太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

葉暖平

【摘要】 本文主要對光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。論文首先介紹了太陽能發(fā)電的意義以及光伏并網(wǎng)發(fā)電在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀。其次，對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的特性和基本原理分別做了具體分析，并對系統(tǒng)各組成部分的功能進(jìn)行了簡單的介紹。最后，闡述了光伏并網(wǎng)中通過逆變器進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】 能源 太陽能 光伏并網(wǎng) 逆變器

進(jìn)入21世紀(jì)，能源問題已經(jīng)成為關(guān)系到人類生存和發(fā)展的首要問題，太陽能的利用近年來已經(jīng)逐漸成為新能源領(lǐng)域中開發(fā)利用水平最高、最成熟，應(yīng)用最廣泛的能源，尤其在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用更為廣泛。離網(wǎng)與并網(wǎng)這兩種工作的方式是屬于光伏發(fā)電。以前，因?yàn)樘柲茈姵剡^高的成本費(fèi)用，單靠光伏用來發(fā)電大部分都用于比較落后的無電的地方，從行政村中以戶用的中小型個(gè)體系統(tǒng)比較多，都是離網(wǎng)型的家庭用戶。從近幾年來看，市場上的光伏電產(chǎn)業(yè)有了非常大的改變，由一些偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地方開始向一些城市地區(qū)合并起來發(fā)電、用光伏發(fā)電的建設(shè)加快向集成邁進(jìn)，而太陽能資源也成為全球性的“可再生能源”角色。

一、概括

早在80年代初期光伏合并網(wǎng)就已經(jīng)開始，有很多國家都做出了很大的貢獻(xiàn)，例如意大利、日本、德國和美國這些國家，并且由當(dāng)時(shí)的理解，并且大多都是大型光伏合并網(wǎng)型電站，規(guī)模形式也是從1MW和100KW不等，并且都是由政府部門投資的用來試驗(yàn)的電站。研究結(jié)果也是在一些技術(shù)方面取得成功，但是有一些經(jīng)濟(jì)性內(nèi)容不是十分的讓人稱贊，原因是由于一些由太陽能資源的成本費(fèi)用高，雖然屬于可再生能源，帶來環(huán)境方面的效益，但是太陽能發(fā)電的昂貴費(fèi)用難以被電力方面的公司納用。到90年代后，一些發(fā)達(dá)的國外有更好的技術(shù)，從而帶來了光伏合并網(wǎng)模式的探究高潮，然而，這一次探究的重點(diǎn)并沒有圍繞光伏合并電站的建造，轉(zhuǎn)而更加發(fā)展“屋頂?shù)墓夥娬鞠到y(tǒng)”因?yàn)?，人們想利用房頂?shù)目盏貋戆惭b太陽能，既能更好的吸收太陽，更好的利用能量中密度比較低的優(yōu)點(diǎn)，而且具有經(jīng)濟(jì)性與方便靈活性特點(diǎn)，與光伏發(fā)電相比太陽能源更有利于廣泛普及和保護(hù)能源的有效安全利用，因此應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁鱾€(gè)地方的重視。

二、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用電負(fù)載等。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成如圖1所示。

用太陽作為能源來發(fā)電這一系統(tǒng)有獨(dú)立的系統(tǒng)和用交流電與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系模式系統(tǒng)兩大類別組成。獨(dú)立的系統(tǒng)有太陽作為可再生能源發(fā)電的根本的系統(tǒng)形式。同時(shí)又被叫做太陽能資源的原型模式。這種模式較多被與市區(qū)離得較遠(yuǎn)的地方，例如坐落于海上的燈塔、漂浮著的浮標(biāo)與山頂上的無線接收電臺等，都可以作為供電的電源。

與電網(wǎng)（系統(tǒng)）聯(lián)系系統(tǒng)的構(gòu)造如圖2所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)太陽能電池陣列發(fā)出的電功率超過負(fù)荷需要時(shí)，可以通過自動控制輸向交流市電電網(wǎng)，即向電力公司賣出電力。從電力系統(tǒng)的術(shù)語來說，稱為“逆潮流”運(yùn)行或通俗地稱為“賣電”。反之，對電力公司來說正常運(yùn)行是向用戶供電，稱為“正潮流”。系統(tǒng)聯(lián)系型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)陰雨天氣或夜間太陽能發(fā)電量不足時(shí)，可以通過系統(tǒng)聯(lián)系直接向市電電網(wǎng)買電。系統(tǒng)聯(lián)系系統(tǒng)的另一重要優(yōu)點(diǎn)是可以取消蓄電池，使成本降低，且加強(qiáng)了供電的穩(wěn)定性和可靠性。

三、光伏并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀及方向

光伏并電系統(tǒng)中的逆變器是很重要的一個(gè)部件，因?yàn)槟孀兤骺梢园阎绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電，可以決定輸出兩種電流成波形以及是否提高系統(tǒng)之間的效率。在逆變器中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式全橋的結(jié)構(gòu)，所以為了減少光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的費(fèi)用，現(xiàn)在又一部分國家都在盡最大能力的探索提高逆變器的效率，就當(dāng)前在國際上有一部分知名企業(yè)的逆變器的機(jī)器效率已經(jīng)上升為93%～95%。

