光伏并網(wǎng)發(fā)電 / 獨(dú)立供電系統(tǒng)的工作原理探究

田 巍 劉國(guó)超

遼寧太陽(yáng)能研究應(yīng)用有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110136

2015年一部《穹頂之下》紀(jì)錄片震撼了整個(gè)中國(guó)。由此，清潔能源的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈。我國(guó)雖然能源儲(chǔ)量豐富，但是作為能耗大國(guó)，煤炭的過(guò)度開(kāi)采、廢氣排放等讓大眾難以見(jiàn)到青天。尋找清潔、可再生、綠色的新能源刻不容緩。隨著我國(guó)工業(yè)水平與新興技術(shù)水平的不斷提升，對(duì)電力的需求也越來(lái)越旺盛，促使了人們對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用。太陽(yáng)能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，成為當(dāng)下新能源開(kāi)發(fā)的寵兒。

1 研究背景及其發(fā)展現(xiàn)狀與前景

當(dāng)前國(guó)家已將“節(jié)能、減排”列入政府工作范圍，對(duì)新能源的研究和利用，給予大量的技術(shù)和資金扶持。資料顯示，太陽(yáng)每秒照射到地球上的能量相當(dāng)于500萬(wàn)t煤燃燒所產(chǎn)生的能量，而且還不排放任何有害氣體。合理利用太陽(yáng)光熱，并將其替代為能源，這將是未來(lái)人們所獲得能源的重要來(lái)源之一。

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)，具有安全性高、無(wú)噪聲、不受地形控制、無(wú)污染、建設(shè)周期短等一系列優(yōu)勢(shì)。隨著各類光伏發(fā)電技術(shù)不斷取得突破，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。從世界范圍來(lái)講，光伏發(fā)電尚處于初期的開(kāi)發(fā)和示范階段，部分國(guó)家已進(jìn)入到規(guī)模化發(fā)展階段。

我國(guó)早在2004年6月通過(guò)了調(diào)整優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略方針。2005年2月28日通過(guò)了《可再生能源法》，讓新能源事業(yè)的發(fā)展有了法律依靠，成為全世界第二個(gè)頒布《可再生能源法》的國(guó)家。中央政策的扶持，有力地促進(jìn)了我國(guó)以太陽(yáng)能為首的新能源開(kāi)發(fā)，尤其是光伏行業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入到一個(gè)新的高度。目前，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力不斷增強(qiáng)，并形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，在國(guó)際光伏產(chǎn)業(yè)占有重要地位。

2 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電與獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)發(fā)電相較于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如不需要蓄電池、背靠電網(wǎng)等。在當(dāng)前的發(fā)電系統(tǒng)研究中，正在不斷進(jìn)行更加深入的研究。

2.2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理：將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娏鳎缓笤偻ㄟ^(guò)逆變器將光伏電池組成產(chǎn)生的低壓電流變成高壓交流電，最終連入電網(wǎng)。當(dāng)白天有日照產(chǎn)生太陽(yáng)能時(shí)，并網(wǎng)系統(tǒng)能將低壓電經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，并供電器使用。當(dāng)所發(fā)電的電力超出電器所消耗的電力時(shí)，電力將會(huì)逆流到電網(wǎng)，并由電力公司按規(guī)定價(jià)格進(jìn)行收購(gòu)。若所發(fā)電量不足以支撐電器消耗時(shí)，將由市電輸送。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、并網(wǎng)逆變器三大部分組成。

太陽(yáng)能電池板：是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元，當(dāng)太陽(yáng)能照射在太陽(yáng)能電池板的電池列陣上時(shí)，電池產(chǎn)生光伏效應(yīng)，并產(chǎn)生低壓電流，并將低壓電流轉(zhuǎn)化為直流電能。

太陽(yáng)能控制器：由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容易受到天氣、氣溫等外界因素影響，要保證整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)常年可以輸出功率，需要引入太陽(yáng)能控制器對(duì)電池板進(jìn)行最大功率跟蹤控制。

并網(wǎng)逆變器：逆變器的作用就是將電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為可供電器使用及電網(wǎng)使用的交流電，進(jìn)行有效補(bǔ)償或售出余額電力。

2.3 并網(wǎng)逆變器的算法

并網(wǎng)逆變器可以稱之為整個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心。并網(wǎng)逆變器的算法直接關(guān)系到逆變器的轉(zhuǎn)換效率。逆變器主要由逆變電路、控制電路和濾波電路組成。逆變器工作室電路中的振蕩電路，會(huì)將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，線圈升降則將不規(guī)則交流電變?yōu)榉讲ń涣麟姡罱K通過(guò)整流器將方波交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ń涣麟姟?/p>

電子元件的開(kāi)關(guān)需要一定的電子脈沖，電子脈沖則需要電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)電壓信號(hào)這一過(guò)程則稱之為控制電路。濾波電路的作用則是確保產(chǎn)生交流電的電子信號(hào)不失真，防止輸出電路中出現(xiàn)噪聲和干擾信號(hào)。

