分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述

摘 要：介紹了國內(nèi)對分布式光伏并網(wǎng)的一般性規(guī)范要求；分析了分布式光伏電站的分類以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；總結(jié)了現(xiàn)有分布式光伏電站存在的系統(tǒng)方式、太陽能電池板、逆變器、并網(wǎng)方式，為以后分布式光伏電站的設(shè)計提供理論支持。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器；光伏并網(wǎng)；太陽能電池板

引言

近年來，受化石能源短缺、人類生態(tài)環(huán)境壓力的影響，大力發(fā)展綠色無污染的、可再生能源已顯得尤為重要[1]。太陽能光伏發(fā)電是一種新型的可再生能源發(fā)電方式，是一種綠色發(fā)電方式，不需要煤等燃料，對環(huán)境友好，沒有轉(zhuǎn)動式組件，維護(hù)簡單，模塊化設(shè)計，決定了其規(guī)模可大可小，可根據(jù)場地的要求調(diào)整系統(tǒng)容量等突出優(yōu)點(diǎn)。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，已有許多研究著對太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-3]介紹了太陽能發(fā)電的工作原理、構(gòu)成以及分類。逆變器是太陽能發(fā)電的核心部件，文獻(xiàn)[2-6]對逆變器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及市售產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。文獻(xiàn)[7-8]介紹了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢以及在國內(nèi)的應(yīng)用，但未能提供對該分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的支撐。文獻(xiàn)[9-10]中介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方法。文獻(xiàn)[11]提出了一種家用小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。文獻(xiàn)[12-18]介紹了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。文獻(xiàn)[19]對金太陽示范工程和光電建筑項(xiàng)目總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并分析了隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國出臺的一系列補(bǔ)助政策。

我國近三年來分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅速，自從2009年開始了實(shí)施“金太陽”工程和光電建筑示范項(xiàng)目，截至到2011年年底，國家已公布的光電建筑示范項(xiàng)目規(guī)模約為30萬千瓦，“金太陽”工程已公布的規(guī)模約為117萬千瓦。國家公布的相關(guān)規(guī)劃提出，2015年分布式光伏發(fā)電要達(dá)到1000萬千瓦。同時，明確提出鼓勵在中東部地區(qū)建設(shè)與建筑結(jié)合的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，分布式光伏發(fā)電是未來的重要發(fā)展方向。在此背景下，文章先后介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類、系統(tǒng)方案、主要組件結(jié)構(gòu)以及并網(wǎng)方式。

1 系統(tǒng)分類

分布式發(fā)電系統(tǒng)主要是自產(chǎn)自用，必須接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的負(fù)荷供電。如果沒有公共電網(wǎng)支撐，分布式系統(tǒng)就無法保證用戶的可靠性和質(zhì)量。根據(jù)接入公共電網(wǎng)的電壓等級可將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為可分為小型、中型、大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)一般建在負(fù)荷側(cè)，是中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)是否配備儲能環(huán)節(jié)，可將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分為不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)和可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)

不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、控制器、并網(wǎng)逆變器、變壓器等組成，如圖1所示。在不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)公共電網(wǎng)沒有故障時，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器變?yōu)橥嗤l的交流電送入公共電網(wǎng)；當(dāng)公共電網(wǎng)發(fā)生故障或者無光照時，系統(tǒng)將自動停止向公共電網(wǎng)送電。

圖1 不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)框圖

控制器包括光伏電池 MPPT 控制器和逆變單元控制器兩部分。其中 MPPT 控制器實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出的控制，保障光伏能源充分利用。

1.2 可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)

由于光伏電源的不穩(wěn)定性，光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)的線路潮流、系統(tǒng)保護(hù)、電能質(zhì)量、運(yùn)行調(diào)度、經(jīng)濟(jì)性等帶來不良的影響。為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置，是目前從電站的角度來解決電站并網(wǎng)對系統(tǒng)沖擊的唯一可行方案?？烧{(diào)度光伏電站的典型結(jié)構(gòu)包括：光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、蓄電池儲能環(huán)節(jié)、控制器、變壓器等，如圖2所示。

