太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢及其對配電網(wǎng)的影響

    太陽能作為重要的可再生能源，其光伏發(fā)電技術有著巨大的發(fā)展空間和應用市場。文章詳細闡述了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后給配電網(wǎng)的影響做了詳細的分析，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展前景做了展望。

    1 太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢

    隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展和全球能源環(huán)境問題的不斷突出，尋求可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路就迫在眉睫。據(jù)估算，太陽能作為分布廣泛的可再生清潔能源，每天到達地球表面的輻射能量大約相當于2.5億桶石油。我國太陽能資源十分豐富，陸地面積每年接收的太陽輻射能量大約相當于17000噸標準煤。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時以上，西藏日輻射量最高達每平米7千瓦時，年日照時數(shù)大于2000小時。與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多。將太陽能直接轉化為電能的光伏發(fā)電技術日趨成熟，發(fā)展趨勢迅猛，并逐步突破高成本的制約瓶頸，有望在未來幾十年成為我國重要的電力能源之一。

    目前，在世界各國政府對可再生資源的大力支持下，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，2012年全球光伏新增裝機容量約為18GW，而2013年約為27GW，漲幅高達50%，全球累計安裝量超過67GW。

    1.1 太陽能電池材料的發(fā)展

    太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器、負載等幾部分組成，太陽能電池陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。太陽能電池用半導體材料制成，在半導體上照射光后，由于半導體吸收光能會激發(fā)出電子和正電荷，從而半導體中有電流流過，稱為“光伏效應”。太陽能電池技術是太陽能發(fā)電技術的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅電池、多晶硅電池和薄膜電池。單晶硅、多晶硅電池具有制造技術成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高的特點。薄膜電池具有弱光效應好，成本相對于硅類太陽能電池較低的優(yōu)點。隨著薄膜光伏電池技術不斷進步，薄膜光伏電池的市場份額將快速增長，相對而言未來薄膜電池有更大的發(fā)展空間和更好的發(fā)展前景。

    1.2 光伏建筑一體化的發(fā)展

    我國大量的建筑屋頂都是沒有充分的利用，針對太陽能比較豐富的地區(qū)應當大力興建與建筑相結合的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。在我國東部沿海發(fā)達地區(qū)，用電量大，對光伏發(fā)電市場需求較強。同時，目前我國光伏產(chǎn)業(yè)主要集中在東部省份。

    光伏產(chǎn)業(yè)對當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展也起著重要作用，在城市建設光伏建筑一體化集成光伏系統(tǒng)，對于城市的供電保障與能源節(jié)約都能起到很好的促進作用。根據(jù)國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃，至2020年，我國將累計安裝建筑光伏一體化系統(tǒng)2萬套。其中，深圳國際園林花卉博覽園就采用了光伏建筑一體化的設計方案，該項工程堪稱我國并網(wǎng)光伏行業(yè)的成功典范。該太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分布于園內(nèi)的標志性建筑的屋頂，并就近并入變壓器低壓側母線，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)運行。這種運行方式降低了系統(tǒng)的安裝和發(fā)電成本，降低了輸配電損耗，提高了發(fā)電效率。該套光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電總裝機容量達到1 MW，除了滿足自身負荷需求外，每年還可向電網(wǎng)輸送約100萬kWh。

    1.3 太陽能地面光伏發(fā)電站的發(fā)展

    我國有廣闊的荒漠資源，主要分布在太陽能資源豐富的西北地區(qū)，其年總輻射約為每平方米2000千萬時。在我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙古以及陜北等地區(qū)可以大力建設裝機容量較大的太陽能地面光伏發(fā)電站，不但能解決這些偏遠地區(qū)長期無電的窘境，還能促進我國光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。其中，徐州協(xié)鑫光伏電站就是典型的地面并網(wǎng)型光伏電站，其總裝機容量為20MW，該電站采用了多種跟蹤方式安裝光伏組件，并裝設有完善的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該項目填補了我國大型地面光伏并網(wǎng)電站建設領域的多項技術空白，為我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，優(yōu)化電源結構，促進節(jié)能減排，促進智能電網(wǎng)的不斷建設提供了科研依據(jù)和技術保障。

