国内外光伏并网发电技术的发展趋势

光伏并网发电系统可以分为分布式发电系统和集中式大型并网光伏电站。分布式发电是指将相对小型的发电系统分散布置在负荷现场或邻近地点实现发电供能的方式；而集中式大型并网光伏电站一般都是国家级大型电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

全球主流国家光伏并网发电市场以分布式发电占主导，国内市场目前仍以集中式大型电站占绝对主导，未来分布式光伏潜在成长空间巨大。中国能源局在“十三五”的征求意见稿里提出，到2020年末光伏装机总量要达到150GW，分布式光伏达到70GW。

图1-9所示为全球主流分布式和集中式光伏发电比例，图1-10所示为2009～2013年上半年我国分布式光伏占比情况。

图1-8 世界并网和离网光伏发电市场分布

图1-9 全球主流国家分布式和集中式光伏发电比例

分布式发电具有以下特点：

1）并网点在配电侧；

2）电流是双向的，可以从配电网取电，也可以向配电网送电；

3）大部分光伏电量直接被负载消耗，自发自用；

4）分“上网电价”并网方式（双价制）和“净电量”方式（平价制）；

图1-10 2009～2013年上半年我国分布式光伏占比情况（%）

5）大部分安装在建筑物上，安装功率受建筑物面积和并网点容量的限制，从1kW到数百kW不等。

而在输电侧并网的集中式大型并网系统大都安装在不能用做农田的开阔地或荒漠，有时也安装在大型建筑物上，其特点如下：

1）在发电侧并网，属于像风电场一样的发电站，电流是单方向的；

2）并入高压电网（10kV、35kV、110kV）；

3）不能自发自用和“净电量”计量，只能给出“上网电价”；

4）少量自用电从电网取（小于1%）；

5）一般功率很大，规模从1MW到几百MW，甚至更大；

6）维护简单，一般都是无人值守；

7）一般占用荒地；

8）自动跟踪或聚光电池一般都是用在此类电站；

9）带有气象和运行数据自动监测系统和远程数据传输系统。

国际上目前最多的光伏并网发电系统是在配电侧并网的系统，包括一家一户（residential）的光伏并网系统和安装在商业、办公和公共建筑（non-residential）上的光伏并网系统；具体就德国而言，居民屋顶分布式光伏电站占总装机量的12%，商业屋顶分布式光伏电站占53%，工业屋顶分布式光伏电站占10%，大型地面集中式电站只占25%。而2012年美国不同类型光伏并网发电市场的分布见表1-5。2012年欧洲各国新增装机容量中各类光伏电站占比情况（%）如图1-11所示，其中居民和商业电站占比相对较多。

表1-5 2012年美国不同类型光伏并网发电市场的分布

注：来自中国光伏协会。

图1-11 2012年欧洲各国新增装机容量情况（%）

在配电侧并网的分布式光伏发电系统的安装方式一般是同建筑相结合，不单独占地。与建筑结合的光伏并网发电系统还可以分为建筑集成光伏（Building Inte-grated PV，BIPV）系统和建筑附加光伏（Building Attached PV，BAPV）系统。

对于BIPV系统，采用特殊制作的太阳电池组件，如光伏瓦、光伏幕墙等建筑材料，或光伏遮阳板、光伏雨棚、光伏栏板等建筑构件等，直接替代建筑材料或建筑构件，与建筑物完美结合。对于BAPV系统，则是采用普通太阳电池组件，简单安装在建筑物屋顶或墙体上。图1-12、图1-13为典型的BIPV系统和BAPV系统的实例。

图1-12 典型的BIPV系统

图1-13 典型的BAPV系统

无论是BIPV系统还是BAPV系统，光伏与建筑结合有如图1-14所示的几种形式。

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图1-14 光伏系统与建筑结合的几种形式

这种方式也有一些功率很大的系统，如德国慕尼黑展览中心屋顶2MWp^[1]的BIPV系统和柏林火车站200kWp的系统。对于小系统，一般只用一台并网逆变器，对于大系统，一般采用多台逆变器。柏林火车站200kWp的BIPV系统分为12个太阳电池方阵，每个方阵由60块300W的太阳电池组件构成，每个方阵连接一台15kVA的逆变器，分别并网发电。慕尼黑2MWp的BIPV项目则不同，2MWp由2个1MWp的系统分一期、二期建成。每个1MWp的系统采用公共直流母线，3台300kVA的逆变器按照主从方式工作，当辐照度较小时只有一台逆变器工作，辐照度较大时3台逆变器都工作，这样就使逆变器工作在高负载状态，具有更高的转换效率。

从配电侧并网的光伏系统的电气连接方式看，德国和荷兰的光伏屋顶计划大多数是安装在居民建筑上的分散系统，功率一般为1～50kWp不等。由于光伏发电补偿电价不同于用户的用电电价，所以采用双表制，一块表记录太阳电池馈入电网的电量，另一块记录用户的用电量，如图1-15所示。