圖2 可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)框圖

儲能系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)控環(huán)節(jié)，當(dāng)光照比較充足的時候，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量多于負(fù)荷的需求，此時儲能系統(tǒng)將多余的電能儲存起來；當(dāng)光照不充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不滿足負(fù)荷的需求，此時釋放儲能系統(tǒng)內(nèi)儲存的能量，平衡負(fù)荷的需求，從而起到調(diào)節(jié)供用電平衡和平滑分布式發(fā)電系統(tǒng)能量輸出的作用，可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)將成為今后的一個重要研究方向。

雖然，相對于不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)來說，可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)在電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)保護(hù)等方面的性能更優(yōu)越；但是，由于可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)增加了儲能環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)本身存在壽命低、價格貴、體積笨重等缺點(diǎn)，使得可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用不及于不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)，日前，大部分分布式光伏系統(tǒng)仍采用不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)方案

目前上網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電工程的形式主要有：光伏建筑一體化（BIPV）、地面太陽能發(fā)電場、屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)（BAPV）：（1）光伏建筑一體化是光伏發(fā)電系統(tǒng)以建筑材料的形式作為建筑的一部分，通常為建筑屋頂和光照條件較好的建筑立面。（2）面太陽能發(fā)電場是利用地面專門的場地建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要占地面積較大，一般用于大型集中式并網(wǎng)系統(tǒng)，在我國一般建設(shè)在西部地區(qū)較多。（3）屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)則是利用現(xiàn)有建筑的閑置屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，所需條件是有較大面積且朝向較好的建筑物屋頂。

目前，我國的小型光伏發(fā)電站主要采用屋頂太陽能發(fā)電（BAPV）。其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：受日照輻射條件好，不占用專門的用地面積，符合建設(shè)條件的建筑量大，可大規(guī)模推廣應(yīng)用，而且建設(shè)改造成本低，發(fā)電并網(wǎng)條件好，光伏組件安裝方式比較自由，系統(tǒng)效率高，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模裝機(jī)，適合在工商業(yè)發(fā)達(dá)且缺乏可供開發(fā)利用空地的地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3 系統(tǒng)設(shè)備

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備有太陽能電池組件、光伏方陣支架、并網(wǎng)逆變器、直流匯流箱、直流配電柜、交流配電柜等，另外還有系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。其中，最重要的兩個設(shè)備是太陽能電池組件和并網(wǎng)逆變器，這兩個設(shè)備的質(zhì)量直接影響整個分布式光伏系統(tǒng)的性能。

3.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分之一，也是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。太陽能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能電池組件由進(jìn)口（或國產(chǎn)）單晶（或多晶）硅太陽能電池片串并聯(lián)，用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封而成，周邊加裝鋁合金邊框，具有抗風(fēng)、抗冰雹能力強(qiáng)、安裝方便等特性。

3.2 并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中核心部件之一，其主要功能是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，并送入公共電網(wǎng)，其效率、可靠性會直接影響整個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。根據(jù)逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為帶隔離變壓器的逆變器（低頻工頻變壓器、高頻變壓器）和不帶變壓器的逆變器。具體比較見表1：

由于帶隔離變壓器的可靠性較高，因此國內(nèi)光伏電站并網(wǎng)逆變器多采用帶有隔離變壓器的逆變器。但是，由于去掉變壓器不僅可以降低系統(tǒng)的成本，減小系統(tǒng)體積和重量，而且還可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此無隔離變壓器光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器成為近年來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

太陽能發(fā)電并網(wǎng)方案中，為保障公共電網(wǎng)的安全，并網(wǎng)逆變器還需要考慮三相電壓、電流不平衡，欠壓，防雷接地保護(hù)，短路保護(hù)，防孤島效應(yīng)等保護(hù)措施。

