分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)淺論

摘要：分布式光伏發(fā)電作為新興能源產(chǎn)業(yè)，分為獨(dú)立和并網(wǎng)兩種方式，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、易控制、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為未來光伏發(fā)電的熱點(diǎn)。文章介紹了分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)以及對電網(wǎng)的影響、發(fā)展前景等內(nèi)容，旨在對分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：分布式；光伏發(fā)電系統(tǒng)；并網(wǎng)發(fā)電；電力生產(chǎn)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）13-0090-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.043

分布式光伏發(fā)電是一種新興的、具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，具有輸出功率較小、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。該技術(shù)采取就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則，利用光伏組件將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，既能緩解局部用電緊張狀況，又能解決長距離輸電的損耗問題，還能與大電網(wǎng)互為備用，提高供電可靠性，對于優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、防治大氣污染具有重要意義。

1 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是近年來提出的“微電網(wǎng)”的一部分，是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)。其核心問題是使系統(tǒng)充分利用太陽能資源，在安裝組件時(shí)應(yīng)確保向陽光最充足的方向安裝。其基本原理是利用太陽能電池組的光生伏打效應(yīng)，通過并網(wǎng)逆變器，將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電。太陽能轉(zhuǎn)換為電能，主要分三步：（1）太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，電子帶負(fù)電，空穴帶正電；（2）電極性相反的光生載流子被太陽能電池產(chǎn)生的靜電場分離開；（3）光生載流子和空穴分別被太陽能電池的正負(fù)極收集，在外電路中產(chǎn)生電流，形成電能。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為就近較低電壓等級并網(wǎng)和集中控制、高壓單點(diǎn)兩種并網(wǎng)方式。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的影響相對較小，一般采用就近較低電壓等級并網(wǎng)方式。大中型光伏電站通常并網(wǎng)容量大，對電網(wǎng)潮流影響較大，一般采用集中控制、高壓單點(diǎn)并網(wǎng)方式。

2 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、光伏方陣支架、并網(wǎng)逆變器、蓄電池、直流匯流箱、直流配電柜、交流配電柜、系統(tǒng)監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測裝置等構(gòu)成。其基本運(yùn)行模式是，當(dāng)太陽輻射時(shí)，太陽能電池組件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力由所接入的電網(wǎng)調(diào)節(jié)。

2.1 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)的核心部件之一，目前應(yīng)用最廣泛的太陽能電池組件是結(jié)晶硅組件，用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封而成，并加裝鋁合金邊框，具有抗風(fēng)、抗冰雹、便于安裝等特點(diǎn)。太陽能電池通常由高純硅材料制成，是一種半導(dǎo)體PN結(jié)器件。按照發(fā)電效率由高至低的順序分為非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅電池、單晶硅電池和薄膜復(fù)合晶硅電池。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲到蓄電池或推動負(fù)載工作。

2.2 光伏并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電子器件，具備自動穩(wěn)頻和穩(wěn)壓的功能，能夠確保光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。主要作用是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電（12V、24V、48V）逆變成交流電，然后送入公共電網(wǎng)。主要性能指標(biāo)是平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）、故障率、可靠度、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。光伏并網(wǎng)逆變器分為電流源電流控制、電壓源電壓控制、電流源電壓控制、電壓源電流控制四種。為確保光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具備良好的動態(tài)響應(yīng)，光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)選擇電壓源進(jìn)行輸入。如采用電壓控制方式進(jìn)行輸出，需要使用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步的目的，但鎖相回路響應(yīng)時(shí)間較長，很難對并網(wǎng)逆變器輸出電壓值進(jìn)行準(zhǔn)確控制，易造成噪聲環(huán)流現(xiàn)象，因此建議采用電流控制方式作為光伏并網(wǎng)逆變器的輸出方式。為提高并網(wǎng)電流質(zhì)量，光伏并網(wǎng)逆變器電流輸出側(cè)需使用合適的濾波器。同時(shí)為確保公共電網(wǎng)的安全，并網(wǎng)逆變器還要考慮三相電壓、電流不平穩(wěn)、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。

2.3 蓄電池

其作用是在有光照時(shí)儲存太陽能電池板的電能，供負(fù)載使用。蓄電池一般使用免維護(hù)鉛酸電池，也可使用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。主要性能指標(biāo)包括額定容量、低溫放電和充電性能、充電效率以及深放電后的恢復(fù)性能、使用壽命等。

2.4 充電控制器

蓄電池因日照影響頻繁充放電會出現(xiàn)過充電和過放電現(xiàn)象，縮短使用壽命。充電控制器能為蓄電池提供穩(wěn)定的充電電流和電壓，起到過充電（放電）保護(hù)的作用。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心組成。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測、電參數(shù)監(jiān)測等設(shè)備，主要功能是從電壓傳感器、電流傳感器、智能傳感器、溫度傳感器等被測單元中采集數(shù)據(jù)，送至上位機(jī)進(jìn)行分析處理；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要用于電站數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測裝置與數(shù)據(jù)采集裝置之間、數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)中心是指集中多個(gè)光伏電站數(shù)據(jù)的環(huán)境，將傳感器采集的信息在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和顯示。

