【调研报告】光伏户用并网控制系统

光伏户用并网控制系统 一、光伏产业概述 . 1 1.1 光伏产业背景 . 1 1.2 光伏市场格局与需求 3 1.3 光伏产业链结构 5 1.4 光伏产业链各环节价格传递 7 1.5 国内光伏产业竞争力分析 9 1.6 光伏产业链末端 — 户用系统市场 9 二、国内光伏户用系统市场 . 9 2.1 国内太阳能资源状况 9 2.2 国内太阳能发电市场 10 2.3 国内光伏户用系统市场 11 2.4 国内光伏发电重大项目 12 2.5 国内市场上太阳能系统应用公司 13 三、光伏户用并网系统 . 14 3.1 光伏户用并网混合系统模型 . 14 3.2 户用独立光伏 (离网 )系统控制模块 . 错 误！未定义书签。 3.3 太阳能聚集跟踪与聚焦系统控制模块 . 错 误！未定义书签。 3.4 逆变并网系统控制模块 . 错 误！未定义书签。 一、光伏产业概述 1.1 光伏产业背景 传统的化石能源资源日益枯竭， 严重的环境污染制约了世界经济的可持续发 展。 能源的需求有增无减， 能源资源已成为重要的战略物资， 化石能源储量的有 限性是发展可再生能源的主要因素之一。 根据世界能源权威机构的分析， 按照目 前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可采年限仅有 41 年， 其年占世界能源总消耗量的 40.5%， 国内剩余可开采年限为 15 年； 天然 气剩余可采年限 61.9 年，其年占世界能源总消耗量的 24.1%，国内剩余可开采 年限 30 年；煤炭剩余可采年限 230 年，其年占世界能源总消耗量的 25.2%，国 内剩余可开采年限 81 年；铀剩余可采年限 71 年，其年占世界能源总消耗量的 7.6%，国内剩余可开采年限为 50 年。 图 1 世界常规能源储备状况 (资料来源：中国光伏产业发展研究 ) 太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生能源， 因此， 世界各国都把 太阳能光伏发电的商业化开发和利用作为重要的发展方向， 制定了相应的导向政 策。在光伏发电的历史上，最早规模化推广的是日本，而后是德国，再发展到现 在大力推广的包括美国、西班牙、意大利、挪威、澳大利亚、韩国、印度等超过 40 个国家与地区， 如日本 “ 新阳光计划 ” 、 欧盟 “ 可再生能源白皮书 ” ， 以及美国国 家光伏发展计划、 百万太阳能屋顶计划、 光伏先锋计划等的相继推出， 成为近年 来推动太阳能光伏发电产业的主要动力。根据欧盟的预测：到 2030 年太阳能发 电将占总能耗 10%以上，到 2050 年太阳能发电将占总能耗 20%。 表 1 近期内国外主要政策法规以及调整状况 (资料来源： PV 新闻 ) 对于国内来说，主要的政策法规为 2006 年 1 月 1 日起开始实施的《中国可 再生能源法》 。在国家“十一五”规划中，制定了一些产业支持政策与市场推进 计划，主要包括： 1、城市屋顶计划：在长三角以及珠三角经济发达地区以及阳光充足地区开 始启动，如上海、江苏、云南、北京、浙江等。 2、大规模的沙漠发电计划。规划期间将建设 3-5 个 5-10MWp 沙漠光伏上网 发电电站，为大规模推广在技术上做一定储备。 3、送电到乡工程。预计总安装量为 100MWp，并不排除地方政府发展光伏 积极性的增加，从而导致实际安装量可能超过中央政府规划的情况出现。 4、在科研上加大投入。 我国目前已有的光伏市场基本以西部地区为主， 重点在于解决边远地区居民 用电问题， 主要是通过国际援助以及政府拨款补贴的方式来开展。 随着城市阳光 屋顶的规划以及各示范工作的开展实施， 整个市场分布状况以及重心会产生一定 的变化， 示范工程、 绿色场馆建设、 城市太阳能屋顶计划将成为主要的发展方向。 