光伏发电并网技术发展现状与趋势

　　文/张丽 陈硕翼(科技部高技术研究发展中心)

　　作为清洁能源的一个重要发展方向，光伏发电技术近年来取得了持续快速发展，光伏并网已经成为太阳能资源的主要利用形式。积极发展光伏发电并网技术，是我国应对环境压力，推动绿色、可持续经济发展模式的重要切入点。本文对目前国内外光伏发电并网技术的发展现状及趋势进行了梳理与分析，并提出了我国未来发展的重点及对策建议。

　　一、关于光伏发电并网技术

　　光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。光伏发电并网技术是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频、同相的交流电，并与电网连接将能量输送到电网的技术系统。在光伏发电并网过程中，涉及的关键技术主要包括：光伏并网逆变技术、光伏并网监控技术、反孤岛保护技术、低电压穿越以及直流并网技术的选择等，本文将针对以上各主要技术及发展现状进行详细阐述。

　　(一)光伏并网逆变技术

　　并网逆变器是实现光伏并网的重要组成部分，主要作用是将光伏电池产生的直流电能转化为交流电能，并实现与电网电压的同相同频，从而实现与电网电能的交互。目前光伏发电系统中常用的逆变器包括集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器三类，不同类型逆变器技术特点不同，适用于不同的光伏发电系统。

　　(二)光伏并网监控技术

　　为了保证光伏发电可靠、高效的并网运行，电站监控系统是其中的关键环节。目前大型电站大多配有监控系统，除了具备常规的数据采集和保护功能外，往往还能够对光伏系统进行能量管理，针对不同的应用场合，对光伏发电功率进行控制，提高系统运行安全可靠性和经济效益，有些还具有远程控制和云数据功能。

　　(三)反孤岛保护技术

　　在光伏并网发电系统中，为了避免电网故障情况下光伏发电系统与本地负荷功率匹配，形成一定时间内的孤岛系统，对电网中的人和用电设备造成威胁的状况发生，光伏并网系统一般需要配备反孤岛保护功能。孤岛检测技术分为远程法、被动法和主动法三大类。

　　(四)光伏直流并网技术

　　并网光伏电站正在向大型化、集群化方向发展，国内外一批百万千瓦级光伏发电基地相继涌现，然而边远电网比较薄弱，接入交流电网的集、直流升压和直流接入电网的成本更低、效率更高，大型光伏发电基地和高压直流技术的结合是必然发展趋势。

　　二、国际发展现状

　　太阳能资源非常丰富，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。在光伏电池发明以前，人类对太阳能的利用主要是光和热。1839年法国科学家贝克雷尔发现，光照能使半导体材料不同部位之间产生电位差，这种现象即被称之为“光伏效应”。1954年美国贝尔实验室两位研究人员恰宾和皮尔松，根据这一原理首次研制成功实用的单晶硅太阳能电池，人类从此进入了将太阳能直接转换为电能的光伏发电阶段。

　　进入21世纪以来，全球光伏发电新增容量持续快速增长，年平均增速达到50%。至2015年底全球光伏装机容量累计达到227GW，比2009年至少增加了10倍，比2005年至少扩大了40倍。从区域来看，欧洲一直以来在光伏市场中占有较大的份额，但近几年来受政策影响停滞不前，相较之下，亚洲市场自2012年迅速崛起并有赶超之势。目前欧洲光伏市场占全球的42%并有下降的趋势，亚洲市场同样占有42%，美洲占13%。目前世界各国的光伏发电系统中，绝大多数都是并网发电系统，并网技术也就成为了光伏产业主要研究方向之一。

　　(一)光伏并网逆变技术

　　国际光伏逆变器市场仍然被外国公司寡头垄断。近年来主要的变化是过去是专业型企业主导的市场(SMA，Power-one，KACO等)，现在ABB、GE、西门子、施耐德这些跨国巨头也纷纷加入，中国企业也在努力向欧美市场渗透。2007年以后，国外并网光伏发电系统中逆变器的选型越来越倾向于小型化、智能化、模块化，小型光伏并网逆变器的使用已成为光伏并网发展的趋势。

　　转换效率是评价光伏逆变器优劣的一项重要指标，随着新型半导体材料、新型拓扑和高效磁材料的应用，以及最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)技术的改进，逆变器效率不断提高，目前国际上逆变器最大效率已达到99%。近年来多电平技术在光伏逆变器中也得到了广泛应用，除了常规的3电平拓扑外，还有PowerOne的4电平、SMA的5电平、ABB的简化5电平等，此外，模块化多电平MMC也将应用于光伏逆变器。在电力电子器件方面，SiC等新材料开始得到应用，有助于提高设备开关频率，减小体积，降低成本。

　　为了提高光伏并网系统的并网可靠性，提高系统效益，光伏逆变器仍需要继续提高效率，同时加大功率，提高电压等级。因此，2.5MW及以上功率等级的逆变器得到了越来越广泛的应用，相较于1MW的逆变器，至少可降低0.1元/W成本;另外，高电压等级的直流系统(例如1500V直流系统)也受到越来越多的关注，此类系统除可以降低成本外，同时可以减小系统损耗。

