第1章　緒論

1.1　光伏發(fā)電技術研究的意義

1.1.1　光伏發(fā)電的發(fā)展前景

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活所必需的重要物質基礎，也是推動社會經(jīng)濟發(fā)展和提高人們生活水平的動力。從原始社會的鉆木取火到近代的化石能源以及核能、地熱能、潮汐能、風能、太陽能等各種新能源的應用無不閃現(xiàn)著人類的智慧之光。能源的變革往往由社會生產(chǎn)發(fā)展的需求所驅動，能源生產(chǎn)和消費的革命又反過來推動社會生產(chǎn)力的飛躍。隨著全球工業(yè)化的全面發(fā)展，各個國家各個行業(yè)對能源的需求急劇擴大，能源需求的質與量已經(jīng)成為衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況的標準。

然而，隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭。瑞士銀行近期發(fā)布報告指出，世界已證實石油儲量有1.8萬億桶，按現(xiàn)有的石油消費水平，世界石油還可開采46年，半個世紀以后，地球上的石油、天然氣將開采殆盡，200年后將無煤可采。在中國，這一情況也不容樂觀，據(jù)統(tǒng)計，2014年石油消費量達5.19億噸，其中進口原油3.08億噸，對外依存度達到60％。根據(jù)專家預測，到2020年，中國石油消費量將突破7億噸，69％以上將依賴進口。我國煤炭消費量在2014年出現(xiàn)本世紀以來的首次下降，降幅約為2.8％，但消費量仍然達到35.1億噸，超過全球總消費量的50％。根據(jù)中國能源研究會等業(yè)界機構的相關研究預測，中國煤炭消費量的峰值將在2020年左右到來，天然氣的需求量將達到4000億立方米，而全世界的需求量將達到4萬億立方米。化石能源在開采、運輸和使用過程中都會對空氣和人類生存環(huán)境造成嚴重的污染，同時大規(guī)模溫室氣體的排放使得地球表面氣溫逐年升高。如果全球不控制CO2排放量，溫室效應將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。

針對以上情況，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類社會必須采取的措施。環(huán)境保護早已經(jīng)提到聯(lián)合國和各級政府的議事日程上來，并規(guī)定每年的6月5日成為世界環(huán)境保護日，“世界只有一個地球”“地球是你我共同的家”“讓地球充滿生機”等環(huán)保口號充分反映了全人類的共同心聲。

可再生能源主要有水能、太陽能、風能、地熱能、生物質能等能源形式，它們最大的特點是具有自我恢復能力。人們在使用過程中，可再生能源可以從自然界中源源不斷地得到補充，它們是取之不盡，用之不竭的能源。水能是目前應用最廣泛的可再生能源，但是它受地理條件、天氣氣候的影響很大，利用范圍有限。

根據(jù)世界各國的可再生能源發(fā)展目標和目前的實際進展情況，專家們預測，到2050年，可再生能源占總一次能源的比例約為54％，其中太陽能在一次能源中的比例約為13％～15％，到2100年，可再生能源將占86％，太陽能占67％，其中太陽能發(fā)電占64％。

經(jīng)過學者的研究與論證，人們普遍認為太陽能和風能是解決能源危機和環(huán)境污染的最有效和可行的能源類型，是新世紀最重要的能源類型。尤其是太陽能及其光伏發(fā)電的應用，它以其獨特的優(yōu)點越來越受到人們的關注：

①太陽能取之不盡、用之不竭，足以供給地球人類使用幾十億年；

②太陽能應用地域廣闊，農(nóng)村、海島及偏遠地區(qū)利用價值更高；

③太陽能清潔，開發(fā)利用過程中無污染；

④太陽能光伏電站勘察設計簡單，建設安裝周期短；

⑤太陽能光伏發(fā)電沒有運動部件，沒有噪聲，不易損壞，維護簡單。

1.1.2　國外光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

化石能源的有限性和環(huán)境保護壓力的增加，使世界上許多國家加強了對綠色能源和可再生能源技術研究的支持。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期主要是依靠各國政府在政策及資金方面的大力扶持，現(xiàn)在它已逐步商業(yè)化，進入了一個新的發(fā)展階段。許多大公司的介入，使產(chǎn)業(yè)化進程大大加快。自20世紀90年代以來，國外發(fā)達國家掀起了發(fā)展“屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)”的研發(fā)高潮，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)不單獨占地，將太陽電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適合太陽能能量密度較低的特點，而且其靈活性和經(jīng)濟性都大大優(yōu)于大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全，所以受到了各國的重視。1997年6月，美國前總統(tǒng)克林頓宣布實施“百萬個太陽能屋頂計劃”，計劃到2010年安裝100萬套太陽能屋頂。其他一些發(fā)達國家也都有類似的光伏屋頂發(fā)電項目或計劃，如荷蘭、瑞士、芬蘭、奧地利、英國、加拿大等。屬于發(fā)展中國家的印度也在1997年12月宣布到2020年將建成50萬套太陽能屋頂發(fā)電系統(tǒng)。

