与电力网并行操作且不需要储能系 统。如果GCPVS生产电力过剩（如当生成的电能 大于本地负载需求），那么剩余的电能将并入大 电网中。此外，GCPVS可以减少输电和配电 (T&D)损失。2010年美国，尽管平均电力损失达 5.7%，而电力损失在高峰期间更小[2]。例如， 2010年加州南部爱迪生和太平洋燃气及电力预 计损失超过10% [3]。DG可以减轻对本地负载供 电造成的电力损失。

本文主要侧重于光伏并网发电系统在整体性 能以及电网可靠性方面的发展以及技术挑战。标 准管理GCPVS安全安装、操作和维护，以及用现 有的方法提高光伏系统的工作效率。逆变器在光 伏系统中的作用仍然不可小觑。逆变器的设计是 为了支持并辅助电网工作，尤其是考虑目前有越 来越多的小规模GCPVS并入电网。最近，HECO 宣布支持智能逆变器，可以瞬态改变低（高）电压 和频率下降（或峰值）[4]。

1光伏并网系统的发展现状与趋势

由于硅和光伏模块的价格下降，大规模生产

的技术进步，政府鼓励成熟和良好的扩散互联协 议和持续地改善功率变流器技术等，光伏产业将 继续保持较快发展。

根据太阳能行业协会（SEIA)2013年度的总 结回顾，光伏系统的平均价格为2. 59美元/W,光 伏电池板的平均价格降低了 60%。遵循

Swanson,平均每次全球太阳能生产能力翻倍增

长，同时光伏电池成本会下降20% ,进一步减少 光伏系统的整体系统成本。2013年，至少有 3 GW的太阳能光伏系统安装在全球范围内，带来 了全球光伏发电系统139 GW的安装数量[5]。即 从20世纪70年代光伏产业发展的初始阶段开始 到2012年，仅2013年全球的光伏系统安装数目 就占到了安装总容量的30%。据估计到2018 年，新光伏的总量安装可能会超过68 GW,同时全 球光伏系统的安装总额将是2013年的3倍[6]。

GCPVS数目的增长速度较快，尤其是公共设

施实用方面，主要是由于政府和监管机构对DG 的促进和扩大。2014年6月美国环境保护机构

电器与能效管理技术（2016NO. 23)

提出的清洁能源计划将有助于在15年时间内减

少30%的排放量[7]。EPA希望通过公共产业实 现GCPVS更好的发展，促进可再生能源的利用。 此外，政府通过税收优惠和立法政策的规定来应 对气候变化，帮助增加了太阳能光伏系统的财政 可行性[8]。2011年美国能源部Sunshot开发的计 划倡议，在2020年政府不再补贴新能源发展之 前，通过利用科学研究和先进技术来大规模地降 低光伏系统的成本至75%，缩小与化石燃料发电 成本的差距[9]。

在地方和国家政府层面，可再生能源的投资 组合标准（RPS)是通过确保可再生能源的固定数 量在发电投资组合服务区域内，寻求增加混合公 共产业。2014年开始，哥伦比亚特区和美国第二 大地区都通过RPS立法，说明哪些公共事业属于

RPS，以及未来规定时间内需求新能源占总发电

组合的百分比[1°]。

RPS政策已经作为新能源市场的一个主要驱 动力，直到2020年美国能源市场可能会增加3 ~ 5 GW/a,如果完全符合政策，到2035年总共有94

GW的新能源会投入市场[11]。NREL在报告中分

析了从2004 ~2015年可再生能源的需求量。根 据这份报告，到2015年底，遵照RPS政策将会比 自愿性需求增加将近两倍的可再生能源，RPS政 策的引入和可再生能源的一般性需求之间有很强 的相关性。

RPS实施最严格的地方之一是美国加州，这

需要投资者的公用事业和电力服务提供者在

2020年之前将可再生能源的采购量增加到总采 购量的30% ™。新泽西州的RPS要求2021年 底时有22. 5%的电量来自可再生能源发电[13]。 事实上，在2005年，新泽西州是美国第一个建立 太阳能可再生能源证书（SREC)的城市，整个项 目在前两年产生76 MW的太阳能。其他7个州 和哥伦比亚特区也已经开始实施RPS政策[14]。