    1.4 其他應用

    太陽能光伏發(fā)電技術誕生之際主要應用于軍事領域，如間諜衛(wèi)星、各種航天器等，然后逐步民用化。早期民用應用主要集中在航標燈及燈塔的供電，這是太陽能應用最為成功的領域之一。隨著光伏發(fā)電技術的發(fā)展，光伏發(fā)電技術還應用于城市景觀亮化、路燈照明、公交站臺照明、廣告燈箱等，這些領域有著巨大的市場潛力，而且技術成熟、可靠，便于管理和操作。在通訊領域，由于某些基站建設的地點是電網(wǎng)無法達到的地區(qū)，使用柴油機發(fā)電維護費用又非常昂貴，因此太陽能光伏發(fā)電便成為理想的選擇。

    2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)的影響

    眾多周知，光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣的影響很大，其波動性很強，將其接入系統(tǒng)后勢必會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響。尤其是光伏發(fā)電容量將會越來越大，那么其對電網(wǎng)的影響不可忽視。

    2.1 對電能質(zhì)量的影響

    （1）對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響

    傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈輻射狀，穩(wěn)態(tài)運行情況下，電壓沿饋線的潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，在穩(wěn)態(tài)情況下，由于饋線上的傳輸功率減少以及光伏系統(tǒng)輸出的無功支持，使沿饋線的各個負荷節(jié)點的電壓有所升高。而電壓被升高多少與接入的光伏系統(tǒng)的位置和總容量的大小有關。

    （2）對系統(tǒng)電壓波動的影響

    傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的有功、無功負荷隨時間變化會引起系統(tǒng)電壓波動。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，會影響系統(tǒng)電壓的波動，使其增大或減小。

    （3）電壓閃爍

    當大型光伏發(fā)電系統(tǒng)突然啟動時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出突然變化時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和電壓控制設備相互影響時都會引起配電網(wǎng)電壓發(fā)生閃爍。

    （4）諧波污染

    光伏發(fā)電系統(tǒng)本身就是一個諧波源，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電經(jīng)過逆變器變換為交流電并入電網(wǎng)時會產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)帶來諧波污染。

    2.2 對系統(tǒng)潮流分布的影響

    光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使傳統(tǒng)的配電網(wǎng)由輻射式變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡，潮流將不再單向地由變電站母線流向各個負荷節(jié)點，而可能出線逆流，出線多種復雜的電壓分布情況。光伏發(fā)電系統(tǒng)受自然條件變化的影響較大，輸出功率的不確定性會導致并網(wǎng)后的各種負荷分布情況交替出現(xiàn)，也使系統(tǒng)潮流具有一定的隨機性和復雜性。

    2.3 對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

    由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般直接并網(wǎng)于配電網(wǎng)，因此，當其大量上網(wǎng)時，將會極大地影響配電系統(tǒng)的設計、控制和運行，影響系統(tǒng)的安全性和可靠性。這就要求傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法做出相應的改變。

    （1）由于大量光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入為系統(tǒng)提供電能，使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員更加難于準確預測負荷的增長情況，從而影響后續(xù)的配電網(wǎng)規(guī)劃的準確性。

    （2）光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然可以減少電能損耗，并且可以減少對電網(wǎng)升級的投資，但是如果光伏發(fā)電系統(tǒng)的位置和容量選擇不合適，反而會導致電能損耗的增加，致使網(wǎng)絡中一些節(jié)點電壓的下降或出現(xiàn)過電壓，同時還會改變故障電流的大小、方向和持續(xù)時間。因此，只有對光伏發(fā)電系統(tǒng)給配電網(wǎng)造成的影響做出準確的評估后才能制定合理的規(guī)劃，進而使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)的逐步發(fā)展過程中不會破壞電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

    3 結束語

    綜上所述，我國的太陽能資源豐富，分布廣泛，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的充分建設利用可以緩解我國目前日趨緊張的能源和環(huán)境問題，優(yōu)化我國的電源結構，滿足不同電力用戶的電力需求。但與此同時，我們也清楚地認識到光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入給配電網(wǎng)帶來了很多復雜多變的影響，如何安全、可靠和經(jīng)濟地利用太陽能光伏發(fā)電技術，是我們目前和未來都不能忽視的問題。隨著社會經(jīng)濟和光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展和完善，相信將來會對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)給配電網(wǎng)的影響降到最低。可以預測，未來幾年我國太陽能光伏發(fā)電將迎來躍進式發(fā)展，成為可再生能源開發(fā)的一個重要市場。<