2006年，美國提出“太陽能先導計劃”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達到商業(yè)化競爭的水平；日本也提出了在2020年達到28GW的光伏發(fā)電總量；歐洲光伏協(xié)會提出了“setfor2020”規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競爭。

日本在光伏發(fā)電與建筑相結合的市場方面已經(jīng)做了十幾年的努力。由于國土面積狹小，日本主要采用光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，即太陽能電池組件和房屋建筑材料形成一體，如“太陽電池瓦”和“太陽電池玻璃幕墻”等，這樣太陽能電池就可以很容易地被安裝在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。2011年“311大地震”以后核電站相繼關停，政府對清潔能源高額補貼的推出使得光伏發(fā)電得到進一步的迅速發(fā)展，發(fā)電規(guī)模從1000萬千瓦猛增到6800萬千瓦。

近幾年，隨著光伏組件價格的下降和建設需求的增加，世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛。2014年，全球新增太陽能光伏發(fā)電38.7GW，累計安裝量達到177GW。2014年累計光伏裝機容量約為2008年光伏累計裝機容量的10倍，光伏年發(fā)電量占全球電力消費總量的1％。其中19個國家的光伏發(fā)電量占該國電力消費總量比例超過1％。光伏發(fā)電量占比最高的3個國家分別是，意大利占比7.9％，希臘占比7.6％，德國占比7.0％。各國光伏發(fā)電占總發(fā)電量的百分比如圖1-1所示。預計今后10年光伏組件的生產(chǎn)將以每年增長20％～30％甚至更高的遞增速度發(fā)展，預計到2050年左右，太陽能光伏發(fā)電將達到世界總發(fā)電量10％～20％，成為人類的基本能源之一。

對于光伏發(fā)電技術，當前國際上最新的研發(fā)熱點主要集中在低成本、高效率的光伏電池板與高效率、高穩(wěn)定性的逆變設備以及光伏建筑集成應用系統(tǒng)等方面。光伏電池板與逆變設備以及監(jiān)控管理系統(tǒng)間的最佳配置也是光伏系統(tǒng)研究的關鍵，它涉及多項技術。美國、德國、荷蘭、日本、澳大利亞等國家在光伏屋頂計劃的激勵下，許多企業(yè)和研究機構成功地推出了多種不同的高性能逆變器。

太陽能電池的發(fā)電效率在不斷提高。圖1-2是各種材質和類型的光伏電池板發(fā)電效率的研發(fā)進展，聚光型多結光伏電池的實驗室效率達到了44.7％（四結聚光電池），普通單晶硅光伏電池的發(fā)電效率也達到了25％。

隨著技術進步和產(chǎn)量的擴大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本也在不斷下降。過去8年，光伏組件價格下降89％，系統(tǒng)價格下降87％，光伏電價下降80％。如圖1-3所示。

光伏逆變裝置是光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個關鍵設備，國際上著名的光伏逆變器公司主要有德國的SMA，美國的Power-ONE，Emerson，德國的KACO，REFUsol，奧地利的Fronius，德國的Siemens，丹麥的Danfoss等，他們在市場份額、逆變效率、可靠性等方面仍然占據(jù)一定優(yōu)勢。

1.1.3　我國光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展

我國的太陽能資源非常豐富，據(jù)統(tǒng)計，太陽能年輻照總量大于502萬千焦/平方米，年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2/3以上，具體分布見表1-1。因此，我國具備開發(fā)利用太陽能資源的天然有利條件。

近年來，我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速。在政策方面，2009年國家相繼推出了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》、金太陽示范工程等鼓勵光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策；2010年國務院頒布的《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》明確提出要“開拓多元化的太陽能光伏光熱發(fā)電市場”；2011年國家發(fā)改委、國家能源局、國家財政部相繼出臺一系列支持、鼓勵太陽能光伏發(fā)電的政策，鼓勵屋頂光伏發(fā)電，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)。這些優(yōu)惠政策對太陽能光伏發(fā)電企業(yè)補貼力度較大，例如，家庭屋頂太陽能光伏發(fā)電站每生產(chǎn)一度電就可以獲得國家0.42元的補貼，使得普通家庭建設太陽能光伏發(fā)電站的投資在短期內(nèi)得到回收。2012年工業(yè)和信息化部制定了《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，并制定了分布式光伏并網(wǎng)便利化措施。當年底，中國首個居民用戶分布式光伏電源在青島實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，從申請安裝到并網(wǎng)發(fā)電，整個過程用了18天就全部完成。2013年7月2日，攀枝花學院2.1MW太陽能屋頂光伏發(fā)電項目建成投運，該項目是國家示范工程第一批項目，裝機容量為2.1MW，年發(fā)電量達261.01×104kW·h，每年可節(jié)約標煤886t，減少二氧化碳排放量1933.12t，減少二氧化硫排放量13.10t。這些范例表明，公共服務領域建設分布式光伏電站具有很強的節(jié)能減排效應。