相关的投资分析认为： 光伏产业势如旭日东升。 按照现有的产能以及扩产计 划， 原材料的供应至 2008 年仍将维持供不应求的局面， 至 2010年基本上达到供 需平衡。整个产业具有较好成长性以及发展前景。 1.2 光伏市场格局与需求 预计 2010 年太阳能产量将达到 6 千 MW ，是目前产量的 5 倍。按照西方发 达国家规划， 2030 年全球光伏发电装机容量将达到 300GW(百万千瓦 )，至 2040 年光伏发电将达到全球发电总量的 15-20%。未来数十年，全球光伏产业的复合 增长率将会高达 30%。 表 2 最新全球产量以及收入预计 (资料来源： Photon International ) 目前光伏发电系统主要安装应用在发达国家与地区， 光伏发电市场主要在欧 盟、日本以及美国 , 其中日本光伏发电系统总保有量居世界首位。 2005年世界光 伏市场安装总量为 1460 MW，德国年度总安装量首次超过日本，为 837MW ，较 2004年增长 53%，占有 57%市场份额；日本较 2004年增长 14%，年度安装总量为 292MW 。 图 3 2005 年光伏发电系统按地区分布状况 (资料来源： Solarbuzz LLC) 图 5 2004-2010年世界太阳能电池增长状况与趋势 (资料来源： EPIA) 市场多元化需求局面已经出现， 单一德国市场风险已经被分散。 欧洲市场中， 除德国继续维持高速的增长势态外，西班牙、意大利、葡萄牙、挪威的市场已经 兴起； 在亚洲， 除日本外， 韩国的安装量今年也将达到两位数以上； 在北美地区， 美国加利福尼亚洲 8 月 21 日已近通过“百万太阳能屋顶计划”立法，该计划总 耗资 33.5 亿美元，历时 11 年，将完成 3000MWp 的太阳能系统建设，前三季度 美国市场已经安装 86.7MWp ，预计全年安装容量超过 120-130MWp，增长幅度 为 20-30%。按照美国政府的计划，至 2015 年将完成 5-10GWp 光伏建设，满足 200 万家庭用户用电。 国内市场潜力巨大。截止 2003 年，我国边远地区、山区大概有 2.9 万个无 电村庄，接近 710 万无电用户，按照每户 200Wp 安装量来计算，近期市场潜力 高达 1420MWp ，综合考虑到以后用电水平的提高，最终市场容量将超过 3000MWp，是短期内市场需求的主要来源之一。各类大型绿色照明示范工程、 2008 北京奥林匹克运动会场馆建设、 2010 上海世界博览会场馆建设也是近期国 内需求的主要来源之一。 另外， “上海市 10 万个太阳能屋顶计划” 可行性调研已 经完成初稿，根据该计划，未来几年内上海 10 万个屋顶有望安装太阳能发电系 统，总投资 105 亿元，装机总容量接近 30 万 KWp 。 按照国家规划，至 2010 年安装总容量将达到 500MWp，年增长 38%；按照 发改委能源研究所的预测，至 2020 年的增长率超过 50%。按照目前太阳能电池 组件 3.65 美元 /Wp 的造价来简单推算，国内在太阳能光伏发电组件上的投资总 额将会高达 131-175 亿元。 表 3、至 2010年国内增长状况（年增长率为 51%） (资料来源：国家发改委能源研究所 ) 图 3 2010-2020年国内光伏系统安装预计 (GWp) (资料来源：国家发改委能源研究所 ) 1.3 光伏产业链结构 光伏产业链主要有五个环节：多晶体硅原材料制造、硅锭 /硅片生产、太阳 电池制造、组件封装、光伏系统应用。 图 光伏产业链主要环节 (数据来源：新材料在线 ) 其中， 进入壁垒最高的环节为太阳能级晶体硅的生产， 由于其技术与工艺上 的难度， 目前基本上被国际上 7 大厂家垄断。 