太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

蘇夢(mèng)夢(mèng)+王進(jìn)東+任有松+盧黃城

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124）

摘要：隨著全球傳統(tǒng)能源的日漸枯竭以及環(huán)境的惡化，全新的可再生新能源成為了當(dāng)代科學(xué)家的熱門(mén)研究方向。本文介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，主要涉及了背景及意義、光伏發(fā)電主要技術(shù)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)、組成以及常見(jiàn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：新能源；太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；并網(wǎng)系統(tǒng)

1背景及意義

我國(guó)資源現(xiàn)狀是資源總量大，人均占有量小，資源利用率不高，產(chǎn)業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)不合理。目前，我國(guó)能源消耗結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油等不可再生能源依舊是我國(guó)能源消耗的最主要組成部分。

圖1 我國(guó)主要能源人均擁有量占世界平均水平的百分比

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，綠色可再生能源得到了迅猛發(fā)展。太陽(yáng)能是人類(lèi)可利用的最重要、最豐富的可再生能源。它具有儲(chǔ)量巨大，易開(kāi)采，無(wú)毒無(wú)害，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。在世界各國(guó)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電（Photovoltaic，PV）技術(shù)得到了相當(dāng)高的重視，其已成為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的主要方式之一。開(kāi)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，對(duì)緩解能源和環(huán)境問(wèn)題，改善能源消耗結(jié)構(gòu)，提高分布式發(fā)電系統(tǒng)性能，開(kāi)拓光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有重大意義。

2光伏發(fā)電主要技術(shù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)主要涉及太陽(yáng)能電池和矩陣、電源轉(zhuǎn)換（逆變器、充電器）、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、并網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域，本文主要就光伏發(fā)電涉及的主要技術(shù)進(jìn)行綜述。

（1）太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)電池技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的主要組成部份。太陽(yáng)能電池主要有以下幾種類(lèi)型：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。

（2）逆變器及控制系統(tǒng)

逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，太陽(yáng)能逆變器的作用是將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的DC 電壓轉(zhuǎn)換成為電網(wǎng)兼容的AC輸出。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的主要要求可靠、效率高、波形畸變小，功率因數(shù)高。

大型太陽(yáng)光伏并網(wǎng)電站的控制逆變技術(shù)是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的最核心技術(shù)之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)必須對(duì)電網(wǎng)和太陽(yáng)能電池的輸出情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)周?chē)h(huán)境做出準(zhǔn)確判斷，完成相應(yīng)動(dòng)作，如對(duì)電網(wǎng)的投、切控制，系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行、休眠、停止、故障等狀態(tài)檢測(cè)，以確保系統(tǒng)安全、可靠的工作。

（3）并網(wǎng)技術(shù)

國(guó)際上并網(wǎng)光伏發(fā)電有兩種應(yīng)用方式，一種是在城鎮(zhèn)的建筑屋頂或其它空地上建設(shè)，和低壓配電網(wǎng)并聯(lián)，光伏電站發(fā)出的電力直接被用戶(hù)消耗，多余部分輸送到電網(wǎng)；另一種是在荒漠建設(shè)，和高壓輸電網(wǎng)并聯(lián)，通過(guò)輸電網(wǎng)輸送，降壓后再供給用電負(fù)載。

光伏與建筑相結(jié)合的系統(tǒng)（BIPV）是一種先進(jìn)、有潛力的高科技綠色節(jié)能建筑發(fā)電系統(tǒng)。BIPV是光伏并網(wǎng)一種重要的應(yīng)用形式，主要在城鎮(zhèn)安裝光伏電站，它是我國(guó)未來(lái)光伏發(fā)電的主要發(fā)展方向之一。

（4）跟蹤式光伏發(fā)電技術(shù)

影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的因素主要有太陽(yáng)光照幅照度、太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率、光伏逆變器的工作效率等。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)是提高太陽(yáng)輻射利用率，降低成本的最佳方式。國(guó)外的研究顯示單軸跟蹤系統(tǒng)可以提高發(fā)電量 20%以上，而雙軸跟蹤系統(tǒng)則可以將發(fā)電量提高 40%之多。

（5）風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)

風(fēng)力與太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是科學(xué)利用自然現(xiàn)象的最新成果。將風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)加以綜合利用，從而構(gòu)成一種互補(bǔ)的新型能源，將是本世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

3光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)

3.1 根據(jù)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行方式分類(lèi)

目前，地面太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式，根據(jù)是否與電網(wǎng)相連可分為獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中，根據(jù)用電負(fù)載的特點(diǎn)，獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等。

