一种光伏应用新技术

2011-09-18 07:16薄志谦石亚和刘叶冰
智能建筑电气技术 2011年3期
关键词:逆流逆向市政

贾 宁/邢 岩/王 欣/薄志谦/石亚和/刘叶冰

1.西东控制集团, 辽宁 沈阳 110015; 2.清华大学—阿尔斯通电网研究中心, 北京 100084; 3.东北大学, 辽宁 沈阳 110004)

1 光伏产业发展现状

20世纪就有专家预言:21世纪将是人类走进直接使用太阳作为能源的一个新世纪。专家们估计,到本世纪中叶,太阳能将占到人类能源构成的15%;到本世纪末,太阳能将成为人类能源构成的“主力”。当前世界各国都极其重视太阳能光伏产业的发展。

本世纪最初的10年,世界光伏电池产业年增长率为48.6%。2010年世界光伏电池产量达15.8GW,同比增长48.2%;完成太阳能发电装机容量12.5GW,同比增长58.2%。

2009年中国光伏太阳能电池产量为4011MW;2010年中国光伏电池产量达到8GW,翻了1倍,占到世界产量的一半。2009年,中国光伏发电市场装机量约160MW,占全球当年装机总量的2%;2010年,预计装机约380MW,在全球总装机量中占3%。

从上述数据可以看出,当前中国光伏产业发展还十分不尽人意,主要问题是光伏电池主要用于出口,内需严重不足,造成“耗能在国内、节能在国外”的虚假的产能过剩现象。中国政府对此一直十分关注,从2006年开始,国家就有意识地推广光伏在建筑上的应用。2009年4月,财政部、住建部直接推出“太阳能光电建筑应用示范工程”;2009年7月,财政部、科技部及国家能源局推出“金太阳示范工程”,给予建筑光伏应用专项支持;2010年12月2日,财政部、科技部、住建部、国家能源局四部委举办联席会议,对金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程的组织和实施进行动员部署,并公布了首批13个光伏发电集中应用示范区名单。四部委表示,希望通过加大补贴力度、增加示范区数量、保障项目并网运行等措施,加快推进国内光伏发电规模化应用,力争2012年以后每年国内应用规模不低于1,000 MW。

2 制约建筑光伏应用发展的技术问题

目前光伏应用主要有两种模式:独立式(又称离网式),即白天光伏发电由蓄电池储电,晚上使用,典型的应用就是大量的太阳能路灯、草坪灯、信号灯等。这种应用由于系统中需要配备蓄电池,因此效率低、成本高、维护费用高,而且存在二次污染问题,适合在无电地区使用,不宜在城市建筑中大量推广应用。

并网式,又分为可逆流和不可逆流两种方式。其中可逆流是目前光伏应用的主流技术,即,将光伏电力转换成与市政电力同频、同相、同质的交流电力并入市政电网使用,典型的应用就是光伏电站建设。光伏电站的建设规模一般都较大,需要大量摆放光伏电池板的地方,大都选择在荒漠地区建设,也不应是建筑光伏应用的主流技术。

在德国和日本等国家鼓励小型光伏发电并网应用,这是由于他们在电网系统建设中已经考虑这种分散可再生能源接入电网运行的安全问题。但是在世界大多数国家,包括中国,电力建设长期以来遵循的是“发电—输电—配电—用电”模式,其电力运行与系统保护方向性十分明确,一旦出现大量用户侧发电上网,不仅无法实施电力调配,而且势必对电网安全运行造成影响。

在中国,从2006年开始,国家就有意识地推广光伏在建筑上的应用,一直到2009年开始实施的“太阳能光电建筑应用示范工程”和“金太阳示范工程”,都公开大力倡导实施“用户侧并网”来实现建筑光伏应用。这种用户侧并网应用,就是将光伏电力在用户侧与市政电网并网使用。国家本想将这种不可逆流并网应用方式作为建筑光伏主流应用技术推广,并为了保证市政电网的运行安全,规定了系统光伏电力对市政电网实施逆向功率保护,但是还是不宜大面积推广应用。

在国家标准《光伏系统并网技术要求》(GB/T 19939-2005)中明确规定:“系统在不可逆的并网方式下工作,当检测到供电变压器次级处的逆流为逆变器额定输出的5%时,逆向功率保护应在0.5s~ 2s内将光伏系统与电网断开”。同时,还规定了系统在市电失电时防止孤岛效应发生:“当电网失压时,防孤岛效应保护应在2s内动作,将光伏系统与电网断开”[1]。规定0.5s~ 2s实施逆流保护的原因,是基于目前还没有办法实现绝对意义上的零逆流控制,因为对逆流的常规检测方法需要几百ms才能完成,加上控制保护动作,只能规定0.5s~ 2s内完成不可逆流保护。

由此可以看出,这种用户侧并网应用在实施逆向功率保护之时,实际上已经在0.5s~ 2s内向市政电网发生了光伏逆向功率,其规模已经超过装置的额定功率5%。当这种应用尚不普遍时,还不至于对市政电网安全运行造成较大影响。但是如果普遍推广,即便每个装置逆功率都很小,但是由于数量大,势必影响市政电网的安全运行。因此,电力系统对这种用户侧并网应用方式一直表示担忧,即便同意,也往往会要求实施“一点并网”,要求将分散建设在分散建筑上的大量光伏电池连为一点接入电网。这样一来,就需要通过大量汇流母线与设备,将这些分散光伏电力从一点接入电网,这不仅增加线材投资,而且加大了光伏损耗,大大降低光伏应用效率。这个问题一直困扰着光伏发电在建筑领域的推广应用。

