光伏并網發電 / 獨立供電系統的工作原理探究

田 巍 劉國超

遼寧太陽能研究應用有限公司，遼寧沈陽 110136

2015年一部《穹頂之下》紀錄片震撼了整個中國。由此，清潔能源的呼聲越來越強烈。我國雖然能源儲量豐富，但是作為能耗大國，煤炭的過度開采、廢氣排放等讓大眾難以見到青天。尋找清潔、可再生、綠色的新能源刻不容緩。隨著我國工業水平與新興技術水平的不斷提升，對電力的需求也越來越旺盛，促使了人們對新能源發電技術的研究與應用。太陽能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，成為當下新能源開發的寵兒。

1 研究背景及其發展現狀與前景

當前國家已將“節能、減排”列入政府工作范圍，對新能源的研究和利用，給予大量的技術和資金扶持。資料顯示，太陽每秒照射到地球上的能量相當于500萬t煤燃燒所產生的能量，而且還不排放任何有害氣體。合理利用太陽光熱，并將其替代為能源，這將是未來人們所獲得能源的重要來源之一。

太陽能光伏并網發電系統，是將太陽能轉換為電能的發電技術，具有安全性高、無噪聲、不受地形控制、無污染、建設周期短等一系列優勢。隨著各類光伏發電技術不斷取得突破，我國的光伏發電技術得到了長足發展。從世界范圍來講，光伏發電尚處于初期的開發和示范階段，部分國家已進入到規模化發展階段。

我國早在2004年6月通過了調整優化能源產業結構的戰略方針。2005年2月28日通過了《可再生能源法》，讓新能源事業的發展有了法律依靠，成為全世界第二個頒布《可再生能源法》的國家。中央政策的扶持，有力地促進了我國以太陽能為首的新能源開發，尤其是光伏行業的發展已進入到一個新的高度。目前，我國光伏產業的研發、生產以及產品開發能力不斷增強，并形成了較為完善的產業鏈，在國際光伏產業占有重要地位。

2 太陽能光伏并網發電與獨立發電系統

2.1 光伏并網發電系統

并網發電相較于太陽能發電系統，具有許多優點，如不需要蓄電池、背靠電網等。在當前的發電系統研究中，正在不斷進行更加深入的研究。

2.2 并網發電系統的組成

并網發電系統原理：將太陽能直接轉變為低壓電流，然后再通過逆變器將光伏電池組成產生的低壓電流變成高壓交流電，最終連入電網。當白天有日照產生太陽能時，并網系統能將低壓電經過逆變器轉換為交流電，并供電器使用。當所發電的電力超出電器所消耗的電力時，電力將會逆流到電網，并由電力公司按規定價格進行收購。若所發電量不足以支撐電器消耗時，將由市電輸送。并網發電系統由太陽能電池板、太陽能控制器、并網逆變器三大部分組成。

太陽能電池板：是整個發電系統的發電單元，當太陽能照射在太陽能電池板的電池列陣上時，電池產生光伏效應，并產生低壓電流，并將低壓電流轉化為直流電能。

太陽能控制器：由于并網發電系統容易受到天氣、氣溫等外界因素影響，要保證整個發電系統常年可以輸出功率，需要引入太陽能控制器對電池板進行最大功率跟蹤控制。

并網逆變器：逆變器的作用就是將電池板產生的直流電轉化為可供電器使用及電網使用的交流電，進行有效補償或售出余額電力。

2.3 并網逆變器的算法

并網逆變器可以稱之為整個并網發電系統的核心。并網逆變器的算法直接關系到逆變器的轉換效率。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，會將太陽能電池板產生的直流電轉化為交流電，線圈升降則將不規則交流電變為方波交流電，最終通過整流器將方波交流電轉變為正弦波交流電。

電子元件的開關需要一定的電子脈沖，電子脈沖則需要電壓信號來進行有效調節，產生和調節電壓信號這一過程則稱之為控制電路。濾波電路的作用則是確保產生交流電的電子信號不失真，防止輸出電路中出現噪聲和干擾信號。

當前，光伏并網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 太陽能獨立發電系統

太陽能獨立發電系統的發電原理與并網發電原理類似，也是交流負載，只是太陽能獨立發電系統，不與市電并網，需要自己單獨儲備電力，不背靠電網，一旦長時間天氣狀況欠佳，無光照、儲備電力耗盡的情況下，將無電可用。

太陽能獨立發電系統與并網發電系統最根本的區別在于，獨立太陽能發電系統需要蓄電池，需要擴張安裝范圍，并且有一定的污染，在電網靈活性上有一定欠缺，在儲能和放能的環節容易造成一定消耗。

太陽能獨立發電系統，需要配備專門技術人員對化學電池進行管理。化學電池是由化學能轉換為電能來輸出電力的裝置。獨立供電系統工作時，鉛酸蓄電池的電池組會儲存或者釋放能量來進行工作。

天氣晴好陽光明媚時，光伏系統為獨立逆變形態，可以根據太陽能電池板電磁列陣的容量來發電并對蓄電池進行充電儲能。到了夜間或天氣狀況不佳等情況下，蓄電池通過逆變來對外進行放能供電。

可見，光伏并網發電系統將是未來高效利用綠色能源的有效途徑。

3 并網發電系統目前仍存在的問題

太陽能光伏發電密度低，受太陽天氣因素制約較大。由于我國地處北半球，國土廣袤，地形地勢多樣，氣候多樣。導致太陽能光伏發電比較依賴天氣氣候。此外，并網發電對電網安全、維護成本、穩定運營提出了新的要求。

3.1 并網發電系統輸出功率不夠穩定

太陽能光伏并網發電系統的發電功率不僅依賴天氣，還依賴自身設備的影響。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。因此要想確保并網發電系統穩定的輸出電力，需要配備相應的備用發電機組供并網系統無法發電時使用，在并網發電系統正常工作時，要做好相應的發電波動記錄，進行實施跟蹤，出現異常及時排查。

3.2 孤島效應

光伏并網發電系統容易產生孤島效應。通俗的講就是斷電后，供電系統仍然會帶電，這對維修人員的生命安全帶來一定威脅。同時這種孤島效應還會給用電設備帶來損害。因此在檢修或者設備出現異常時，或檢測到孤島效應存在時，要切斷并網逆變器。

3.3 短路保護問題

供電系統接入多個分散并網發電系統后，短路電流會突然增大，長期不穩定的輸電，容易使過流保護出現配合失誤。因此，需要安裝具有方向性的保護裝置來替代傳統的熔斷器保護裝置。

3.4 對電能質量的影響

太陽能光伏并網發電系統主要通過對分散低壓電源進線轉換為高壓然后通過逆變器最終并入電網的。太陽能光伏電池板組件將太陽能轉變為直流電能，再通過逆變器將直流電轉變為與電網本身同頻率和相位的正弦波電流。在電流轉換過程中，容易產生噪音和諧波，容易對電能的質量產生影響。因此，在最終并入網的電流前要對光伏所發的電進行諧波檢測，確保電流符合相應標準才能批準入網，如果不符合，需要安裝濾波裝置來提升電能質量。

4 結語

獨立供電系統在歷史長河中發揮了至關重要的作用，在如今許多地方仍發揮余熱。并網發電系統是當前太陽能發電技術中節能、成本低的太陽能利用方式之一。隨著光伏電池成本、氣候等因素制約，并網發電系統逐步取代獨立供電系統，在當前的能源市場上發揮更大的作用與價值。隨著科學技術不斷發展，不斷突破，并網發電系統在未來會更加高效、低廉，從而得到廣泛應用。

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