光伏发电综述

光伏发电综述摘要：人类对能源安全的担忧和环境恶化的焦虑，使得充分利用可再生能源已经成为全球共识。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种即清洁又环保的绿色能源，是急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。本文介绍了太阳能光伏发电的原理、光伏发电系统的运行方式及大规模光伏发电对电力系统影响。关键词：光伏发电；光伏系统；电力系统；综述SummarizationofPVGenerationHONGJia-rongCollegeofenergyresources,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,ChinaAbstract:Thehumanconcernforenergysecurityandenvironmentaldeterioration,anxiety,makesfulluseofrenewableenergyhasbecomeaglobalconsensus.Photovoltaicpowergenerationtechnologytothephotovoltaiceffectasthefoundation,cansatisfyhumanneeds.Solarphotovoltaicpowergenerationasacleanandenvironmentallyfriendlygreenenergy,isinurgentneedofenergysupplement,isthebasisofenergystructureofthefuture.Thispaperintroducestheinfluenceofoperationmodeandprinciple,photovoltaicsystemofsolarphotovoltaicpowergenerationandgenerationoflarge-scalephotovoltaicpowersystem.Keywords:Photovoltaicpowergeneration;Photovoltaicsystem;Powersystem;Review人类对化石能源枯竭、能源安全和环境恶化的担忧导致对清洁、可再生能源的需求增大，许多国家已经做出大规模开发利用太阳能发电、风力发电的决策和规划，一个以新能源发电为标志的电力系统新时代正在到来。研究和实践表明，太阳能是资源最丰富的可再生能源，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际公认的理想替代能源。在长期能源战略中，太阳能光伏发电将成为人类社会未来能源的基石，世界能源舞台的主角。它在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。现在世界上许多国家都加大了对太阳能光伏发电技术的研究，并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展。近几年，世界太阳能电池组件的年平均增长率为33%，光伏产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。1全球的能源局势据国际能源权威年鉴《BP世界能源统计2005》6月发布的数据显示，2004年世界一次能源消耗量为1.02×1010t石油当量。到2005年底，世界石油可采量为45年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为230年。图1为我国与世界主要常规能源储量预测图。从图1可以看出，全球常规能源可开采量已屈指可数。中国的常规能源远远低于世界平均水平，约为世界总储量的10%。从长远来看，太阳能将是未来人类主要的能源来源，可以无限期使用，因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点：（1）数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射能约为1.8×1014t标准煤，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1×104倍。（2）清洁干净。太阳能安全卫生，对环境无污染，不损害生态环境，是当之无愧的“清洁能源”。（3）获取方便。太阳能分布广泛，既不需开采和挖掘，又不用运输，对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。（4）时间长久。只要有太阳，就有太阳辐射能因此是取之不尽，用之不竭的能源。据权威机构预计，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1%左右，2050年约占25%。可以断言，光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术，谁就掌握了未来发展的主动权。2太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p-n结构成。当太阳光照射到p-n结时，一部分被反射，其余部分被p-n结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热，另一部分以光子的形式与组成p-n结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在p-n结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向n区，空穴驱向p区，从而使得n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴。这样在p-n结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使p型层带正电，n型层带负电，在n区和p区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏打效应。