3 光伏微电网共网应用新技术

仔细分析建筑光伏应用的特点是“三个分散”,即“分散的阳光”、“分散的建筑”、“分散的用电需求”。如何找到一种适合“三分散”的光伏应用技术,将是解决光伏建筑应用的技术关键。

现在终于有了一种针对建筑光伏应用“三分散”特点的新技术——光伏微电网共网应用技术。其主要特征是:光伏微电网系统的光伏电力和市政电力共同向负载供电,当光伏电力不足或没有时,由市政电力作为系统基础供电向负载供电。即正常状态下,光伏共网(grid co-existing PV)应用与不可逆流的光伏并网(grid-connected PV)应用工作状态相同。两者不同是:共网应用系统能够保证无论在什么情况下,包括市电失电时,光伏电力绝对不会对市政电网发生逆向功率,即实现设备级本质安全零逆流。这样一来,光伏微电网系统对市政电网而言,就是一个可变负载(相当于变频电机)在用电,而没有任何发电设备的特征。

共网应用模式是一种崭新的光伏应用模式,它特别适合在那些大量分散的建筑上建设太阳能电池板,所得到的光伏电力就地使用,而市政电力作为备电(实际是基础电力)保证系统负载在光伏电力不足或没有时的正常用电。这与离网系统相比,省掉大量蓄电池;与不可逆流的并网系统相比,不仅解决了电力系统对电网安全运行的担心,还减少“一点并网”所造成的系统效率损耗,大大提高太阳能使用效率,大大降低系统投资和系统维护成本。

实现光伏共网应用的关键设备是共网控制逆变装置,其基本功能是在正常情况下保证光伏并网应用的同时,实现设备级本质安全零逆流,严格防止光伏电力向市政电网发生逆向功率。这是采用普通检测与控制方法无法实现的,只能依靠更高的控制理论与技术手段突破这一技术瓶颈。该装置标准,已经由住建部2010年3月19日的建标[2010]40号文件中立项编制,目前已进入审批程序,预计2011年内完成批准颁布。

由于共网控制逆变装置具有逆向功率零逆流控制保护功能,彻底解决了光伏电力与市政电网共网应用时对市政电网安全运行的影响,消除了电力系统对光伏电力共网应用影响电网安全的担心,打开了建筑光伏应用的大门。

这样一来,就可以在一座建筑,或者一个建筑群,甚至一座城市的建筑光伏应用中,采用这种“共网控制装置”与光伏电池板组成若干个规模合适的光伏微电子网,实现光伏电力就地即发即用。当光伏电力不足时,系统由市政电力补充供电;当光伏电力超过负荷用电量或者发生市电失电时,“共网控制装置”可以保证光伏电力绝不向市政电网发生逆向功率,保证市政电网的绝对安全运行。

光伏微电网采用模块化结构构成。即,各个光伏微电子网,通过各种通讯方式(包括有线、无线和计算机网络)连接到光伏微电网控制管理中心,结构框图如图1所示。

其中BMG(Branch of Micro Grid)为微电子网,与MGC(Micro Grid Centor)微电网管理中心采取模块式连接。而微电网管理中心计算机将会自动处理网内所有微电子网的工作数据,包括当前工作状态和累计各种历史数据。即,显示和存储各个微电子网的即时发电量和工作状态,累计各个微电子网的日、月、年发电量,以及整座建筑或整座城市的光伏应用系统的即时发电量和累计发电量,以及折算成标准的节能减排数据。

4 共网应用新技术是对光伏应用的返璞归真

100多年的电力建设历史,形成了一整套“发电—输电—配电—用电”的电力建设与使用模式,这符合采用化石能源的特点。但是将这套追求规模建设的模式再照搬到太阳能光伏产业发展中,尤其是建筑光伏应用中,将明显出现某些不和谐现象,起码不符合光伏建筑应用的“三分散”特点。

因此,对于到本世纪末将占到一次能源50%以上份额的太阳能应用来讲,非常必要找到一种最符合太阳能应用特点、最高效和最适合的技术,一并满足人类孜孜以求对能源利用的可再生和环境最友好的心愿,也许这是一种颠覆传统电力建设理论的新技术。

这种光伏微电网共网应用新技术的基本特征是:①光伏电力即发即用优先使用;②市电作为基础用电保证向用电负载的正常供电;③系统绝对保证防止光伏电力向市政电网的逆向功率和实现市电失电的孤岛效应保护。这种共网应用新技术从根本上解决了建筑光伏应用对市政电网影响的技术瓶颈。

采用这种光伏微电网共网应用新技术与传统电力系统建设的不同点是,为适应建筑光伏应用三分散特点,系统将向小发展。这样所带来的好处是显而易见的,即带来系统建设的“三低一高”:系统损耗降低、系统技术难度降低、系统建设投资降低、系统效率提高。这为我们在遍布世界各地的各类建筑上,将无处不在的太阳能变为光伏电力来使用带来了低成本高效率的可能。随着太阳能光伏电池技术的发展(成本降低、安装方便),我们完全可以将系统做得更小,比如开发出一种采用太阳能薄膜电池的、用于住户家庭阳台上的“家庭光伏挂毯”,将会使光伏应用直接灵活方便地进入每户家庭。

光伏微电网共网应用是一种最符合光伏在建筑领域应用的新技术,是一种对太阳能光伏应用技术的返璞归真。它将打开建筑光伏应用之门,使建筑光伏应用走上快速发展的道路。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求[S]. 北京:中国标准出版社,2006.

[2]董欣,贾宁等.零碳地下停车场照明系统建设[J]. 低碳照明.2011(1):26-29.

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