我國分布式光伏發(fā)電的滲透率與歐洲日本相比還比較低，尚處于起步狀態(tài)，但發(fā)展速度非常快。截至2014年底，我國光伏發(fā)電累計裝機達到2805×104kW，當年新增裝機1060×104kW，位居世界第一，如圖1-4所示。

技術方面，經(jīng)過十多年的努力，我國光伏發(fā)電技術有了很大的發(fā)展，與發(fā)達國家相比有差距，但差距在不斷縮小。

光伏產(chǎn)業(yè)方面，2000年以后，我國光伏產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期，但整體發(fā)展水平仍然落后于國際先進水平，參與國際競爭有一定的難度。2002年，光明工程項目使市場年銷售量猛增到20MW，光伏系統(tǒng)保有量達到40MW左右。當時的光伏發(fā)電市場主要是為無電地區(qū)供電為主。2003年，在全球市場的拉動下，我國光伏電池產(chǎn)業(yè)開始了跨越式的發(fā)展進程。當年，我國太陽能電池產(chǎn)量是12MW，2004年為50MW。而到2005年，產(chǎn)量猛增到139MW，2006年達到400MW。2007年，中國太陽能電池產(chǎn)量達到1088MW，超過日本（920MW）和歐洲（1062.8MW），一躍成為世界太陽能電池的第一大生產(chǎn)國。同年，我國光伏組件產(chǎn)量也達到世界第一。2014年，多晶硅、硅片、電池片與組件產(chǎn)量分別達到13.2萬噸、38GW、33GW與35GW，均保持25％以上的增長率，占全球比重均超過40％，硅片在全球市場占有率達到73％，我國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球首位的地位進一步鞏固。

1.1.4　光伏并網(wǎng)逆變技術的發(fā)展

并網(wǎng)逆變器作為光伏電池與電網(wǎng)的接口裝置，將光伏電池的電能轉換成交流電能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中起著至關重要的作用。現(xiàn)代逆變技術為光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展提供了強有力的技術和理論支持。并網(wǎng)逆變器性能的改進對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，延長壽命、降低成本至關重要。

逆變器技術的發(fā)展始終與功率器件及其控制技術的發(fā)展緊密結合，從開始發(fā)展至今經(jīng)歷了五個階段。第一階段：20世紀50～60年代，晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件；第二階段：20世紀70年代，可關斷晶閘管GTO及雙極型晶體管BJT的問世，使得逆變技術得到發(fā)展和應用；第三階段：20世紀80年代，功率場效應管、絕緣柵型晶體管、MOS控制晶閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎；第四階段：20世紀90年代，微電子技術的發(fā)展使新近的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊控制等技術在逆變領域得到了較好的應用，極大地促進了逆變器技術的發(fā)展；第五階段：21世紀初，隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論的進步不斷改進，逆變技術正朝著高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向發(fā)展。

包括光伏并網(wǎng)逆變器在內(nèi)，我國光伏電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈也比較完善。但與發(fā)達國家相比，我國光伏產(chǎn)業(yè)在技術上還相差太遠。從20世紀80年代起開始對光伏逆變器進行研究和開發(fā)，有專門的公司研究和開發(fā)生產(chǎn)并網(wǎng)逆變器。由于終端市場啟動時間比較晚，國內(nèi)光伏逆變器廠商普遍規(guī)模較小，結構、工藝、做工、轉換效率、智能化程度、穩(wěn)定性等指標與國外一流企業(yè)有一定的差距。近年來，在國外光伏市場和國內(nèi)金太陽示范工程的帶動下，以一度占據(jù)國內(nèi)市場超過60％的龍頭企業(yè)合肥陽光電源公司為代表的一批光伏并網(wǎng)逆變器企業(yè)迅速發(fā)展起來，并已進入到歐洲市場及國外其他大功率市場。除合肥陽光外，在大功率電站型逆變器市場，主要還有北京科諾科技有限公司、特變電工股份有限公司等企業(yè)，這些企業(yè)的光伏逆變器技術和產(chǎn)量已經(jīng)呈現(xiàn)逐年上升趨勢。在中小功率組串型逆變器市場，華為公司憑借優(yōu)勢的技術資源和實力后來居上。成本高、交貨周期長成為國外廠商進入國內(nèi)市場的主要障礙，相反成本低，交貨期短是國內(nèi)企業(yè)搶占國際市場的優(yōu)勢。未來光伏市場的巨大空間將會給國內(nèi)企業(yè)帶來歷史機遇。表1-2是國內(nèi)主要的光伏并網(wǎng)逆變器企業(yè)排名情況。