3.2根據(jù)光伏系統(tǒng)的功能分類(lèi)

目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的一種，根據(jù)其系統(tǒng)功能可以分為兩類(lèi)：一種為不含儲(chǔ)能元件的“不可調(diào)度式”光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；另一種為包含儲(chǔ)能元件的“可調(diào)度式”光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

3.3根據(jù)光伏系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分類(lèi)

眾所周知，光伏系統(tǒng)追求最大的發(fā)電功率輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)電功率有著直接的影響：一方面，光伏陣列的分布方式會(huì)對(duì)發(fā)電功率產(chǎn)生重要影響；而另一方面，逆變器的結(jié)構(gòu)也將隨功率等級(jí)的不同而發(fā)生變化。

因此，根據(jù)光伏陣列的不同分布以及功率等級(jí)，可以把光伏并網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為6種：集中式、交流模塊式、串型、多支路、主從、和直流模塊式。

3.4根據(jù)并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)

光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是逆變器的關(guān)鍵部分，它關(guān)系著逆變器的效率和成本。一般情況，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以大致分單級(jí)并網(wǎng)模式和兩級(jí)并網(wǎng)模式兩種。

單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，主要特點(diǎn)是：通過(guò)光伏陣列串聯(lián)提升直流側(cè)電壓等級(jí)，以滿(mǎn)足并網(wǎng)逆變器正常工作時(shí)所需的直流母線電壓，僅通過(guò)一次變換將直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率并饋送到電網(wǎng)上。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)逆變器并網(wǎng)功率的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤。兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其主要特點(diǎn)是：首先通過(guò)第一級(jí) DC/DC 變換器將光伏陣列的直流電升壓或者降壓為滿(mǎn)足并網(wǎng)逆變器要求的直流電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池陣列的MPPT；其次通過(guò)第二級(jí)DC-AC逆變器，將直流母線上的直流功率逆變?yōu)榻涣鞴β剩瑢?shí)現(xiàn)光伏發(fā)電能量到電網(wǎng)的傳送。

4光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、變換器和控制器等組成，見(jiàn)圖4。變換器將光伏電池的輸出直流電逆變成正弦交流電并入電網(wǎng)，控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤和逆變器并網(wǎng)電流的波形、頻率和功率，使光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的功率達(dá)是光伏電池工作的最大功率。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)包括：光伏陣列、DC-DC變換器、逆變器和繼電保護(hù)裝置。

圖4光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，而此系統(tǒng)中需要專(zhuān)用的逆變器，對(duì)逆變器提出了較高的要求，主要有：（1）要求逆變器輸出正弦波電流；（2）要求逆變器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運(yùn)行；（3）要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)；（4）要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點(diǎn)；（5）在市電斷電情況下，逆變器在日照時(shí)能夠單獨(dú)供電。

5光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題

5.1反孤島保護(hù)

孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會(huì)危害設(shè)備，甚至?xí)＜叭藛T的生命安全。國(guó)際上均要求并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有反孤島保護(hù)功能，而反孤島保護(hù)的關(guān)鍵即在于孤島現(xiàn)象的檢測(cè)。孤島檢測(cè)要求并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)出孤島現(xiàn)象，并及時(shí)斷開(kāi)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接。目前常用的孤島檢測(cè)方法包括被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。

5.2直流電流注入

并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)的直流分量可分為兩種類(lèi)型：共模型式和差模型式。其中，共模型式的直流分量（也稱(chēng)為接地故障電流）主要出現(xiàn)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，其原因是光伏陣列與大地之間存在有較大的寄生電容，寄生電容上的共模電壓在光伏陣列-寄生電容-大地之間形成的通路之間產(chǎn)生了共模型直流電流分量。

5.3接地故障電流漏電保護(hù)

接地故障電流（簡(jiǎn)稱(chēng)漏電流），其本質(zhì)為共模型直流電流。較大的漏電流不僅會(huì)引起并網(wǎng)電流畸變、電磁干擾等問(wèn)題，還可能威脅到維修人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙為. 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究 [D]. 2003.

[2] 王飛， 余世杰， 蘇建徽， 等. 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2005， 20（5）： 72-74.

[3] 劉飛， 段善旭， 徐鵬威， 等. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)若干技術(shù)問(wèn)題的研究[J]. 太陽(yáng)能， 2006 （4）： 34-37.

[4] 趙杰. 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究 [D]. 天津： 天津大學(xué)，2012.

[5] 閆士職. 基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究 [D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2009.