光伏并网发电关键技术及其应用

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。
“十一五”期间太阳能发电重点领域和区域
中国光伏市场的推进 光伏行业前途光明
• 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；
光伏阵列存在的问题——温升，光伏组件的杀手（从发电端来看）
实例数据
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。
20090310发电功率
并网发电系统发电量统计表
太阳辐 射功率 W/m2 3月日平均 4月日平均 5月日平均 6月日平均 7月日平均 平均 3119 3905 3605 3991 2982 3520.4
光伏阵列建模
模型实现
阳极
光照 强度
阴极
温度
PSIM下的光伏电池模型
光伏阵列组合存在的问题——热斑效应
失效机 理 失效 模型 失效特 性
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
热斑效应导致局部失效
与保护？
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)
• 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； • 以上各个层面的要求是光伏并网发电不断技术进步的 原动力。
光伏并网发电标准
《德国中压电网接入指令》 于2011.9 强制实施
最新光伏电站接入国标，将于2013年正式发布
当前光伏并网存在的主要问题（从电力系统角度来看）
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
Si T-F 1 Si T-F 2 Si T-F 3 Si T-F 4 Si T-F 5 CIGS p-Si 1 p-Si 2 p-Si 3 m-Si
类型
薄膜 薄膜 薄膜 薄膜 薄膜 薄膜 晶体硅 晶体硅 晶体硅 晶体硅
技术
a-Si a-Si/a-Si a-Si/a-Si a-Si a-Si/uc-Si CIGS Self-clean p-Si p-Si p-Si m-Si
当日最高 温度℃
65 80 83 85 105 83.6
1200 1000 800 600 400 200 0
5: 45 6: 30 7: 15 8: 00 8: 45 9: 30 10 :1 5 11 :0 0 11 :4 5 12 :3 0 13 :1 5 14 :0 0 14 :4 5 15 :3 0 16 :1 5 17 :0 0 17 :4 5 18 :3 0 19 :1 5 20 :0 0
太阳能电池的数学模型
单晶、多晶
非晶
薄膜透明
化合物 (CIS)
光伏阵列组合存在的问题——多极值问题
power
P
power
voltage
N
voltage
power
voltage
power
voቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtage
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。
power
voltage
深圳园博园 1MW光伏并网发电站
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
国内大型光伏并网发电站快速发展
近几年来，国内几家兆瓦级光伏并网电站先后开工或建成。
2008年宁夏发电 集团MW光伏电站 并网仪式
2008年12月昆明 166MW光伏并网 发电工程正式开工
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
电压和频率
间歇性电源的接入影响稳态电压分布和系统电压波动；

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；
潮流
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；

光伏发电系统的随机变化特性会导致并网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；
20090602发电功率
3000
2500
设计发电功率 实际发电功率 温度*10
2000
1500
1000
500
0
5:45
6:15
6:45
7:15
7:45
8:15
8:45
9:15
9:45
10:15
10:45
11:15
11:45
12:15
12:45
13:15
13:45
14:15
14:45
15:15
15:45
标称功率/W
95.0 48.0 50.0 55.0 120.0 75.0 185.0 185.0 240.0 200.0
Isc
1.290 1.044 1.518 5.591 1.362 2.210 8.452 8.473 8.505 5.720
太阳能面板铺设在邻近的几个建筑屋顶。
实际兆瓦 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
RS IR
I SC I R I D
VD Rsh
V D V L I R Rs
IL ( I SC ) ID
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。

并网系统

光伏并网发电系统已毫无争议的占据了市场的主导地位
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：
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%。
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 ，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。
资料来源：Solarbuzz, March 15, 2010
“Thermal
Buerstadt/Germany
Event” PVUSA, Davis, California June, 2009
June 2009
多机并联运行产生谐波放大问题
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。
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。
太阳能高压钠灯一条街（2005 年）
太阳能供电下的LED照明系统实验 (2007年)
清华大学光伏并网发电

第一阶段
实验室300W样机 （2003年）
清华大学7kW并网示范系统 （2004年）
出版(2005年)
保定天威15kW并网示范工程（2006年）
清华大学光伏并网发电
▲ 系列光伏并网发电逆变器及其系统
中国光伏市场的推进
《国家能源发展规划》； 国家发改委重新制定2020年中国光伏市场目标: 20GW（原为5GW）； 《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）； 《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；上网电价的差额在全网中分摊。
R sh Ish
V OC
RL
q VL I R Rs 1 I D I O exp AkT
VOC Ak T I SC ln 1 I q O
太阳能电池的等效电路图
转换效率 短路电流 空载电压 温度特性 弱光性 衰减率 寿命
电能质量
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；
当前光伏并网存在的主要问题（从电力系统角度来看）

继电保护

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；
2000 1800 1600 1400 设计发电功率 实际发电功率 温度*10
理论日发 电量Wh
387140 484700 447463 495375 370135 436962.6
实际日发 电量Wh
278175 245920 173580 136633 65064 179874
系统效率
0.72 0.51 0.39 0.28 0.18 0.41
国际能源机构(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：

光伏市场分类

离网系统

户用离网 非户用离网 分布式并网 集中式并网
IEA-PVPS项目成员国光伏系统累计安装量
数据来源：IEA-PVPS, Trends in photovoltaic applications
光照下的光伏电池反向特性(a)和正向特性(b)
光伏电池反向特性——热斑产生的原因
阴影
反向偏置
热斑
雪崩击穿
反向特性！！！
各种光伏电池特性在线检测
(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 及其数据监测分析 CSI、非晶薄膜和多晶光伏电池样品分析
清华大学光伏离网发电
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
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）
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）
同方大厦太阳能 广场照明灯 (2003年)
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
赵争鸣
清华大学电机工程与应用电子技术系 2012年11月
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
一. 光伏并网发电的发展

故障处理与可靠性分析

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；

优化调度与协调运行

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；

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；
• 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-in Tariff）向 PPA （Power Purchase Agreement）过渡。
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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。
Bakersfield California, April 2009
实验室三相光伏并网逆变器 光伏并网电站中的逆变器 太阳能光伏并网逆变器产品 （3 kW －250kW ）
关键问题：逆变器组合特性及其系统安全工作区
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；