大型并網光伏電站的關鍵技術研究及應用

袁金鋼

（中科恒源科技股份有限公司，湖南長沙 410000）

1 大型并網光伏電站的結構概述

并網光伏電站按規模，可分為適于本地供電的分布式電站和適于遠距離供電的集中式電站；按結構功能劃分，可分為含蓄電池的可調度式光伏電站和不含蓄電池的不可調度式光伏電站；按轉換環節，劃分可分為單級式結構、雙級式結構、多級式結構；按接入相數，劃分可分為單相并網電站、三相并網電站。從工作原理上分析，都是將太陽能電池產生的直流電轉化為交流電，通過一定的方式接入到公共電網之中供用戶使用。系統運行所需構件有光伏陣列、匯流箱、直流配電柜、控制器、蓄電池、并網逆變器、交流配電柜、電網接入系統（升壓、計量設備）、監控及通信設備等。

2 大型并網光伏發電系統的特點

2.1 清潔性

太陽能是現階段已知的少數幾個完全清潔的能源類型，具有突出的環保性特點。在發電系統中，不使用對環境造成污染的能源或物質。在電能的產生、轉化及應用過程中，不會產生污染物及溫室氣體排放等問題，有利于促進生態和諧，實現我國的可持續發展戰略。

2.2 靈活性

（1）由于并網光伏電站根據不同的應用環境和需求可以有多種分類方式，可以帶蓄電池做成可調度發電系統，也可以不帶蓄電池直接接入電網；可以作為大型地面電站接入中高壓配電電網進行遠距離供電，也可以直接送入本地用戶側供電電網。

（2）作為分布式電站應用時，電站發的電經過處理后并入供電電網，所發電能直接分配到負載上，系統與電網之間的電力交換可以是雙向的。本地負載能夠并行使用市電和光伏發電作為電源，當用電負荷過大或光伏電站供電不足時，負載可以從電網獲得能源，而當光伏電站發電富余時，又可以向電網售電。

（3）作為不可調度發電系統應用時，還可以省掉昂貴的儲能蓄電環節，大大節省了系統成本。

并網光伏電站的應用可以根據需要、成本、環境條件等做成不同的形式，具有相當的靈活性。

2.3 安全性

與傳統發電相比較，光伏發電站不需要進行高熱度的燃燒以及劇烈的反應，整個發電的過程反應非常小。從安全性的角度進行分析，既保證了管理人員進行管理操作的安全性，也保證了電站自身的安全性。

3 大型并網光伏電站的關鍵技術及應用現狀

3.1 光伏陣列

（1）光伏陣列是由若干光伏組件經過串并聯后，以達到設計電壓、電流輸出的一種光伏組件組合形式，是光伏電站系統之中最主要的部分。它對光伏電站的最大影響是在光伏電池的輸出功率及轉換效率上，其安裝位置及角度、安裝環境均直接影響光伏電池的輸出功率。當前大型光伏電站的光伏陣列安裝大多采用固定式安裝，該安裝方式要求對光伏陣列進行最佳傾角設計。由于其安裝位置固定，受環境及氣候影響，對光照的利用率受到限制。為達到設計容量，在加大光伏組件的使用量同時，也會導致占用更大的安裝面積。為實現資源節約型社會的戰略目標，未來光伏陣列的發展一定會朝著高效率、高功率密度的方向發展。解決這一問題的技術手段有，可采用太陽光追蹤系統、新型光伏電池技術、最大功率跟蹤技術等。

（2）通過對太陽光的自動追蹤，可以大幅提高太陽光的利用率。目前，太陽光自動追蹤系統結構復雜、成本較高，還未實現大量應用。未來太陽光自動追蹤系統的成本降低、機構簡化、跟蹤精度提高等，都將成為研究的重點和必然的發展趨勢。

（3）當前單晶硅、多晶硅光伏電池已得到廣泛應用，但這類電池的理論轉換上限約為30%。如何提高光伏電池的轉換效率一直是業界研究的重點。通過新型光伏材料的研究以及新型光伏電池結構設計，可以在一定程度上提高光伏電池的轉換效率，國外研究設計了一種基于銻化鎵（GaSb）材料多結疊層結構光伏電池，這種電池堆疊成能捕獲太陽光譜幾乎所有能量的單個設備，可將44.5%的直射太陽光轉化為電力。更有研究人員提出了一種基于新材料的新型太陽能電池結構，使用雙光子上轉換來實現高于50%的理論轉換效率，新結構通過將兩個低能光子轉換成能被該電池吸收的一個較高能量的光子來產生光電流。理論上，電池的轉換效率可以達到63%。新材料、新結構光伏電池把太陽能轉換效率提高到了一個新的水平，但是這類電池還有材料環保性、材料穩定性、成本、制造工藝性等問題需要解決。當前，還有一種利用光學元件將太陽光匯聚后再進行發電的聚光太陽能技術，被認為是第三代太陽能發電技術。但是聚光光伏組件目前還存在散熱、太陽光跟蹤、成本高等方面的實際問題需要解決，但也開始了積極的實踐與研究。