若分别在p型层和n型层焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。（1）光—热——动—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—动再转换成电最终转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。4太阳能光伏发电系统的运行方式太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和联网运行两大类。离网运行系统：未与公共电网相联接，又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。联网运行系统：与公共电网相联接，共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性：(1)可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数，有效地消除电网杂波。(2)所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35~45，发电成本大大降低。(3)光伏电池与建筑完美结合既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使资源充分利用，发挥多种功能。(4)出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。联网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。1990年德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司承认的“1000屋顶划”，继而扩展为“2000屋顶计划”，又于1998年提出“10万屋顶计划”，到2004年底，累计建设10万套，光伏组件总装机容量达300MPa。我国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统，到2010年以前这种现象不会有很大改变，仍然是以独立发电系统为主。从2011年到2020年，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。4大规模光伏发电对电力系统影响4.1对有功频率特性的影响光伏发电具有以下特性：1）外出力的随机波动性；2）电源是无旋转的静止元件，通过换流器并网，无转动惯量；3）低电压穿越期间不同的有功/无功动态特性；4）考虑电力电子等设备元件的安全，电源抗扰动和过负荷能力相对较差，易发生脱网；5）通过逆变器并网，具备四象限控制及有功/无功解耦控制的能力。光伏系统的这些特性，使得大规模光伏接入后系统的稳态/暂态特性发生变化，进而影响到系统的运行与规划。光伏电力大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成了冲击，进而影响到系统的一次、二次调频以及有功经济调度等运行特性，频率质量越限等风险加大；系统备用优化策略等将因光伏接入而发生变化，对与常规机组等其它多类型电源的有功频率协调控制以及调频参数整定等也提出了适应性需求；同时，由于光伏电源是非旋转的静止元件，随着接入规模的增大并替换常规电源，系统等效转动惯量降低，恶化了系统应对功率缺额和功率波动的能力，极端工况甚至会发生频率急剧变化，频率跌落速率及深度可能触发低频减载、高频切机等安控、保护动作的严重运问题。4.2对无功电压特性的影响大规模光伏集中接入更多是在戈壁、荒漠地区，当地负荷水平较低，接入的地区电网短路容量相对较小，大量光伏电力需通过高压输电网远距离外送，随机波动的有功出力穿越近区电网以及长输电通道，影响到电网无功平衡特性，进而造成沿途的母线电压大幅波动。同时，目前实际并网运行的光伏电源无功电压支撑能力较弱，发生电压质量越限甚至电压失稳的风险加大；对于规模化光伏分散接入配电网而言，光伏接入改变了电网既有的辐射状网架结构，单电源结构变成了双电源或多电源，电网潮流分布大小、方向等复杂多变，潮流变得更加难控，进而影响到配电网的电压质量，影响程度与光伏接入位置、接入规模以及出力等关系较大。4.3对有功频率特性的影响光伏电源是静止元件，本身不参与功角振荡，不存在功角稳定问题，但由于其随机波动以及无转动惯量等特性，大规模光伏接入后改变了电网原有潮流分布、通道传输功率，减小了系统的等效惯量；同时，计及故障穿越期间光伏具有与常规机组不同的动态支撑性能，因此光伏接入后电网功角稳定性会发生变化，变化情况取决于电网拓扑结构、电网运行方式及所采用的光伏电源控制技术、光伏并网位置及规模。光伏接入既有可能改善、也可能恶化电网的功角稳定性，这必须结合具体场景通过仿真分析才能确定。光伏并网还可能因故障穿越能力不足引发脱网，尤其是集中化、规模化后，脱网给系统稳定性带来的冲击将更加强烈，应结合实际并网情况，评估大规模光伏的脱网风险。我国第一个百万千瓦级青海光伏基地的集中接入改变了通道潮流分布的均匀性，且光伏电源表现出弱动振荡型失稳是功角失稳的一种。波动的光伏出力改变了系统运行点，同时并网逆变器与常规机组相比具有不同的控制策略，这些都会改变系统的阻尼，不但对系统原有的机电振荡模式产生影响，也会带来新频段范围的振荡。但一般而言，光伏接入对原振荡稳定的影响也是依接入位置、穿透率大小等情况而定。4.4对电能质量的影响随着大规模光伏的接入，电力电子广泛应用使得大量非线性负载也加入到系统中，对电力系统造成污染，出现电能质量问题。逆变器开关速度延缓，导致输出失真，产生谐波；在太阳光急剧变化、输出功率过低、变化过于剧烈的情况下，产生谐波会很大；也会出现大规模光伏集中并网时电流谐波叠加的问题等。国内外若干大型光伏电站的运行经验表明：即使单台并网逆变器的输出电流谐波较小，多台并网逆变器并联后输出电流的谐波也有可能超标。4.5对配电系统保护的影响光伏电源接入配电网后使配网故障特征发生了变化，对继电保护和自动装置产生若干影响：1）网架结构由单电源辐射状网络变为双电源、多电源的复杂拓扑结构，从而故障电流大小、方