3 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)

分布式光伏系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，存在較大差異。研究設(shè)計(jì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)鍵要充分考慮當(dāng)?shù)靥柲艿姆植碱A(yù)測和負(fù)荷水平，在可用性、隨機(jī)性方面給予正確評估。

3.2 分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)

分布式光伏系統(tǒng)具有多并網(wǎng)逆變器和多能量來源等特點(diǎn)，必須注重在并網(wǎng)運(yùn)行中的相互耦合影響以及并網(wǎng)協(xié)調(diào)的控制問題。為實(shí)現(xiàn)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)的合理動態(tài)分配，必須注重多個(gè)逆變器在獨(dú)立運(yùn)行中的協(xié)調(diào)控制問題，同時(shí)還要深入研究能夠適合于并網(wǎng)逆變器的無盲區(qū)孤島檢測問題。

3.3 鎖相環(huán)控制技術(shù)

鎖相環(huán)是控制光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)輸出的交流電與市電同頻共相的一項(xiàng)技術(shù)，它作為一種反饋控制電路，接受外部信號后，與自身系統(tǒng)信號比較，再通過其內(nèi)部的相關(guān)環(huán)節(jié)控制內(nèi)部環(huán)路信號的相位和頻率，然后發(fā)出信號。

其中鑒相器主要負(fù)責(zé)檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)化成電壓信號的形式。當(dāng)輸入信號出現(xiàn)波動時(shí)，鑒相器的輸出電壓信號將產(chǎn)生紋波。環(huán)路濾波器主要負(fù)責(zé)將這些電壓信號平均化，并去除紋波，得到較為穩(wěn)定的電壓信號。壓控振蕩器主要負(fù)責(zé)接受穩(wěn)定的電壓信號，并產(chǎn)生一定頻率的輸出信號，輸出信號傳到開關(guān)管的控制電路，控制開關(guān)管的開關(guān)，使逆變器的輸出電能與市電同頻共相。

4 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響

我國中低壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，屬于單側(cè)電源輻射性供電網(wǎng)絡(luò)，而分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，使配電系統(tǒng)從放射性結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流和短路電流大小、流向以及分布特性均會產(chǎn)生變化，對電網(wǎng)造成不良影響。

4.1 對電壓調(diào)節(jié)的影響

接入分布式光伏電源后，會造成局部配電線路的電壓波動和閃變，既定的電壓方案不能滿足配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。

4.2 對電流保護(hù)的影響

接入分布式電源后，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，主要對繼電保護(hù)、重合閘等動作產(chǎn)生影響。比如：降低本線路保護(hù)的靈敏度，甚至出現(xiàn)本線路保護(hù)的誤動和拒動；導(dǎo)致相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)誤動，失去選擇性；重合閘不能正常運(yùn)行等。

4.3 出現(xiàn)非正常孤島現(xiàn)象

孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電氣故障或其他原因中斷供電時(shí)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成無法控制的自給供電孤島。盡管當(dāng)前絕大多數(shù)光伏逆變器采用了預(yù)測孤島現(xiàn)象和切斷電路的設(shè)計(jì)，但分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在多個(gè)逆變器并聯(lián)且相互影響的情況下，仍會出現(xiàn)無法預(yù)測的孤島現(xiàn)象，進(jìn)而損壞用電設(shè)備，甚至威脅到電網(wǎng)檢修人員的安全。

4.4 對電能質(zhì)量的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器使用了大量的電力電子元件，逆變器并網(wǎng)易產(chǎn)生諧波、三相電流不平衡，造成電網(wǎng)電壓波動和閃變。

5 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展前景

近年來，為解決能源問題和環(huán)境問題，國外許多發(fā)達(dá)國家十分重視分布式光伏系統(tǒng)的研發(fā)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快。我國也加大了分布式光伏發(fā)電的支持力度，國家和地方政府相繼出臺了一系列促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策。目前分布式光伏發(fā)電已在發(fā)電站、交通監(jiān)控、景觀照明、道路照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，越來越多的居民開始使用家用太陽能電源產(chǎn)品。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是居民自建房屋、城市居民小區(qū)、產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)廠房等建筑屋頂上的規(guī)模較小的光伏發(fā)電項(xiàng)目，其顯著優(yōu)點(diǎn)是日照輻射好，不占專用地，光伏組件安裝相對自由，系統(tǒng)效率高，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2014年，分布式光伏發(fā)電建設(shè)規(guī)模占800萬千瓦，超過建設(shè)規(guī)模總額的一半。國家公布的相關(guān)規(guī)劃明確提出，鼓勵(lì)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)，鼓勵(lì)單位、社區(qū)和家庭安裝和使用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)，屋頂問題、接入問題和貸款問題也將逐步得到解決。另外，國家將在每個(gè)省建設(shè)500MW分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)，分布式光伏發(fā)電將會在國內(nèi)迎來更為廣闊的前景。

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作者簡介：吳亞瓊（1984-），女，河北石家莊人，石家莊科林電氣股份有限公司初級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

（責(zé)任編輯：王 波）