　　(二)光伏并网监控技术

　　施耐德电器光伏业务部门在2015年推出了一套全新的光伏解决方案以及增强型监控应用，它可与施耐德电气的转换变电站以及监控系统相连;SolarEdge展示了最新的住宅光伏储能系统及扩增产品，从而使得特斯拉的家庭储能系统Powerwall与电网和光伏系统相融合;光伏远程监控解决方案提供商Meteocontrol，在2015年3月对即将发生的德国日蚀现象可能导致的极端波动现象进行了精准预测，从而保证电网运营商和电力交易商对此进行了快速反应，确保了系统的安全稳定。

　　(三)反孤岛保护技术

　　反孤岛保护技术是光伏技术中的一项重要研究内容，在电网发生故障的情况下能够保证并网光伏系统及时停机，避免不必要的意外发生，提高了系统的整体安全性和可靠性。

　　对于分布式发电系统的反孤岛保护技术，国际上提出了很多控制方法，除了传统的被动法之外，还有主动的频率扰动、电压扰动等方法。此外，远程法逐渐成为研究的热点，该方法更加适用于大规模的复杂光伏并网系统，避免多台逆变器之间的互相干扰，可靠性更高，适用范围更广。

　　(四)光伏直流并网技术

　　日本电信电话株式会社(NTT)针对供电领域的HVDC提出了一系列标准，并将光伏接入高压直流系统。2015年NTT公司与美国德克萨斯大学签订了关于“高压直流(HVDC)供电系统”验证业务的实施计划意向书，开展光伏发电系统与高压直流并网测试;与英国就海上风电与光伏混合电站的直流接入进行了方案讨论;与印度对于光伏接入直流系统的方案及经济性也进行了研究。

　　三、光伏发电并网技术发展趋势

　　未来随着光伏电价不断下调，光伏产业不可避免地需要引入市场竞争机制，这也要求对相关技术研发工作进行相应调整，从而适应产业变革的需要。

　　未来光伏发电并网技术发展的主要趋势如下：集中式和组串式逆变器的功率不断加大，效率提高，电压等级升高，从而降低成本，减少损耗;微型逆变器等组件级产品越来越丰富，以适应不同类型的市场需求;电网适应能力不断提高，例如低电压穿越、高电压穿越等功能不断完善，具有高可靠性的保护功能;未来光伏逆变器将与互联网相结合，实现数字化，基于云端存储和计算的数字化平台将得到更为广泛的应用。总体来看，未来光伏逆变器将朝着更高效、更可靠、更智能化的方向发展。

　　随着大功率地面光伏电站的不断建设，光伏监控及能量管理系统势必成为未来发展的重点方向之一。除了保证光伏发电系统安全稳定运行外，监控系统未来还将肩负更多使命，例如控制电站运行，降低光伏并网功率的波动性，对光伏与水电、储能等其他发电系统的多能互补协调控制，以及基于云数据的远程监控等功能。

　　此外，光伏高压直流并网技术在未来将会逐步体现其优势，尤其对于西部偏远地区的大容量光伏电站，直流并网的优势更加明显，相应的直流并网设备的研究也将成为未来的研究热点。

　　四、我国光伏发电并网技术发展现状与对策

　　我国幅员辽阔，太阳能资源极其丰富。20世纪50年代开始对光伏电池的生产和应用进行研究，到20世纪70年代光伏发电产业才正式起步。进入20世纪90年代，在世界大环境的带动下，我国光伏产业也迅速发展，光伏发电的装机容量逐年增加。但是此阶段我国光伏产业主要以材料生产和出口为主，国内光伏发电应用发展缓慢。

　　2002年，政府出台了“光明工程”，使中国光伏产业进入了一个新的时代。在此之后，政府持续加大了对光伏发电的支持力度，出台了大量有利于光伏发展的政策和意见，如“金太阳示范工程”、《关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知》《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》(国发〔2013〕24号)等。通过以上这一系列政策的扶持，中国光伏产业自2009年开始正规化启动，中国成为了全球光伏安装发电量发展最快的国家，到2013年成为世界第一大光伏市场。截至2016年，我国光伏发电累计装机容量达到7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。

　　为了提高我国光伏发电产业在全球的竞争力，解决产业中存在的问题，同时适应未来市场及相关政策的变化，提出以下建议：

　　一是引入竞争机制。各地区制定光伏发电项目竞争性配置办法，光伏企业需通过竞争方式获得项目资源，其中上网电价是重要的竞争条件，除此之外，需禁止地方保护和不正当收费。

　　二是加强可再生能源并网消纳研究，解决弃光问题。近年来火电的快速增长和用电负荷的零增长，导致弃光问题越发严重，同时造成了大量的资源和投入浪费。应加强大规模可再生能源并网及消纳问题研究，最大限度提高电网消纳可再生发电的能力，提升可再生能源在能源消费总量中的占比;另需要出台相关政策，抑制盲目发展火电，加大配套设施，如输电通道和配电网的建设，同时鼓励各地区实行就近消纳，从而鼓励光伏等新能源市场的发展。

　　三是提高光伏的环境友好性。太阳能是清洁环保的绿色能源，光伏发电在全生命周期内都会对环境产生影响，我国现已展开了光伏生产制造环节对环境影响的评估和研究，未来需要对发电环节和废弃回收环节进行评估，同时鼓励光伏材料的回收再利用，进一步实现光伏的环境友好。

　　本报告为国家软科学研究计划项目“基于新一代信息技术的产业变革基础设施构建”(编号：2014GXS6K238)后续研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云