光伏陣列是由若干光伏組件串并聯組成的，由于環境以及組件本身的差異會造成光伏陣列具有多極值的突出特點，為最大限度的利用光伏陣列的功率，還應設計出能獲得全局最大功率點的MPPT（Maximum Power Point Tracking，太陽能控制器）技術。在光伏陣列應用過程中，熱斑效應是造成光伏電池損害的最主要原因。因此，需要做好熱斑效應的控制工作，目前對熱斑效應進行控制的主要方式就是并聯旁路二極管。從技術層面分析，未來的光伏組件形式可以向光伏發電與DC/DC轉換器一體化方向發展。在這一結構之中，任何一個組件，都可以集成為小型的變換器，并形成智能控制模塊。使每個光伏組件實現單獨的保護控制及MPPT，每個光伏組件既可以對全局MPPT進行匹配，又能解決熱斑保護問題。此外，光伏陣列在抗高溫以及抗風沙方面，還存在一些際問題需要研究解決。

3.2 高性能并網逆變器

并網逆變器組合是光伏電站的重要構成部分，主要的技術重點就是協調運行與集群，通過技術手段有效的降低并網逆變器之間的不利影響，使逆變器集群作為一個整體穩定運行。在這一過程中需要解決的問題，如多機孤島檢測的沖突、內部環流、諧波等。要達到逆變器的集群協調效果，還要實現電網通信、功率調節、低電壓穿越、機組投切、運行優化、綜合保護、故障冗余等多方面的實際功能效果。

除了以上的功能需求外，逆變器本身的轉換效率也是重要的指標，提高逆變器效率最主要的研究方向就是拓撲結構選擇與運用，開關頻率、開關器件研究與運用、控制算法等。逆變器對系統并網的電能質量產生重要影響，大型并網光伏電站向電網發送的電能質量應滿足相應的國家標準，并網逆變器需要在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直流分量、電壓波動與閃變等方面進行研究與控制。同時還要考慮電網對逆變器、逆變器對電網、逆變器對其控制部分的電磁兼容問題。

3.3 最大功率跟蹤技術

光伏發電系統最大功率跟蹤策略，是指通過一定的控制方法調節負載阻抗，以使光伏系統輸出最大功率。實現方式有基于采樣數據的直接控制法，基于參數選擇方式的間接控制法，基于現代控制理論的智能控制法。

基于采樣數據的直接控制法包括擾動觀察法、電導增量法、實際測量法、寄生電容法等，該方法跟蹤精度較高，目前應用廣泛；基于參數選擇方式的間接控制法，包括恒定電壓法、開路電壓比例系數法、短路電流比例系數法、曲線擬合法、查表法等。該方法需要擬定一個初始值作為控制的基礎，跟蹤誤差相對較大；基于現代控制理論的智能控制法，該方法主要有模糊邏輯控制法、人工神經元網絡控制法等，該方法跟蹤精度高但實現過程復雜，對被控對象的數學模型準確性要求較低，適合情況復雜的大型光伏發電系統。以上各種最大功率跟蹤技術各有優缺點，在實踐應用中應根據成本、應用環境等綜合選擇。

3.4 孤島效應檢測技術

（1）孤島效應檢測技術是并網光伏電站必須具備的保護功能之一。當電力供電電網因故障原因停電或需要停電檢修時，各用戶端的光伏并網系統必須對供電電網的停電狀態進行檢測，并能及時從電網中切離。一般來說，孤島效應可能對整個配電系統設備及用戶端的設備造成不利的影響。由此可見，作為一個安全可靠的并網逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應并避免所帶來的危害。

（2）孤島效應的檢測技術主要分為主動式及被動式。主動式檢測法包括電壓擾動法、功率擾動法、頻率擾動法。被動式檢測法主要有電壓頻率檢測法、電壓諧波檢測法、相位跳變檢測法。

（3）主動式檢測方法檢測精度高，非檢測區小，但是控制較復雜，且降低了逆變器輸出電能的質量；而被動式檢測法的實現比較容易，該方法的經濟性較好。但當光伏系統輸出功率與局部負載功率平衡時，則被動式檢測方法將失去孤島效應檢測能力，存在較大的非檢測區域。因此使用被動式檢測法時要求非檢測區盡量小，并且要避免多逆變器并聯時多機檢測的相互影響。

（4）主動式、被動式檢測技術都存在各自的優點和局限性。在實踐應用中為較好地解決孤島檢測問題，并網逆變器的反孤島策略可以采用被動式檢測方案加上一種主動式檢測方案相結合的方式。

4 結語

綜上所述，大型并網光伏電站是現階段太陽能應用的最主要形式之一。隨著現代技術水平的不斷發展，電站的技術結構也更加復雜。因此，必須對電站的關鍵技術內容進行持續的研究。