大容量并网光伏电站技术综述(带附录)
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! ") 岛( 等 $ 光伏发电作为小时间 尺 度 & 无旋转惯量的
光伏阵列的输出电压如果低于逆变器工作电压的阈 值" 则可能导致逆变器停止工作 $
压逆变器 组 合
( ) +
在其并网规模达到一定程度后 " 必然会对 电源方式 "
) ! ! 电网的安全运行提出挑战 ( $
图 9 光伏电池的温度特性 " # % 9: ; + ' * , + -) 5 ' + ' ) * + # ( * # ) (. /4 5 . * . 6 . 0 * ' # )) 0 0 ( $ 4
综述 赵争鸣 " 等 大容量并网光伏电站技术综述
见附录 D 图 D 统 !$ 据 国 际 电 工 技 术 委 员 会 ! E . F# 计" 欧洲已发 生 ! % " " ' 年上半年 " "余起光伏电站起 德国 G 火事故 $% " " ' 年 + 月" 6 C 4 H I 3 J I屋 顶 光 伏 电 站阵 列 起 火 现 场 见 附 录 D 图 D 造成事故的主要 %" 电弧 & 开关频繁启动等 $ 更 原因就是热斑效应积累 & 由于光伏阵列高压带电 " 灭火困难 $ 严重的是 " 因此 " 需对光伏电池的反向特性进行建模分析 " 并在此基础上提出保护措施 $ 国外已有学者进行了 建模分析 " 其 中" G K H L 1 M模型是应用最为广泛的模
!) $* 国家 能 源 发 展 规 划 + 规 定, 大规模的太 展特征 (
大型光伏阵 干大型并网光伏电 站 的 运 行 经 验 表 明 , 列的固有温度特性和组合特性可能会导致电站出力 减小 . 除了随机波动性较大之外 " 谐波 & 不对称 & 闪变
) ) 等电 能 质 量 问 题 也 影 响 着 光 伏 并 网 ( . 电网的非理
! *) 起谐振从 而 造 成 某 些 次 谐 波 放 大 ( $大型并网光
! 引言
近 年 来 "全 球 光 伏 产 业 发 展 迅 速 "根 据 0 1 2 3 4 5 6 7 7的最 新 市 场 数 据 " % " " '年全球光伏发电 系统装 机 总 容 量 约 为 +8 " * 9: 在 金 融 危 机 形 势 下 仍较 % " " #年 增 长 了 % "; $ 自 ! ' ' )年德国建成第 大型并网光伏发电 ! 座兆瓦级并 网 光 伏 电 站 以 来 " 成为重要的发展趋势 " 年全 球并网光伏发电系 % " " ' 统份额超过 ' "; $ 中国的并网光伏发电呈现出 % 分散开发 & 低压就 地接入 ' 与% 大规模集中开发 & 中高压接入 ' 并举的发
( ) (
寻全局最大功率点的 /< < = 方法 $ #8 # 光伏阵列的温升效应 光伏 电 池 的 输 出 特 性 与 运 行 温 度 密 切 相 关 " 如 图 ) 所示 $ 随着温度升高 " 短路电流略为增加 " 开路 最大功率点电压降低 " 最大输出功率 电压大幅降低 "
*) 大面积光伏阵列的输出特性将更为复 杂 ( $ 也降低 "
收稿日期 % " ! " & " ' & % (修回日期 % " ! ! & " ) & " $ 国家自然科学基金重点项目 台达环 境 与 教 育 基 * " + ) + " " % 金会电力电子科教发展计划重大项目 , ./ % " " ' " %
相对 于 小 容 量 的 并 网 光 伏 发 电 系 统 " 大容量并 网光伏电站具有以下运行特性 ,
阳能光伏电站 作 为 % " ! "-% " % "年重点发展的领域 年深 圳 园 博 园 建 成 了国内第!座兆瓦 之一 $% " " $ 级并网太阳能光伏 电 站 " 此后若干兆瓦级并网光伏 电站相继在甘肃 & 宁夏 & 上海等地建成或开工 $ 但目 前的大型并网光伏 电 站 仍 以 示 范 工 程 为 主 " 旨在为 光伏商业化并网发电积累运行经验 $ 建设大型并网光伏电站是大规模集中利用太阳 能的有效方式 $ 相 对 于 离 网 光 伏 发 电 系 统 " 大型并 网光伏电站可以省 去 蓄 电 池 用 作 储 能 的 环 节 " 采用 最大功率点跟踪 ! 技术提高系 统效 率 $ 相对 /< < =# 大型并网光伏电站可更 于小型并网光伏发 电 系 统 " 加集中地利用太阳能 " 更多地使用逆变器并联 & 集中 管理与控制技术 " 可以在适当的条件下充分利用太 阳能的时间分布特性和储能技术 " 起到削峰 & 补偿电
%) 网无功功率等满足电网友好需求的作用 ( $ 随 着系
" 大容量并网光伏电站的运行机理与特性
大型并网光伏电站一般由 ! 个或多个基本单元 组成 " 如 图 ! 所 示" 每 个 单 元 的 容 量 约 为 "8 ) 如敦煌%个! !8 " /:! " /: 并 网 光 伏 电 站 各 由 $ 其中 " 大面积的 % " 个容量为* " ">: 的单元组成 # 光伏阵列组件实施光电转换后经汇流器将直流电分 配给逆变部分 " 再由 逆 变 器 及 其 滤 波 装 置 转 换 为 满 经 变 压 器 升 压 后 并 网$ 足电能质 量 要 求 的 交 流 电 " 通过逆 变 器 控 制 " 调节光伏阵列的输出电压进行 也可 /< < = 控制 $ 每个单元 的 逆 变 器 可 以 是 单 台 " 以是多台并联 $
*) # 光伏阵 列 面 积 大 " 组 件 性 能 有 所 差 异( $组 !
