并网光伏发电系统的趋势和挑战 - 综述
摘要
本文介绍了关于并网光伏系统（GCPVS）的最新发展和趋势的文献回顾。 在分布式发电（DG）资源高度渗透的国家，GCPVS已经被证明会在电网上造成无意的压力。 介绍了解决与越来越多的GCPVS相关的技术挑战的现有和未来标准的审查。 最大功率点跟踪（MPPT），太阳能跟踪（ST）和无变压器逆变器的使用都可以导致光伏（PV）系统的高效率增益，同时确保对电网的最小干扰。 支持辅助服务（如无功功率控制，频率调节和能量存储）的逆变器对于缓解由于GCPVS的越来越多的采用而引起的挑战至关重要。
1.介绍
科学界普遍接受人类活动正在影响气候变化，大多数这种影响来自电力行业[1]引起的化石燃料燃烧。 2012年，美国温室气体排放总量的32％来自电力行业，是所有行业中最高的[2]。传统的化石燃料发电设施在过去满足了全球电能需求的大部分。然而，基于化石燃料的发电对环境和气候变化的影响对社会和环境造成严重挑战[3]。分布式发电（DG），特别是光伏（PV）系统，通过直接从阳光发电来提供缓解这些挑战的手段。
与离网光伏系统不同，并网光伏系统（GCPVS）与电网并联运行，因此不需要存储系统。由于GCPVS在产生过量电力时（即，当发电功率大于局部负载需求时）将电力供应回电网，GCPVS通过替换所连接（本地）负载所需的功率并提供额外电力来帮助抵消温室气体排放网格。因此，在峰值太阳能小时（最大太阳辐射）期间，需要较少的常规发电厂。此外，GCPVS减少了传输和分配（T＆D）损耗。虽然2010年美国的平均T＆D损失达到5.7％，但高峰时段的损失更高[4]。例如，2010年南加州爱迪生和太平洋电气公司的估计T＆D损失超过10％[5]。将DG资产靠近负荷放置可以有助于部分减轻这些损失。
在本文中，我们将注意力集中在GCPVS的越来越多的采用以及这些DG系统大规模增殖对电网的整体性能和可靠性带来的技术挑战。介绍了GCPVS的安全安装，操作和维护的标准，以及提高光伏系统效率的已知方法。我们还专注于逆变器作为有源电网参与者的作用。设计具有支持电网辅助服务能力的逆变器将在可预见的未来成为规范，特别是鉴于正在上线的小型和大型GCPVS的数量的增加。新的GCPVS的无限连接以及它们在21世纪对电网的威胁的新浪潮是电力行业的新领域。然而，像夏威夷电气公司（HECO）一样，美国的一些电力公司处在解决其中一些挑战的最前沿。最近，HECO宣布计划支持能够在电压和频率下降（或尖峰）下（或超过）瞬态和快速运行的智能逆变器[6]。根据该公司，它正在与几家逆变器制造商和国家太阳能工业专家合作，以解决电网可靠性和安全运行问题。
本文组织如下：第2节总结了光伏市场的当前状态和趋势。第3节讨论管理GCPVS的可靠和安全操作的监管标准。在第4节中，我们讨论了GCPVS引起的技术挑战。由于存在多种用于增加PV系统的输出功率的方法，即最大功率点跟踪（MPPT），太阳跟踪（ST），两者的组合[7]或通过使用无变换逆变器，第5节独立地检查每种方法。我们给出证据，这些方法的确可以帮助提高GCPVS的效率。在第6节中，我们探讨了逆变器技术的最新发展，并总结了第7节中GCPVS逆变器的变化作用。
2.电网连接光伏系统的日益普及
由于硅和光伏组件的价格下跌，大规模制造技术的进步，许多政府的激励，成熟和有利的互连协议的扩散以及电力转换器技术的持续技术改进，光伏产业预计将继续增长。例如，制造光伏组件的成本显着降低，从20世纪70年代的超过100美元每瓦[8]降至2014年的每瓦不到1.00美元 [9]。事实上，大规模批发订单可能导致价格低于每瓦0.60美元[10]。
根据太阳能工业协会（SEIA）2013年度回顾，到2013年底，平均光伏系统价格为每瓦2.59美元，光伏板的平均价格下降高达60％[11]。根据斯旺森定律，每次全球太阳能制造能力翻倍时，光伏电池的成本平均下降20％[12]，进一步降低了光伏系统的整体系统成本。 2013年，全球至少安装了38GW的太阳能光伏系统，比前一年的30GW增加了一倍，并将全球安装的光伏数量提高到了139GW [13]。换句话说，自从20世纪70年代和2012年商业化的太阳能光伏技术投产以来，仅2013年全球光伏装机量就是光伏装机容量的30％。据估计，到2018年，新光伏安装可能超过68GW，而累计的全球光伏装机容量可能会超过2013年的数字[14]。