图1-15 光伏并网发电图示（双价制接线方式）

1—太阳电池组件 2—保护装置 3—线缆 4—并网逆变器 5—用电、发电计量电能表

光伏并网发电可以采用发电、用电分开计价的“双价制”接线方式，也可以采用“净电量”计价的接线方式。德国和欧洲大部分国家都采用“双价制”，电力公司收购太阳能发电的电量（如0.107～0.127欧元/kW·h），用户用电则仅支付常规的电价（如0.25欧元/kW·h），这种政策称之为“上网电价”政策。“双价制”情况下，光伏发电系统应当在用户电表之前并入电网。与德国和欧洲大部分国家采用的“双价制”不同，美国和日本采用初投资补贴，即运行时对光伏发电不再支付高电价，但是允许用光伏发电的电量抵消用户从电网获取的用电量，电力公司按照用户电表的净值收费，称之为“净电量”计量制度。采用“净电量”制时，光伏发电系统应当在用户电表之后接入电网。

对于单相和三相接线方式的“净电量”计量线路示意图如图1-16、图1-17所示。

对于在输电侧并网的大型光伏电站，其系统主要配置如图1-18所示。

大型光伏并网电站一般安装在日照资源非常好的我国西部荒漠地带，直射分量很强，适合于安装聚光光伏系统和向日跟踪系统。

根据美国凤凰城气象站提供的1961～1990年的实测太阳辐射数据，得出各种平板收集器不同运行方式下所收集到的太阳辐射量的对比。当地条件和实测辐射数据见表1-6～表1～8。

图1-16 净电表计量单相线路连接图

图1-17 净电表计量三相线路连接图

气象台站：美国亚利桑那州凤凰城WBAN No.23183；纬度：33.43°N；经度：112.02°W；海拔：339m；气压：97.4kPa。

图1-18 大型并网荒漠光伏电站系统配置

a）太阳电池 b）方阵接线箱 c）直流配电 d）逆变器 e）交流配电 f）箱式变压器 g）数据显示和通信

表1-6 固定倾角太阳能收集器的平均日输出 单位：kW·h/（m²·天）

从表1-6可以看出，如果是固定太阳电池方阵倾斜纬度角，可以得到全年最大辐射量，大约比水平面辐射量高出14%。

同水平固定安装相比，水平轴东西向跟踪的辐射量增益非常可观，其值高达40.4%，增加纬度角倾斜可以增加到51%，但是由于增加纬度角倾斜，需要增加倾角支架的投资，而且需要增加各个组件间的间距，增加了占地和支架的投入，有些得不偿失。当然对于高纬度来说，情况也许会有不同，有可能必须增加纬度角倾斜，否则可能会造成冬季辐射量严重减少。水平轴东西向跟踪应当适合于纬度在35°以下的地区。

表1-7 单轴跟踪太阳能收集器的平均日输出 单位：kW·h/（m²·天）

表1-8 双轴跟踪太阳能收集器的平均日输出 单位：kW·h/（m²·天）

从表1-8可以看出，双轴全跟踪系统与水平固定安装相比，辐射量增益达到56%，但是其跟踪装置却比水平轴东西向跟踪装置复杂得多。要根据实际情况决定是否采用双轴跟踪系统。

图1-19 不同安装和运行方式下，全年辐射量曲线对比

从以上30年（1961～1990年）的实际测试数据可以知道，美国亚利桑那州的天气晴朗，直射分量大，向日跟踪系统的增益高：固定倾角太阳能收集器可比水平安装的太阳能收集器多增加14%的辐射量输出；单轴水平跟踪可增加40.4%，单轴经纬度角收集器可增加51%的增益；而双轴准确向日跟踪系统增加56%。图1-20所示为不同向日跟踪系统的图例。

大型荒漠电站一般建设在空旷的荒野，有些还安装在荒漠地带，因此大型荒漠电站除了常规的电气设计、自动向日跟踪系统设计、电网接入系统设计外，抗风沙和防雷接地也是设计的重点。

大型荒漠光伏电站（LS-PV）或超大型荒漠光伏电站（VLS-PV）是国际能源机构光伏发电系统委员会（IEA-PVPS）的第8项任务（Task8），主要研究、追踪超大规模光伏发电的技术和信息，并开展国际间的交流和合作。VLS-PV是指10MWp以上的光伏发电系统，一般指荒漠光伏电站。IEA-PVPS任务8已经编辑出版了3本关于大型和超大型荒漠光伏电站的书，系统论述了大型荒漠光伏电站的原理、特点和未来发展趋势，如图1-21所示。

图1-20 固定倾角安装、斜单轴跟踪、水平轴跟踪和双轴跟踪系统

图1-21 大型荒漠光伏电站的可行性研究报告