太陽能發電并網系統研究綜述

楊　浩

摘要：由于太陽電池的主要原料一一硅的儲量十分豐富，隨著太陽電池研究的快進程和轉換效率的不斷提高以及其與其相關之系統技術的進展，發電成本已經現快速下降趨勢。可以預料，太陽能光伏發電在人類社會的未來發展中必將占據越來越重要的地位。

關鍵詞：太陽能；光伏并網；發電

1光伏發電并網系統的現狀和研究意義

光伏發電有離網和并網兩種工作方式。過去，由于太陽電池的生產成本居高不下，光伏發電多數被用于偏遠的無電地區，而且以戶用及村莊用的中小系統居多，都屬于離網型用戶。但是近年來，光伏產業及其市場發生了極大的變化，開始由邊遠農村地區逐步向城市并網發電、光伏建筑集成的方向快速邁進，太陽能己經全球性地由“補充能源”的角色被認可將是下一代“替代能源”。

光伏并網逆變技術經過近幾年的研究和發展，在技術上己近成熟，在電力電子技術先進的德國、日本、美國和加拿大等發達國家己有成熟的、技術先進的、性能優秀的產品問世，從小功率幾十瓦到上百瓦、上千瓦的高頻光伏并網模塊，到高壓大功率的光伏并網逆變電源，品種繁多，不僅如此，其功能也很完善，多機并聯、獨立后備與并網發電兩用、多機組合群控、最大功率自動跟蹤、孤島效應防止、遠程調度管理等。

我國在光伏并網逆變技術方面的研究經過“九五”和“十五”的國家科技攻關，在基本理論和實用技術方面己經取得可喜成績，在并網逆變的關鍵技術方面已有所突破，并具有自主知識產權，國內己有部分企業能夠生產并網逆變樣機產品，但在并網逆變技術的細節方面，與國外先進技術相比還有較大差距。例如，并網逆變系統的電磁噪聲和電磁兼容性問題，國內相關研究并不多，但這一問題在并網逆變系統中卻相當重要，要良好地予以解決在技術上也相當困難。在并網逆變發電系統的最大功率跟蹤方面，雖然國內研究報道較多，原理也相當簡單，但真正能夠實現性能指標優秀的光伏陣列最大功率跟蹤還未能看見實際樣機。在適應電網安全方面，對孤島效應的識別方式和并網功率控制方式還缺乏詳細的實驗研究和標準制定。此外，光伏并網逆變器主電路的研究也較單一，適應面較窄。

光伏并網發電系統不僅僅涉及到太陽電池和并網逆變技術，還涉及到系統的控制和優化問題，太陽能發電系統的總體發電效率除與太陽電池效率、逆變器效率和功率控制方式有關外，同時也與當地的緯度、氣候、日照、和太陽電池陣列的傾角、方位角有關，提高光伏系統的全年總體發電效率是一個復雜的系統工程，它涉及到現代工程數學、現代控制理論、仿真技術、建模技術等多學科領域，多學科相互交叉，國外在經過多年的大量的光伏應用研究和運行統計的基礎上，己經建立了完善的全球各地區氣象年均日照和月均日照統計數據庫，為光伏系統的優化設計和配套提供充分的依據條件，并研制成功專門的光伏系統優化設計軟件包，在風力資源統計數據的基礎上，也同時研發了風光互補發電系統優化設計軟件，為方便光伏系統的推廣應用、節省設備投資、降低成本、提高系統的運行可靠性及供電的保證度等提供理論依據和優良設計工具。

國內在光伏系統的優化設計方面，己經有部分院校做了相關研究，但由于存在大量的氣象數據統計據的獲取、電站運行的數據統計、研制經費的缺乏等原因，系統的優化設計軟件應用推廣還有待時間和實踐考驗，也還有待于進一步的完善。相信隨著光伏系統在我國的普及和推廣應用的發展，光伏系統的優化設計問題會越來越受到人們的重視。