當(dāng)前，光伏并網(wǎng)控制策略主要有以下四種方式：電壓源-電壓控制、電壓源-電流控制、電流源-電壓控制、電流源-電流控制。

2.4 太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理與并網(wǎng)發(fā)電原理類似，也是交流負(fù)載，只是太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，不與市電并網(wǎng)，需要自己?jiǎn)为?dú)儲(chǔ)備電力，不背靠電網(wǎng)，一旦長(zhǎng)時(shí)間天氣狀況欠佳，無(wú)光照、儲(chǔ)備電力耗盡的情況下，將無(wú)電可用。

太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最根本的區(qū)別在于，獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)需要蓄電池，需要擴(kuò)張安裝范圍，并且有一定的污染，在電網(wǎng)靈活性上有一定欠缺，在儲(chǔ)能和放能的環(huán)節(jié)容易造成一定消耗。

太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，需要配備專門(mén)技術(shù)人員對(duì)化學(xué)電池進(jìn)行管理。化學(xué)電池是由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能來(lái)輸出電力的裝置。獨(dú)立供電系統(tǒng)工作時(shí)，鉛酸蓄電池的電池組會(huì)儲(chǔ)存或者釋放能量來(lái)進(jìn)行工作。

天氣晴好陽(yáng)光明媚時(shí)，光伏系統(tǒng)為獨(dú)立逆變形態(tài)，可以根據(jù)太陽(yáng)能電池板電磁列陣的容量來(lái)發(fā)電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能。到了夜間或天氣狀況不佳等情況下，蓄電池通過(guò)逆變來(lái)對(duì)外進(jìn)行放能供電。

可見(jiàn)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將是未來(lái)高效利用綠色能源的有效途徑。

3 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)目前仍存在的問(wèn)題

太陽(yáng)能光伏發(fā)電密度低，受太陽(yáng)天氣因素制約較大。由于我國(guó)地處北半球，國(guó)土廣袤，地形地勢(shì)多樣，氣候多樣。導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏發(fā)電比較依賴天氣氣候。此外，并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)安全、維護(hù)成本、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提出了新的要求。

3.1 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不夠穩(wěn)定

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率不僅依賴天氣，還依賴自身設(shè)備的影響。例如：光伏電池板的清潔狀況、逆變器的工作效率、諧波、溫度、濕度等多種因素。因此要想確保并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出電力，需要配備相應(yīng)的備用發(fā)電機(jī)組供并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法發(fā)電時(shí)使用，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，要做好相應(yīng)的發(fā)電波動(dòng)記錄，進(jìn)行實(shí)施跟蹤，出現(xiàn)異常及時(shí)排查。

3.2 孤島效應(yīng)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容易產(chǎn)生孤島效應(yīng)。通俗的講就是斷電后，供電系統(tǒng)仍然會(huì)帶電，這對(duì)維修人員的生命安全帶來(lái)一定威脅。同時(shí)這種孤島效應(yīng)還會(huì)給用電設(shè)備帶來(lái)?yè)p害。因此在檢修或者設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，或檢測(cè)到孤島效應(yīng)存在時(shí)，要切斷并網(wǎng)逆變器。

3.3 短路保護(hù)問(wèn)題

供電系統(tǒng)接入多個(gè)分散并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)后，短路電流會(huì)突然增大，長(zhǎng)期不穩(wěn)定的輸電，容易使過(guò)流保護(hù)出現(xiàn)配合失誤。因此，需要安裝具有方向性的保護(hù)裝置來(lái)替代傳統(tǒng)的熔斷器保護(hù)裝置。

3.4 對(duì)電能質(zhì)量的影響

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)分散低壓電源進(jìn)線轉(zhuǎn)換為高壓然后通過(guò)逆變器最終并入電網(wǎng)的。太陽(yáng)能光伏電池板組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔埽偻ㄟ^(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)本身同頻率和相位的正弦波電流。在電流轉(zhuǎn)換過(guò)程中，容易產(chǎn)生噪音和諧波，容易對(duì)電能的質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在最終并入網(wǎng)的電流前要對(duì)光伏所發(fā)的電進(jìn)行諧波檢測(cè)，確保電流符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)才能批準(zhǔn)入網(wǎng)，如果不符合，需要安裝濾波裝置來(lái)提升電能質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

獨(dú)立供電系統(tǒng)在歷史長(zhǎng)河中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在如今許多地方仍發(fā)揮余熱。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中節(jié)能、成本低的太陽(yáng)能利用方式之一。隨著光伏電池成本、氣候等因素制約，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逐步取代獨(dú)立供電系統(tǒng)，在當(dāng)前的能源市場(chǎng)上發(fā)揮更大的作用與價(jià)值。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，不斷突破，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在未來(lái)會(huì)更加高效、低廉，從而得到廣泛應(yīng)用。

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