图1显示了2004年至2014年美国太阳能光伏发电的净发电量。这表明，太阳能光伏的日益普及是一种持续增长的趋势。虽然我们的调查产生了关于光伏太阳能将与传统发电源并网的混合报告，但许多研究人员的一个共同的基本主题是，这可能会迟早发生。洛基山研究所最近发布了一份报告，表明电网平价将在2030年之前实现[16]。科学家在伊利诺伊州阿贡国家实验室认为这可能发生在2025年，而国家可再生能源实验室（NREL）公开建议，由于GCPVS的快速增长，电网平价甚至可能发生早在2017年[17]。
在图 2中，2014年美国太阳能光伏发电量几乎是上年的一倍[15]。由于与GCPVS相关的许多好处，绝大多数光伏系统连接到电网。 Barbose等人收集了1998 - 2012年美国20多万住宅，商业和公用事业项目的数据[18]。他们报告说，到2012年年底，美国所有并网系统中的72％在1998年和2012年之间安装和投入使用。在2013年发布的精选国际能源机构（IEA）成员国的调查中，安装的光伏系统，超过99％估计是并网的[19]。具有大型系统的公用事业规模的装置开始弥补在光伏市场中相当大的份额。仅在美国，公用事业部门就占了2014年第三季度新增装机总量的三分之二[20]。
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图 3代表美国市场的新太阳能光伏装机容量。根据系统容量，公用事业规模的安装在2013年第一次超过了住宅和商业设施。
GCPVS的数量的增加，特别是来自公用事业部门的数量的增加并不令人惊讶，特别是考虑到许多政府和监管机构倾向于推广旨在扩大DG资源的计划，如GCPVS [22]。在美国，环境保护局（EPA）在2014年6月提出的清洁能源计划将有助于在15年的时间内将排放量比2005年的排放量减少30％[23]。 EPA希望通过令人信服的公用事业实现这一目标，使可再生能源（如GCPVS）成为其能源生产组合的一部分。此外，通过税收激励和立法政策授权来应对气候变化的政府行动帮助提高了太阳能光伏系统在住宅，非住宅和公用事业三方面的财务可行性[24]。此类计划的另一个例子是能源部的Sunshot计划，该计划是2011年开发的，旨在通过使用科学研究和先进技术，使太阳能光伏系统在大规模上具有成本竞争力，通过使用科学研究和先进技术将光伏系统的成本降低75％补贴到2020年底[25]。
在地方和州政府层面，可再生能源投资组合标准（RPS）是监管要求，旨在通过确保为一个地区提供的发电投资组合中包含固定数量的可再生能源来提高公用事业的发电组合。在2014年初，哥伦比亚特区和2个美国领土的29个州都通过了RPS法规，规定了哪些公用事业必须符合RPS要求，以及在未来一个具体日期[26] 。
RPS政策一直是美国可再生能源市场的主要增长动力。如果完全达成，到2020年，由于这些政策，预计可增加3-5 GW /年，到2035年总共有94吉瓦的新可再生能源在线 [27]。 NREL发布了一份报告，审查了2004 - 2015年可再生能源的历史和预计需求[28]。根据这份报告，到2015年年底，遵守强制性RPS将承担大约两倍于自愿需求的新可再生能源资源，表明RPS的引入与新的可再生能源的普遍需求之间存在很强的相关性能源。
也许，美国最严格的RPS之一是加利福尼亚州，它要求投资者拥有的公用事业和电力服务提供商将合格的可再生能源（包括太阳能）到2020年采购增加总采购的33％[29]。新泽西的RPS也值得注意，到2021年需要22.5％的可再生能源发电[30]。事实上，2005年，新泽西州成为该国第一个建立太阳能可再生能源认证（SREC）的国家，在前24个月的项目中产生76兆瓦的太阳能。其他7个州和哥伦比亚特区也已经遵循[31]。
DSIRE（国家可再生能源和效率奖励数据库）[26]和Feeling the Grid [32]项目（一起在美国）编目最佳做法和国家标准，关于并网DG资源的规则和条例。后者根据其互连协议和净计量政策对44个编目国家中的每一个进行评级。这些资源有助于提高公众意识，并为公众，政策分析家和业界提供关于标准最新发展和最新变化的重要信息。
3. GridConnected光伏系统安全运行的标准和要求
DG资源数量的增加引起了若干技术挑战，因此必须制定适用的标准。这些标准旨在促进而不是阻碍并网DG资源的可靠性，安全运行和进一步扩散。在没有适当的监管标准和要求的情况下将大量光伏系统连接到电网对电网的完整性和稳定性构成了重大威胁。许多行业专业人士，组织和研究人员一直在定义和解决大规模采用GCPVS对现有电气基础设施的潜在影响，以及如何更好地准备和应对即将到来的挑战。这些组织在2013年至2015年期间举行了几次技术会议，一些组织接近完成调查结果。这些工作组的例子是IEEE 1547.8工作组，太阳能逆变器工作组（SWIG），电力研究所（EPRI），宾夕法尼亚州 - 新泽西州马里兰州互连（PJM）和加利福尼亚公共事业委员会（CPUC） 。有关GCPVS的主要标准在以下小节中进行了总结。