4 并網(wǎng)方式

分布式光伏系統(tǒng)主要有兩種并網(wǎng)方式：就近較低電壓等級并網(wǎng)方式和集中控制，高壓單點(diǎn)并網(wǎng)方式。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)由于容量比較小，對公共電網(wǎng)的潮流影響可以忽略不計，一般選擇就近較低電壓等級并網(wǎng)方式，且優(yōu)先選擇用電負(fù)荷多于并網(wǎng)容量的線路并網(wǎng)；大中型光伏電站由于并網(wǎng)容量較大，對電網(wǎng)系統(tǒng)潮流影響較大，采用集中控制，高壓單點(diǎn)并網(wǎng)。

目前，分布式太陽能發(fā)電并網(wǎng)方案中，根據(jù)光伏電站容量和周邊電網(wǎng)的實(shí)際情況綜合選擇，小容量光伏電站采用分散發(fā)電，分散控制，低壓就地上網(wǎng)；中大容量的光伏電站，采用分散發(fā)電，光伏電池串并聯(lián)后接入逆變器（配置多臺并網(wǎng)逆變器）后集中控制，高壓并網(wǎng)，或者采用分散發(fā)電，就地升壓，集中控制，高壓單點(diǎn)并網(wǎng)，低壓就近并網(wǎng)的原則。

5 結(jié)束語

在國內(nèi)大力鼓勵發(fā)展分布式光伏發(fā)電的背景下，文章對分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了綜述性的描述，分別介紹了我國對光伏發(fā)電站并網(wǎng)的一般規(guī)范要求，分布式光伏電站的分類及結(jié)構(gòu)框圖，以及具體介紹了我國目前常用的分布式光伏電站工藝方案中系統(tǒng)方式、太陽能電池板、逆變器、并網(wǎng)方式，為以后分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1]劉建濤，張建成，馬杰，等.儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011（7）：62-66.

[2]李定安，呂全亞.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[3]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]程志沖.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控制技術(shù)[D].華北水電水利學(xué)院，2012.

[5]吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D].上海大學(xué)，2008.

[6]劉思佳.光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤及并網(wǎng)控制研究[D].天津理工大學(xué)，2012.

[7]孫李平，李瓊慧，黃碧斌.分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀及走勢[J].中國電力教育，2013（6）：90-91.

[8]孫燕.分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用[J].太陽能，2012（5）：23-26.

[9]陳剛，姬鴻，王勇.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，2011，5（2）：6-10.

[10]李少寧，徐而樹，石磊.太陽能輔助燃煤電站一體化發(fā)電技術(shù)[J].電力建設(shè)，2010，31（1）：7-10.

[11]韓學(xué)棟，王海華，李劍鋒.小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].電力建設(shè)，2014，35（1）：104-108.

[12]肖冬開，何清，詹龍鵬.深圳火車北站太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣節(jié)能，2012（10）.

[13]王春明，王金全，劉文良，等.屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[R].第十屆太陽能會議論文集.

[14]王長貴.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述下[J].太陽能，2008（3）：19-22.

[15]李凌睿，高曉靜，王維.光伏發(fā)電示范工程接入系統(tǒng)研究[J].新能源，2012（303）：53-54.

[16]侯國青，陳世華.20KW并網(wǎng)光伏系統(tǒng)[J].太陽能，2008（11）：42-43.

[17]李相林.并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)設(shè)計及性能研究[J].新能源與環(huán)境，2009（3）：59-61.

[18]胡四明，付小平.某國家級光伏發(fā)電示范并網(wǎng)項(xiàng)目方案選擇[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（9）：86-88.

[19]王長貴，吳達(dá)成，許洪華.王斯成金太陽示范工程與光電建筑項(xiàng)目[J].建設(shè)科技，2014（2）：17-21.