另外， 硅片切割环节由于切割厚度 以及破片率等方面的要求较高， 进入也存在一定的壁垒， 这两个环节处于产业链 上游。 相对来说， 产业链下游环节电池片制造、 组件以及系统的封装部分进入的 壁垒要低，但电池片转换效率的高低决定了处于该环节中企业的盈利能力。 表 世界光伏产业主要制造商和企业分布表 (数据来源：新材料在线 ) 表 7 国内企业产业链中所处位置 (资料来源：招商证券 ) 从目前世界光伏产业主要制造商和企业分布数量情况来看， 整个光伏产业制 造链呈金字塔结构分布的特征，产业进入壁垒最高的材料企业处于产业链上端， 企业数量少，应用企业处于产业链下端，企业数量多，产业进入壁垒最低。特别 是对于国内产业界来说，应用企业之众多，尚无知名企业上榜。 1.4 光伏产业链各环节价格传递 由于原材料短缺， 而相应的晶体硅太阳能电池市场需求急剧增加， 加上上游 企业进入壁垒较高， 基本处于垄断地位， 所以有较强的定价能力直接提升原材料 的价格。 而硅片环节由于工艺上的原因， 也有较高的进入壁垒， 完全有能力将原 材料价格上涨的不利因素向下游电池片、 电池组件与系统环节转移。 电池片组件 的零售价格涨幅不大， 下游企业近期受到的原材料上涨带来的负面影响最大， 但 是技术的进步主要是硅片切割厚度以及电池转换效率的提高， 将这些负面影响程 度降到一个比较低的水平。 图 8 目前光伏系统成本构成 (元 /Wp) (资料来源：招商证券 ) 预计 20007 年， 硅原料生产环节的毛利率会达到近年的高点， 而其他环节的 毛利率都有不同程度的降低， 特别是电池片以及组件环节的毛利率会有比较大的 降低，这种情况将持续至 2008 年。但 2008 年以后由于竞争加剧，而在转换效 率领先的公司电池片生产毛利率将会维持在较高的水平。 图 预计 2011 年光伏系统成本构成 (元 /Wp) (资料来源：招商证券 ) 图 18 预计太阳能晶体硅电池产业链毛利率分布状况 (资料来源：招商证券 ) 从预期来讲， 产业链上游的原料远期利润将下降， 而下游的系统利润变化将 相对平稳。 1.5 国内光伏产业竞争力分析 从光伏产业链主要五个环节来看： 多晶硅制造：国内企业技术落后、规模小、能耗高，国外企业处于垄断 地位； 晶体硅锭制造方面，原材料主要依赖进口； 太阳电池生产：技术接近国际水平，在国际市场需求旺盛的刺激下，发 展迅速； 组件封装：发展迅速，组件封装是资金和技术门槛低、低廉劳动力比较 密集的环节，因此我国太阳电池封装发展最为迅速； 光伏系统相关部件制造方面，主要在分散电源，目前我国光伏系统主要 是独立式的分散电源，相关部件主要有蓄电池、控制器、逆变器、直流 灯具等，光伏并网发电系统尚处于试验示范阶段。 总体来说，在国际市场 (特别是德国 )需求旺盛的刺激下，近几年来国内光伏 企业产能急剧扩张，而且还在继续扩张，导致企业竞争加剧。随之而来、更为严 峻的考验还有市场， 严重依赖单一的国际市场是致命的， 庞大的国内应用市场启 动将是希望所在。在产业进入规模、成本、质量、技术竞争时期，进入产业链上 游的原材料企业以规模投入为重点，以大投入、降成本、上规模为目标；进入产 业链下游的应用系统企业则以技术创新为宗旨， 充分发挥国内研发技术能力、 贴 近国内庞大市场的竞争优势， 则不失为国内中小型科技企业进入太阳能产业之上 策。 1.6 光伏产业链末端 — 户用系统市场 二、国内光伏户用系统市场 2.1 国内太阳能资源状况 我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达 960 万平方公里。南 从北纬 4o 的曾母暗沙， 北到北纬 52.5o 的漠河， 西自东经 73o 的帕米耳高原， 东 至东经 135o 的黑龙江与乌苏里江汇流处， 距离都在 5000 公里以上。 