2光伏并网系统面临的挑战

随着GCPVS成本的降低，光伏发电技术在住

宅、商业以及公共事业方面的应用越来越广泛。 虽然光伏并网发电模式有工作寿命长（20 ~ 30 a)、操作和维护的成本低以及比化石燃料燃烧 发电具有更好的环境效益等优势，GCPVS仍面临

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着较大的挑战

。一

些研究表明，大量、广泛的光伏

并网发电设施的投入会对大电网造成巨大的压 力。如果公共设施没有技术保证，PVS将会影响 大电网的发电质量[15]。如今如何将GCPVS合理 调度将是解决对电网造成负面影响的主要策 略[16]。由于GCPVS具有很高的渗透性以及输出 电能的不可预测性，在不远的将来，一些公共事业 和独立系统的经营者将会强制GCPVS与大电网 之间实行更严谨的管理。

提出这些要求是GCPVS本身的特性。最初 是因为自然规律会影响光伏系统的输出，当需求 增大时GCPVS不能充分地向电网提供电量，虽然 这期间，电力公司会改善传统的电力设备去满足 电能的大量需求。加利福尼亚独立系统经营商 (CAISO)基于2012年~2020年实际时间分析和 电网需求预测用“鸭曲线”说明了 GCPVS在电网 中的影响。电网要求负载能够表现出一天当中不 同时刻在线的传统发电设备（包括可再生能源发 电）的数量。首选的解决方案是先将不能调度的 GCPVS储能系统耦合，同时延长太阳能发电的 时间。

2010年，加利福尼亚州通过了议会法案 (AB) 2514，授权给加州公共事业公司委员会设定 大规模投资所需的电力设施目标。随后，2〇13年 10月加利福尼亚州公共事业委员会（CPUC)采取 了储能采购，根据AB 2514,授权给公共设施投资 商和电力公司开发1 3M MW电力存储和2〇2〇 年峰值负载的1%。另外，新能源的存储要求将 促进管理需求的响应，电厂调峰，减少常规发电成 本，提高电网的稳定性以及当电网断电时提供备 用电源。

能源存储系统的发展面临着巨大的挑战，且 具有未知性，特别是发电行业能源存储仍是相对 较新的技术。大规模的存储应用设施常常要面临 着技术和市场的障碍，导致成本远远大于传统的 发电模式。因为电力市场价格在很大程度上是基 于负荷需求与电厂供应之间的平衡，所以发电模 式的更新存在不可避免的风险，在这种情况下，供 应过剩将会加大成本。此外，能量储存的发电模 式会使电力公用事业供应商面临更高的平衡成 本，从而导致选择转移客户。—52 —

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3光伏并网系统的最优效率

由于光伏发电系统工作的自然条件限制，很

难预测输送给负载的电量。然而，更高效率的

GCPVS系统不会对其服务的大电网和负载造成 干扰。通过提高系统的性能，当辐射强度较低时 将输出功率最大化，以及提高输出电能的可预测 性。下面介绍3种提高工作效率的方法。3.1

最大功率点跟踪法（

MPPT)

光伏电池板的/-t/和P-t/曲线特性具有高非 线性，但在某时刻光照强度下会达到最大功率点， 最大功率点会受周围环境温度和太阳辐射强度的 影响。外界温度的随机性以及太阳辐射强度的变 化是PV系统工作效率不稳定性的一个主要因 素。MPP跟踪器会在不考虑负载、周围环境温度 以及光照强度的条件下，连续地计算和分析PV 系统的输出电能。MPP跟踪器在不同的周期内 控制DC/DC转换，以及调节脉冲宽度[17]。

MPPT对光伏并网发电系统以及其他并网发

电设备都有不可忽视的作用，尤其MPPT控制离 网光伏发电设备可以保证负载获得更可靠、稳定 的电能。事实上，公共点的电压受公共电网的钳 制，MPPT利用电压值的调节和控制来使GCPVS 输出最大功率。当外界温度和太阳辐射强度变 化，光伏模块的输出电流会随之变化，MPPT系统 要快速做出响应并保证光伏电池板输出最大 功率。