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件性能差异一方面源于生产厂家和电池型号不同带 来的光伏阵列固有 特 性 的 差 异 " 另一方面源于实际 日照强& 同" 从而达不到理想的光伏阵列组合特性
某大型并网光伏电站在夏季某高温天的输出功
# 大容量并网光伏电站的新问题
#8 " 组合光伏阵列的多峰值特性 大型并网光伏电站经常会由于光伏组件的差异 而使得大面积光伏阵列呈现出与单个光伏电池或者
*) 小面积光伏阵列不一样的输出特性 ( " 如图 % 所示 $
率随时间变化的曲线如图 $ 所示 $
图 < 某并网光伏电站的设计发电功率与实际发电功率 " # % <= ( # 3' 3 2' ) * , ' 04 . > +. , * , * (. /' $ $ 4 + # 2 1 ) . 3 3 ) * 24 5 . * . 6 . 0 * ' # ) ( * ' * # . 3 $
)" #) $ 目 前" 谐波问题是制约光 网电压 波 动 和 闪 变 (
伏电站并网最主要 的 问 题 之 一 " 很多大型并网光伏 电站存在谐波超标 问 题 " 在低光照运行条件下更加 突出 $ 谐波形成和 相 互 作 用 的 机 理 复 杂 " 由于大型 并网光伏电站一般采用 N 且很多光 伏电 站 F N 滤波 " 通过长距离输电线 缆 接 入 弱 电 网 " 滤波电容可能引
第) * 卷第 ! %期 % " ! !年(月% *日
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大容量并网光伏电站技术综述
赵争鸣 雷 一 贺凡波 鲁宗相 田 琦
! 电力系统国家重点实验室 "清华大学电机系 "北京市 ! # " " " # $
由图 $ 可 以 看 出 " 光伏阵列温升过高将导致电 站出力大幅降低 " 在太阳辐射最强的时段 " 系统却不 能有效发电 " 全天发电效率仅为 ) #; $ 这一现象存在于部分高温运行的并网光伏电站
图 7 大面积光伏阵列的 输出特性 " # % 7 . , * , * ) 5 ' + ' ) * + # ( * # ). / 0 ' + 1 ( ) ' 0 $ 4 $ 5 . * . 6 . 0 * ' # )' + + ' ( 4 8
*) 型( . 国内尚无针对光伏电池反向特性的研究 $
因此 " 需要研究改进的控制算法或其他措施 " 及 逆变器集群控制方案 " 避免逆变器并联时产生环流 " 提高低光照条件下的转换效率 $ #8 & 电能质量问题 光伏发电并网逆变器容易产生谐波和三相电流 同时 " 输出功率的不确定性易造成电 不平衡等问题 "
由图 % 可以 看 出 " $部分光伏阵列各自的输出 特性都是正常的单峰值 ! 但由于各部分特 " # 曲线 " 性的不一致 " 其组合输出特性为 ! 条 多 峰 值 ! " #曲 线" 且各个极值点的 大 小 随 光 伏 组 件 工 作 环 境 的 变 使得常规的 /< 化而改变 " < = 技术 无法 捕获到 全局 ( ) ! % 最大功率点 $ 目前 " 大多数大型并网光伏电站尚未考虑这一 因素的影响 " 仍采取常规的 /< < = 方法或恒 定电 压 需要设计能搜 法 $ 而针对 ! " # 曲线的多峰值 特 性 " - ! " % -
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综述 赵争鸣 " 等 大容量并网光伏电站技术综述
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!) $* 国家 能 源 发 展 规 划 + 规 定, 大规模的太 展特征 (
大型光伏阵 干大型并网光伏电 站 的 运 行 经 验 表 明 , 列的固有温度特性和组合特性可能会导致电站出力 减小 . 除了随机波动性较大之外 " 谐波 & 不对称 & 闪变
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近 年 来 "全 球 光 伏 产 业 发 展 迅 速 "根 据 0 1 2 3 4 5 6 7 7的最 新 市 场 数 据 " % " " '年全球光伏发电 系统装 机 总 容 量 约 为 +8 " * 9: 在 金 融 危 机 形 势 下 仍较 % " " #年 增 长 了 % "; $ 自 ! ' ' )年德国建成第 大型并网光伏发电 ! 座兆瓦级并 网 光 伏 电 站 以 来 " 成为重要的发展趋势 " 年全 球并网光伏发电系 % " " ' 统份额超过 ' "; $ 中国的并网光伏发电呈现出 % 分散开发 & 低压就 地接入 ' 与% 大规模集中开发 & 中高压接入 ' 并举的发