針對以上問題，光伏并網發電系統的研究具有重要的理論和現實意義。

2光伏并網發電系統的分類

目前常用的光伏并網發電系統可以為兩類，一種為不含蓄電池環節的“不可調度式光伏并網發電系統”;另一種為含有蓄電池組的“可調度式光伏并網發電系統”。

不可調度式光伏并網發電系統中，并網逆變器將光伏陣列產生的直流電能轉化為和電網電壓同頻、同相的交流電能，當主電網斷電時，系統自動停止向電網供電。白天，當光伏系統產生的交流電能超過本地負載所需時，超過部分饋送給電網;其它時間，特別是夜間，當本地負載大于光伏系統產生的交流電能時，電網自動向負載提供補充電能。當電網故障或維修時，出于安全考慮，逆變器停止工作，而且必須使逆變器、電網和負載三者電氣斷開，光伏并網系統不再向電網和負載提供電能。

可調度式光伏并網發電系統和前者相比，最大的不同處是系統中配有儲能環節(目前通常采用蓄電池組)，蓄電池組的容量大小按具體需要配置。可調度式光伏并網發電系統在功能和性能方面較之不可調度式有若干擴展和提高。但也帶來了若干嚴重的弱點，正是這些弱點使可調度式并網系統的應用規模當前還難與不可調度式相比較，這是因為:

蓄電池組的壽命較短:目前免維護蓄電池在良好環境下的工作壽命通常估計為5年，而光伏陣列穩定工作的壽命則在25一30年左右，因此只有為數較少的場合使用可調度式光伏并網系統;蓄電池組的價格在目前仍相對昂貴;蓄電池組較為笨重，需占用較大空間，如有漏液，則會泄漏出腐蝕性液體，此外報廢的蓄電池必須進行后處理，否則將會造成“鉛污染”;不可調度式光伏并網發電系統的集成度高，其安裝和調試相對方便，可靠性也高。

3太陽能電池和三相光伏并網發電系統的工作原理

太陽能電池陣列是太陽能光伏發電系統中的重要組成部分，它的好壞直接關系到整個光伏系統的性能和質量。由于太陽能電池陣列是由若干太陽能電池組件串、并聯而成，為此，下面我們將介紹太陽能電池的工作原理。

太陽能電池工作原理的基礎，是半導體P一N結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應，簡言之，就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其它光照射半導體P一N結時，就會在P一N結的兩邊出現電壓，就叫光生電壓。這種現象就是著名的光生伏打效應。使P一N結短路時就會產生電流。

眾所周知，物體的原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電，電子帶負電，電子就像行星圍繞太陽轉動一樣，按照一定的軌道圍繞著原子核高速旋轉。當在太陽光輻射時，電子就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在它的原來地方留出一個空位，即半導體物理學中所謂的“空穴”。由于電子帶負電，空穴就表現為帶正電。當太陽光照射P-N結時，在半導體內就會產生電子一空穴對，由于P-N結勢壘區存在著較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴，或者產生在勢壘區外但擴散進勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，電子被驅向N型區，空穴被驅向P型區。離開勢壘區，結果使P型區電勢升高，N型區電勢降低，P-N結兩端形成光生伏打電動勢，這就是P-N結的光生伏打效應。由于光照產生的非平衡載流子各自向相反方向漂移，從而在內部構成自N區流向P區的光生電流，在P-N結短路情況下構成短路電流。在P-N結開路情況下，P-N結兩端建立起光生伏打電勢差，這就是開路電壓。如將P-N結與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，P-N結起了電源的作用，這就是太陽能電池發電的基本工作原理。若把幾十個、數百個太陽能電池串聯、并聯起來，組成太陽能電池組件，在太陽光照射下，便可得相當可觀功率的電能。

光伏并網的工作原理就是要把太陽能電池組件發出的直流電轉換成交流電，并并入市電電網，可供正常的交流用電電器使用。目前廣泛應用于太陽能并網發電系統中的方案原理是:首先將太陽光能轉化成電能的形式，然后將電能調節成滿足SPWM全橋逆變器需要的直流電壓，最后經SPWM全橋逆變器將太陽能回饋給交流電網。在整個系統最主要的環節(逆變器)中，采用的就是SPWM(正弦波脈寬調制)逆變技術。根據電力系統準周期并列的條件，采用SPWM全橋逆變電路的再生能源回饋電網系統并網時應同時滿足以下3個條件:①再生能源回饋電網系統中逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應在10%以內;②逆變輸出頻率接近市電頻率，一般頻差不超過0.4Hz;③逆變輸出電壓和市電電壓同相，通常此相位差不宜超過10度。

光伏并網控制目標是:控制逆變電路輸出的交流電流為穩定的高質量的正弦波，且與電網電壓同頻、同相。

參考文獻

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