3.1。 IEEE 1547
IEEE标准1547（分布式资源与电力系统互连的标准）是规定DG资源与电网之间的互连的功能要求的技术指南。本标准通过确保符合地方，区域和国家法规，为这些资源的设计，施工，安装，安全运行性能和维护提供指导要求。此外，IEEE 1547规定了功率因数，频率和电压容限，故障检测和防孤岛特性，决定DG可以保持连接到公用设施的条件。这是至关重要的，因为它确保了GCPVS的所有者，公用线路工和其他客户的安全。逆变器需要检测无意的孤岛效应并从电网断开，使得没有反馈到已经被隔离用于维护的公用线路上。这种非孤岛效应特性是根据IEEE 1547在GCPVS中使用的所有逆变器的安全要求.IEEE 929-2000和IEC 61727都具有类似的安全要求，后面要求额定10KVA或更小的系统并且并行操作电网将配备非孤岛效应逆变器。
3.2。 IEEE 929
虽然IEEE 1547适用于10 MVA以下的所有分布式资源，但IEEE标准929（PV系统的实用接口的推荐做法）适用于GCPVS和与电力公用设施并行工作的10 kV以下的其他几种基于逆变器的技术。
IEEE 929要求逆变器连续监测电网。它定义当任何实用程序异常存在时GCPVS的行为。例如，当电网上存在异常电压条件时，指定异常条件的响应，例如GCPVS和公用设施之间的同步丢失，故障监视，PV系统保护，隔离机制以及周期中的最大允许跳闸时间。
表1并网分布式发电机（包括GCPVS）的标准和要求摘要[33]。
3.3. IEEE 519
光伏逆变器还必须符合IEEE标准519（电力系统中谐波控制的推荐做法和要求）。 IEEE 519概述了对于在PV系统和公用电网之间的公共耦合点处的基频以外的频率的波形的允许失真（特别是电流失真）。由于逆变器产生的电压波形的非线性特性，引入了谐波。谐波频率分量可能导致过热，并增加磁效率资产中的元件故障，导致GCPVS所有者和近端用户的电源质量问题。 IEEE 519将总谐波电压失真（系统中的谐波含量与基波的比率）限制为专用系统的10％，通用系统和特殊应用的5％，电压被限制为基波的3％连接到网格的点。
3.4. NFPA 70
NFPA 70（也称为国家电气规范（NEC））为太阳能光伏系统的安全安装提供了最低要求。这些要求可在第690条中找到，它们涵盖了与GCPVS有关的一系列广泛的问题，例如正确的光伏设备列表和识别（包括标签和标记），接地故障保护，光伏设备接合和系统接地，适当的光伏设备保护和断开装置以及允许的接线方法，电线尺寸和电路保护要求。
3.5. UL 1741
UL标准1741适用于DG应用中使用的逆变器，转换器，控制器和互连系统设备。 UL标准1741在三个方面超越了IEEE 1547。首先，它涵盖了产品安全（损伤预防和安全以及测试要求）的方面。其次，UL 1741适用于几个分布式发电资源，如PV系统（即GCPVS和独立的PV），微型涡轮机，风力发电和水力发电和燃料电池。最后，UL 1741与IEEE 1547类似，超越了指定上述DG资源和其他独立电源系统的结构，额定值和标记。 UL 1741测试是满足IEEE 929标准的要求。
3.6. IEEE 1547.8
IEEE 1547.8（用于建立方法和过程的推荐实践，为IEEE标准1547的扩展使用的实现策略提供补充支持）正在开发中，以提供将进一步扩展IEEE 1547的实现的指导。虽然IEEE 1547限于10MVA系统仅IEEE 1547.8是大于10MVA但小于20MVA的DG资源所特有的。 IEEE 1547.8一旦完成，将有助于确定新技术，最佳行业实践和机会，促进和加强DG互连，同时保持市场上可用的DG类型的资源不偏不倚。 1547.8工作组特别感兴趣的问题包括但不限于对DG资源的调节，大规模增殖和主动电压插电式混合动力车辆和其他能量存储系统的技术影响。还希望IEEE 1547.8将有助于解决IEEE 2030，交互式逆变器和GCPVS提出的可以跨越电网故障条件
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