1.1.5　分布式發(fā)電

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按其發(fā)電方式可分為：

①集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)所發(fā)電力直接進入電網(wǎng)，但這種方式顯然不能發(fā)揮太陽能分布廣泛、地域廣闊等特點。

②分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，即戶用型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，它可與建筑物結合形成屋頂光伏系統(tǒng)，通過設計可以降低建筑造價和光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價。在分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，白天不用的電量可以通過逆變器將這些電能出售給當?shù)氐墓秒娏W(wǎng)，夜晚需要用電時，再從電力網(wǎng)中購回。典型的戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1-5所示。

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG），又稱分散式發(fā)電或分布式供能，至今對分布式發(fā)電沒有統(tǒng)一的定義。一般是指將相對小型的發(fā)電裝置（一般50MW以下）分散布置在用戶負荷現(xiàn)場或用戶附近的發(fā)電/供能方式。現(xiàn)代分布式發(fā)電系統(tǒng)除分散與小型化的特征以外，還具有實施熱（冷）電聯(lián)供、環(huán)境友好、燃料多元化以及網(wǎng)絡化、智能化控制和信息化管理等特點。

不同的專家對分布式發(fā)電有不同的描述，但有兩點是一致的，即小型與就地布置。按此“定義”，顯然我國的“小機組”、“小火電”、“小熱電”也可以屬于分布式發(fā)電的范疇，但與現(xiàn)代分布式發(fā)電技術不在同一層面上，由于技術經(jīng)濟性能與環(huán)境性能不好，將逐漸被淘汰。由此可見，如果分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠普遍地應用到用戶家中，不但充分利用了太陽能資源分布廣泛的特點，還可以達到改善電網(wǎng)質量、加強電網(wǎng)的調峰能力、抗災害能力和延伸能力等目的。目前，對于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究一方面是太陽能電池的研究，使電池每發(fā)出一瓦電的造價降低至可以實用的階段；另一方面就是針對并網(wǎng)發(fā)電的逆變系統(tǒng)的研究，如提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，太陽能電池最大功率點的控制，系統(tǒng)對電網(wǎng)調峰作用等，最后組成分布式電站系統(tǒng)。

通過分布式發(fā)電和集中供電系統(tǒng)的配合應用有以下優(yōu)點：

①分布式發(fā)電系統(tǒng)中各電站相互獨立，用戶由于可以自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模停電事故，所以安全可靠性比較高；

②分布式發(fā)電可以彌補大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，在意外災害發(fā)生時繼續(xù)供電，已成為集中供電方式不可缺少的重要補充；

③可對區(qū)域電力的質量和性能進行實時監(jiān)控，非常適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)，發(fā)展中的中、小城市或商業(yè)區(qū)的居民供電，可大大減小環(huán)保壓力；

④分布式發(fā)電的輸配電損耗很低，甚至沒有，無需建配電站，可降低或避免附加的輸配電成本，同時土建和安裝成本低；

⑤可以滿足特殊場合的需求，如用于重要集會或慶典的（處于熱備用狀態(tài)的）移動分散式發(fā)電車；

⑥調峰性能好，操作簡單，由于參與運行的系統(tǒng)少，啟停快速，便于實現(xiàn)全自動。

太陽能光伏發(fā)電技術是基于可再生能源的分布式發(fā)電技術，它是利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉換為電能。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點。但是此種分布式發(fā)電技術的成本非常高，所以現(xiàn)階段太陽能發(fā)電技術還需要進行技術改進，以降低成本而適合于用戶的廣泛應用。

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)裝置除太陽能電池外，主要有以下幾個研究重點及方向：

①太陽能電池最大功率點跟蹤問題，理論方法，控制實現(xiàn)；

②DC/DC裝置的研究，電路拓撲，控制方案；

③DC/AC逆變裝置的研究，它包括逆變器電路拓撲的選擇，相關的控制方式，控制方法的研究，是整個系統(tǒng)研究的核心；

④孤島效應的檢測方法和防治策略；

⑤雙向電能測量裝置的研制。