在我国广阔 富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为 928－ 2333KWh/ m2，中值为 1626kWh/ m2。宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西 部和西藏西部等地，太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量 6680-8400 MJ/m2，相当于日辐射量 5.1-6.4KWh/m2。尤以西藏西部最为丰富，最高达 2333 KWh/ m 2 (日辐射量 6.4KWh/ m2)，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。 从全国来看， 我国是太阳能资源相当丰富的国家， 绝大多数地区年平均日辐 射量在 4 kWh/m2天 以上， 西藏最高达 7 kWh/m2天。 与同纬度的其它国家相比， 和美国类似，比欧洲、日本优越得多。占全国总面积的 2/3 以上的地区，年太阳 辐射总量高于 5000 MJ/m2， 年日照时数大于 2000h， 具有利用太阳能的良好条件， 特别是这类地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大 西北地区， 经济发展较为落后。 可充分利用当地丰富的太阳能资源， 采用太阳光 发电技术，发展经济，提高人民生活水平。 2.2 国内太阳能发电市场 经过十多年的应用推广，我国太阳能发电应用市场主要在几个方面： 通信和工业应用 (大约占到 36%)： 微波中继站； 光缆通信系统； 无线寻呼台站； 卫星通信和卫星电视接收系统； 农村程控电话系统； 部队通信系统；铁路和公路信号系统； 灯塔和航标灯电源； 气象、地震台站； 水文观测系统； 水闸阴极保护和石油管道阴极保护。 农村和边远地区应用 (大约占 51%)： 独立光伏电站 (村庄供电系统 )； 小型风光互补发电系统； 太阳能户用系统； 太阳能照明灯； 太阳能水泵 ； 农村社团。 光伏并网发电系统 (4%)： 当前处于试验示范阶段，全国总装机容量大约仅有约 2MWp。 太阳能商品及其它 (大约占到 9%)： 太阳帽； 太阳能充电器； 太阳能手表、计算器； 太阳能路灯； 太阳能钟； 太阳能庭院； 汽车换气扇； 太阳能电动汽车； 太阳能游艇； 太阳能玩具。 而“中国绿色照明工程”启动以来，在城市照明、景观亮化、交通、公路、 园林、 街巷、 小区等范围内采用太阳能照明系统， 正在形成一种急速成长的市场， 特别是随着照明技术的提高， 有望太阳能路灯系统的实用化发展， 将为一种不可 限量的发展前景。 表 7 至 2003年底中国光伏发电市场划分情况 市场分类 太阳能电池累计用量 (MWp) 市场份额 (%) 农村电气化 ( 含户用电源 ) 28 ( 其中户用电源 7.8MWp) 51 通信和工业应用 20 36 太阳能商品 5 9 并网发电 2 4 合计 55 100 (数据来源： REDP 项目监测报告 ) 2.3 国内光伏户用系统市场 中国农村户用光伏市场主要集中在中国西部的西藏、新疆、青海、甘肃、内 蒙古、宁夏、四川、云南等省区。这些地区地广人稀，常规电网难于遍布，中国 的 700 万无电户多数分布于此。预计西部户用系统市场将以每年 10% － 20%的 速度增长。 