光伏合并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器有下列五個(gè)特點(diǎn)：

l、并網(wǎng)型系統(tǒng)的逆變器是由正弦波為輸出方式。普遍情況下可以使用脈帶協(xié)調(diào)方法或者是“偽正弦”方法，因?yàn)檫@些辦法可以使許多負(fù)載的用戶得到滿足，一定程度還可以對諧波進(jìn)行負(fù)載等特殊情況要求，一般促進(jìn)輸出的波形有好的質(zhì)量是靠變壓器或者是電感等方法，但是一定程度上會帶來動態(tài)較差和效率的低下，并且其造價(jià)較高，系統(tǒng)比較笨重等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在一些外國的合并電網(wǎng)的條形規(guī)定里指出逆變器的波形不僅要有很好的動態(tài)特點(diǎn)，其中總諧波的因數(shù)不能大于5%，并且每一次的諧波都不能大于3%。

2、并網(wǎng)型系統(tǒng)的逆變器具有降低輕載和空載損耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了機(jī)器轉(zhuǎn)化的效率。例如ADVANCED ENERGY Inc.中的MM-5000，這種產(chǎn)品的空載逆變器中的損耗是小于20W，最大逆變器的效率抵94%以上，而在剛輸出的時(shí)候效率為90%，一半的額定輸出的時(shí)候?yàn)?2 %

3、并網(wǎng)型系統(tǒng)的逆變器應(yīng)該具備較高的可靠性；

4、并網(wǎng)型系統(tǒng)的逆變器中的功率包含的因數(shù)應(yīng)與1接近；

5、并網(wǎng)型系統(tǒng)的逆變器要包括電網(wǎng)中電壓的跌落、頻率的故障、輸入超過電壓、電壓缺少、輸入與輸出過流、反接的故障、風(fēng)扇冷卻的故障和獨(dú)自在島效應(yīng)等多種保護(hù)措施。

現(xiàn)在國外的并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器成為一種相比較下來在市場里成熟的產(chǎn)品，像歐洲的光伏合并網(wǎng)中逆變器產(chǎn)業(yè)市場里有simens，SMA，Sputnik，F(xiàn)ronius和Sun Power等眾多公司中產(chǎn)品具有市場化特點(diǎn)，在其中SMA具有一半的產(chǎn)業(yè)市場的份額。

然而在我國，利用光伏開發(fā)電資源相關(guān)的起步較晚，一些研究探索技術(shù)也比較落后，一些著名大學(xué)像上海交大，燕山大學(xué)，安徽合肥工業(yè)大學(xué)針對能源探究所和中科院研究中心對官府逆變器有一些相關(guān)研究。另外還有安徽合肥陽光有限公司與北京索英電氣有限公司與山東皇明太陽能有限公司也開始進(jìn)行探索，其中前面的兩家有限公司還推出一些關(guān)于逆變器相關(guān)產(chǎn)品。

并網(wǎng)型光伏電系統(tǒng)在我國目前還沒有開始形成像一些商業(yè)化的產(chǎn)品運(yùn)行，而現(xiàn)在都是一些被稱為模范型工程的光伏發(fā)電工程正在進(jìn)行，其中逆變器的科技還大部分是靠合作與進(jìn)口取得，促使整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)成本費(fèi)用高，進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)施非常困難。

在并網(wǎng)型逆變器中也會有很多損耗，其中像在開關(guān)小器件中損耗、對電路控制的損耗、變壓器的隔離中間的損耗還有濾波器、電容和電感的損耗，然而損耗占最大的是開關(guān)器件，在開關(guān)中的損耗主要是開通與斷開損耗和在開通狀態(tài)下的損耗以及對二極管逆向的損耗恢復(fù)。

由IGBT作為例子，在初級的電流時(shí)I=52A電壓U=520V，功率P0=11kW工作時(shí)的頻率f=20kHz作為前提條件下預(yù)算得到的數(shù)據(jù)：

開通時(shí)候的損耗是：P1=12W；斷開時(shí)候的損耗是：P2=56.6W；得出使用時(shí)候的損耗是：P3=53.8W。

由此可以看出若想減少開關(guān)的損耗，要在一定程度上提高逆變器的使用效率。

當(dāng)今提升逆變器的效率可以用這幾種措施：應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)、提高逆變器相關(guān)結(jié)構(gòu)和改良操控方法。

四、統(tǒng)領(lǐng)上文

就目前來說，用太陽作為能源的地區(qū)還僅僅占初級的時(shí)段，但是若用太陽能資源發(fā)電更健康長久的發(fā)展，要提前做好以下內(nèi)容：1.繼續(xù)研究開發(fā)用太陽能來作為電池里的新材料，加快太陽能電池光纖電轉(zhuǎn)化的效率，2.探究用太陽作為資源的電池提高功率的跟蹤計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)太陽能資源的跟蹤功率；3開發(fā)光伏和太陽能資源的結(jié)合算法，有利于實(shí)現(xiàn)光伏能源和太陽能的效率高的組合；4.為了降低光伏對一些電網(wǎng)有沖擊，進(jìn)行開發(fā)太陽能和光伏的并網(wǎng)科技；5.研究并發(fā)掘建筑與太陽能源光伏電的有效結(jié)合，達(dá)到建筑進(jìn)行自我的供電與綠色能源發(fā)電；6.為了更好的可持續(xù)的利用太陽能資源產(chǎn)業(yè)，研究并制定保護(hù)這一寶貴資源的相關(guān)法律政策，對太陽能資源進(jìn)行保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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