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寻全局最大功率点的 /< < = 方法 $ #8 # 光伏阵列的温升效应 光伏 电 池 的 输 出 特 性 与 运 行 温 度 密 切 相 关 " 如 图 ) 所示 $ 随着温度升高 " 短路电流略为增加 " 开路 最大功率点电压降低 " 最大输出功率 电压大幅降低 "
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相对 于 小 容 量 的 并 网 光 伏 发 电 系 统 " 大容量并 网光伏电站具有以下运行特性 ,
阳能光伏电站 作 为 % " ! "-% " % "年重点发展的领域 年深 圳 园 博 园 建 成 了国内第!座兆瓦 之一 $% " " $ 级并网太阳能光伏 电 站 " 此后若干兆瓦级并网光伏 电站相继在甘肃 & 宁夏 & 上海等地建成或开工 $ 但目 前的大型并网光伏 电 站 仍 以 示 范 工 程 为 主 " 旨在为 光伏商业化并网发电积累运行经验 $ 建设大型并网光伏电站是大规模集中利用太阳 能的有效方式 $ 相 对 于 离 网 光 伏 发 电 系 统 " 大型并 网光伏电站可以省 去 蓄 电 池 用 作 储 能 的 环 节 " 采用 最大功率点跟踪 ! 技术提高系 统效 率 $ 相对 /< < =# 大型并网光伏电站可更 于小型并网光伏发 电 系 统 " 加集中地利用太阳能 " 更多地使用逆变器并联 & 集中 管理与控制技术 " 可以在适当的条件下充分利用太 阳能的时间分布特性和储能技术 " 起到削峰 & 补偿电
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" 大容量并网光伏电站的运行机理与特性
大型并网光伏电站一般由 ! 个或多个基本单元 组成 " 如 图 ! 所 示" 每 个 单 元 的 容 量 约 为 "8 ) 如敦煌%个! !8 " /:! " /: 并 网 光 伏 电 站 各 由 $ 其中 " 大面积的 % " 个容量为* " ">: 的单元组成 # 光伏阵列组件实施光电转换后经汇流器将直流电分 配给逆变部分 " 再由 逆 变 器 及 其 滤 波 装 置 转 换 为 满 经 变 压 器 升 压 后 并 网$ 足电能质 量 要 求 的 交 流 电 " 通过逆 变 器 控 制 " 调节光伏阵列的输出电压进行 也可 /< < = 控制 $ 每个单元 的 逆 变 器 可 以 是 单 台 " 以是多台并联 $
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图 < 某并网光伏电站的设计发电功率与实际发电功率 " # % <= ( # 3' 3 2' ) * , ' 04 . > +. , * , * (. /' $ $ 4 + # 2 1 ) . 3 3 ) * 24 5 . * . 6 . 0 * ' # ) ( * ' * # . 3 $
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大容量并网光伏电站技术综述
赵争鸣 雷 一 贺凡波 鲁宗相 田 琦
! 电力系统国家重点实验室 "清华大学电机系 "北京市 ! # " " " # $
由图 $ 可 以 看 出 " 光伏阵列温升过高将导致电 站出力大幅降低 " 在太阳辐射最强的时段 " 系统却不 能有效发电 " 全天发电效率仅为 ) #; $ 这一现象存在于部分高温运行的并网光伏电站
图 7 大面积光伏阵列的 输出特性 " # % 7 . , * , * ) 5 ' + ' ) * + # ( * # ). / 0 ' + 1 ( ) ' 0 $ 4 $ 5 . * . 6 . 0 * ' # )' + + ' ( 4 8
*) 型( . 国内尚无针对光伏电池反向特性的研究 $
因此 " 需要研究改进的控制算法或其他措施 " 及 逆变器集群控制方案 " 避免逆变器并联时产生环流 " 提高低光照条件下的转换效率 $ #8 & 电能质量问题 光伏发电并网逆变器容易产生谐波和三相电流 同时 " 输出功率的不确定性易造成电 不平衡等问题 "
由图 % 可以 看 出 " $部分光伏阵列各自的输出 特性都是正常的单峰值 ! 但由于各部分特 " # 曲线 " 性的不一致 " 其组合输出特性为 ! 条 多 峰 值 ! " #曲 线" 且各个极值点的 大 小 随 光 伏 组 件 工 作 环 境 的 变 使得常规的 /< 化而改变 " < = 技术 无法 捕获到 全局 ( ) ! % 最大功率点 $ 目前 " 大多数大型并网光伏电站尚未考虑这一 因素的影响 " 仍采取常规的 /< < = 方法或恒 定电 压 需要设计能搜 法 $ 而针对 ! " # 曲线的多峰值 特 性 " - ! " % -