表 10 2000 年中国无电村和无电户统计 省／自治区 无电县 无电乡 无电村 无电乡、村 总数 无电户总数量行政村 自然村 西藏 6 486 5,254 - 5,740 289,300 贵州 - - 3,000 377 3,377 1,294,000 甘肃 - 9 871 2,384 3,264 360,173 内蒙古 - - 960 2,100 3,060 249,590 福建 - - 960 1,400 2,360 249,590 青海 1 94 773 1,254 2,121 101,000 四川 - 126 1,459 40 1,625 648,300 新疆 - 28 216 1,095 1,339 316,200 宁夏 - - - 1,306 1,306 64,000 湖北 - - 75 975 1,050 121,500 河南 - - 700 - 700 577,000 广西 - - 666 34 700 388,600 云南 - 4 528 - 532 1,003,800 湖南 - - - 518 518 279,500 河北 - - 357 43 400 13,800 陕西 - 11 344 - 355 289,100 山西 - - 259 - 259 112,000 海南 - - 253 - 253 160,300 重庆 - 3 163 - 166 191,900 安徽 - - 17 33 50 80,500 江西 - - 17 33 50 287,000 黑龙江 - - 13 - 13 9,100 辽宁 - - 4 - 4 4,800 广东 - - - - - 50,800 合计 7 761 16,889 11,592 29,242 7,141,853 户用光伏系统以 20 瓦以下规格为主流，占据总数的约 3/4。其中，内蒙古 以较大功率 (150Wp 光伏 )的风光互补系统为主，其它地区则更倾向于 10-20Wp 左右、便于携带的小型系统。 表 8 各规格产品所占市场份额及价格 (2003 年 ) 规格 市场比例 价格区间 ( 元 ) 10Wp机型 47-50% 520-550 15Wp机型 25-28% 710-870 18Wp机型 950-1000 20Wp机型 1000-1100 25Wp机型 5-8 ％ 950-1300 38Wp机型 4-6 ％ 1900-2200 40Wp机型 1-2% 2300-2600 50Wp机型 3100-3400 150Wp机型 1% 7800-8000 500Wp机型 1% ---- 2.4 国内光伏发电重大项目 表 9 国内主要光伏项目的情况 项目名称 出资方 支持 力度 主要内容 执行期 执行地域 “ 光 明 工 程”先导项 目 国 家 发 改委， 地 方政府 4000 万人 民币 建立村落电站和户用系 统，帮助建立销售网络和 加强机构能力建设 2000－ 西藏，内蒙古，甘肃 “ 送 电 到 乡”工程 原 国 家 计委， 地 方政府 26 亿 人民 币 建立集中电站 2002－ 2003 新疆，西藏，甘肃，陕西，内蒙 古，四川，青海 内 蒙 古 新 能 源 通 电 计划 内 蒙 古 自 治 区 政府 2.25 亿人 民币 补贴农村户用系统 2001－ 内蒙古 世行、全球 环 境 基 金 REDP项目 全 球 环 境基金 2550 万美 元 补贴农村户用系统销售， 帮助机构能力建设和技术 进步 2002－ 2007 新疆，西藏，甘肃，内蒙古，四 川，青海 丝 绸 之 路 照明计划 荷 兰 政 府 1379 万欧 元 补贴农村户用系统 2002－ 2006 新疆 德援 KFW项 目 * 德 国 政 府 2600 万欧 元 建立村落电站 2003－ 2005 新疆，云南，青海，甘肃 德援 GTZ项 目 ** 德 国 政 府 约 460 万欧 元 技术支持及培训 2003－ 青海，云南，西藏，甘肃 加 拿 大 太 阳能项目 加 拿 大 政府 343 万加 元 建立示范电站及管理培训 2003－ 2005 内蒙古 日 本 援 助 NEDO项目 日 本 政 府 3853 万人 民币 建立示范电站；实验室建 设 1998－ 2002 新疆，西藏，甘肃，陕西，宁夏， 内蒙古，四川，青海，云南，广 东，浙江，河北 2.5 国内市场上太阳能系统应用公司 2000 年以来国家研究机构、大专院校、自由研发机构相继掀起了开发和研 究的高潮。 