3.2太阳能跟踪

与基于逆变器的最大功率跟踪变流器不同， 太阳能跟踪器是通过机械转子监测和控制太阳的 辐射角度来获取最多的太阳能，定位板限制了直 接接触太阳的表面积。目前已有很多装置可以检 测太阳的位置。文献[18 ]表明，对于许多太阳能光伏应用程 序GCPVS都能够可靠地预测太阳位置的变化以 及可获得太阳能的数量，同时也是设计一个有效 的太阳能跟踪系统的重要参数。然而事实上，即 使不考虑太阳位置及自然条件，使用太阳能跟踪 系统的成本也将远远大于带来的效益。首先，增 加部件及更复杂的货架会增大操作和维护成本， 且要考虑到更频繁的维修、停机及停机时间，将会 大大增加使用太阳能追踪器的成本（尤其对于大

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规模的PV系统）。其次，因为太阳能追踪器使用

LDRS或光电二极管，外界环境湿度和温度都会

对系统造成影响，所以需要更复杂控制算法，硬件 和软件部分的复杂性决定了成本的增加[19]。

NREL研究比较了固定倾斜角度和单轴跟踪 多晶硅光伏阵列，事实上单轴跟踪PV系统的年 运行及维护成本要超过固定倾斜角度的跟踪系统 的200%，且投资回收期长约9 a[2°]。研究证明，

PV输出直流电需要配备太阳能跟踪装置，且成本

远远大于固定倾斜角度的光伏系统。

3.3无变压器的逆变器

逆变器是将PV系统输出的直流电转换成电 力系统所需要的交流电的设备。在许多逆变器 中，变压器作为直流电和交流电间的绝缘组件，保 证逆变器直流侧的敏感电子元件不受损伤。电隔 离确保一次绕组和二次绕组之间没有物理连接。 在其他情况下，变压器需要加快（增加）光伏模块 的输出直流电压与电网的交流电压匹配。此外， 变压器也可以过滤不需要的高频信号，以及逆变 器中生成的噪声信号[21]。

变压器的移除减少了逆变器的尺寸和重量以 及能量的损失（提高了系统的效率），降低了复杂 性的同时也减少了逆变器的成本。无变压器的逆 变器创造的效益超过了其成本

，一

些文献证明无

论从经济性和操作性方面，无变压器的逆变器工 作效率可以达到97% [22]。对于单相无变压器的 逆变器，欧盟（EU)和加州能源委员会（CEC)发现 逆变器在市场上的利用效率达到96% ~ 98% [23]。

SMA太阳能技术是世界上最大的逆变器制

造商，已经商用无变压器的逆变器在兆瓦范围内 的峰值功率高于并网发电系统。MPPT和无变压 器的逆变器创造的效益高达98. 7%，符合UL 1741以及NFPA 70的电弧故障要求（NEC)第 6% 条[24] 〇

4结语

近年来，虽然太阳能光伏市场经历了飞速发

展和成本的大幅度降低，但是目前仍面临着技术 上的挑战，以及实际经济情况与DG能源之间的 协调，使成本与传统发电模式保持相当水平。若

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要成功大规模地采用GCPVS,必须开发出不仅仅 提供DC和AC之间转换功能的新技术逆变器。 在一定成本内，现代电网互动逆变器需要提供无 功电压优化控制（功率因数和电压稳定）、频率调 节、扩大存储以及充分利用现代通信协议。新一 代的逆变器将是“智能逆变器”[25]。

未来GCPVS设计需要逆变器监控，基于瞬时 反馈响应和调整电网的输出。逆变器还可以保存 和共享设施管理系统的趋势、预测、预防以及维修 保养的数据。新一代的智能逆变器可以记录一些 数据，如充分利用电池存储时间和容量的信息，对 外部报警，并提供每天电能管理信息。重新思考

逆变器的作用和功能可以扩大GCPVS,创建和支 持一个更可靠的电网。

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收稿日期：2016-09-30

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《电器与能效管理技术》编辑部

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