据国家权威机构统计， 到目前为止专业从事太阳能光伏发电技术研发、 生产、 服务的机构已有 140 多家企业。 其中 80%以上的企业以生产太阳能电池组 件为主导产品，从事太阳能光伏应用产品的开发研究的企业不足 10%。 据不完全统计，从事太阳能光伏产品应用市场的企业约有数百家： 表 目前国内市场上光伏应用企业统计 产品领域 数量 灯类产品 256 供电系统 119 移动充电器 18 水泵 28 其他太阳能产品 85 合计 506 (数据来源： Energy Focus) 以上数百家企业即构成太阳能用户 三、光伏户用并网系统 3.1 光伏户用并网系统模型 光伏户用并网系统如图 3-1 所示。该系统中，若去掉并网功能，则称为光伏 户用独立系统。 图 3-1 光伏户用并网系统框图 从控制角度看， 光伏户用并网系统含有 4 个控制模块： 太阳能电池板跟踪控 制模块、蓄电池充电控制模块、蓄电池放电控制模块以及逆变器控制模块。 3.2 太阳能电池板跟踪控制模块 太阳能电池板跟踪控制模块如图 3-2 所示。通过跟踪控制，可使太阳能电池 板根据太阳光方向自动调整朝向，提高太阳能利用率。 图 3-2 太阳能电池板跟踪控制模块框图 跟踪太阳的方法主要有两种：光电跟踪法和视日运动轨迹跟踪法。 电池板 或反光镜 驱动器传感器 跟踪控制 装置 太阳能 电池板 蓄电池 直流负载 交流负载 电网 逆变器 跟踪控制 装置 DC/DC 充电器 放电控制 3.3 蓄电池充电控制模块 蓄电池充电控制方式如图 3-3 所示。由于有电流、电压反馈，因此可实现恒 流快电和恒压浮充。 图 3-3 蓄电池充电控制模块框图 3.4 蓄电池放电控制模块 蓄电池放电控制模块如图 3-4 所示。 当取样电路检测到蓄电池电压达到预定 的过放电保护电压值或恢复供电值时， 控制电路输出信号， 开关元件动作， 切断 或接通蓄电池与用电器的通路。 开关元件可采用开关三极管或继电器。 采用继电器的优点是输出电压损耗较 小，但继电器吸合时，继电器线圈要消耗一定的能量。采用开关三极管，由于管 压降使输出电压有所损失， 同时， 如果用电器的功率较大， 则三极管上的功耗也 随之增大。 为了防止外部用电器短路等造成蓄电池大电流放电， 在放电保护电路 中通常设计过流保护， 最简单常用的方法是采用快速熔断丝。 显示电路用以显示 控制器是否处于正常工作状态，或处于各种保护状态等。 图 3-4 蓄电池放电控制模块框图 3.5 逆变器控制模块 对于光伏户用独立系统， 由于不需要考虑并网问题， 因此， 逆变器控制相对 简单， 只须将直流电逆变成工频交流电就行了。 对于对于光伏户用并网系统， 由 于要考虑与并网电压、相位的同步问题，因此，问题要复杂得多。图 3-5 是一种 并网逆变器控制方案， 整个系统具有电池直流电流、 高压直流电压、 交流电压以 及交流电流四个闭环，主控制器采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 。 四个闭环的作用如下所述。 （ 1）电池直流电流环 为光伏电池最大功率点跟踪（ MPPT）算法提供电 流数据，实时跟踪功率的最大值，最大可能的提高光伏发电系统的效率； （ 2）高压直流电压环 保证逆变电路的输入直流电压稳定； （ 3）交流电压环 当逆变电源独立运行时，实现电压闭环控制； （ 4）交流电流环 当逆变电源并网运行时，实现电流闭环控制。 图 3-5 逆变器控制模块框图