光伏并網發電技術要點及改進對策

國家電投集團陜西新能源有限公司 石耀中

1 引言

光伏發電作為一種代表性的新能源發電技術，選擇可再生的太陽能進行發電，不會消耗化石能源，也不會排放其他污染物，對于生態環境較為友好。光伏并網發電有別于離網光伏發電，可以精簡儲能環節，基于大功率點跟蹤（MPPT）控制系統，更加高效利用太陽能能源，并聯合使用集中管控技術、逆變器并聯技術等，合理開發和利用太陽能資源，起到補償無功、削峰、接收調度指令等功能優勢。因此，大力推行光伏并網發電技術應用實施是必然選擇。光伏并網發電技術并非一成不變的，正處于持續升級優化的狀態，可以創造更加可觀的經濟效益和社會效益。

2 光伏并網發電系統優勢

2.1 光伏并網發電系統

光伏并網發電系統，是我國電力行業發展的一項新生產物，極大地緩解了電力系統運行負荷，減少化石能源的消耗量，對生態環境較為友好。光伏并網發電系統通過在建筑屋頂、荒漠或戈壁等環境設置發電系統，收集太陽能資源，保證太陽能資源充足下，實現光伏電池儲能[1]。DC/DC 是功率跟蹤器，能夠增強系統運行穩定性，實現光伏發電項目有效調度。DC/AC是逆變器，主要是為了保證光伏發電系統可以穩定、順利并網，與電網可靠連接。基于光伏并網發電系統，有助于減少電網運行負荷和傳統發電能耗、污染，增強電力系統運行穩定性，提升太陽能資源利用率，實現電網智能化發展目標。

2.2 光伏并網發電系統優勢

一是合理化開發和利用太陽能資源，此類資源清潔可再生，不會消耗化石能源，而且也不會產生溫室氣體，同生態環境較為友好，更好地滿足經濟社會可持續發展需要。

二是分布式安裝，供電就地分散方式安裝，增強電網的進退靈活性，并且進一步增強電力系統的災害防控能力，實現系統負荷均衡，減少線路損耗，帶來更大的效益。

三是系統發電量和電網并入連接，基于電能儲存能源，相較于獨立光伏系統而言，成本投資減少大概約35%～45%，有效減少系統總體改造成本。另外，不需要設置蓄電池組，增強電力系統運行穩定性，降低故障發生概率和二次污染時間[2]。

四是具有調峰作用，光伏發電技術作為當前時代的前沿技術之一，受到世界各國關注和重視，已經成為世界范圍內最主要的發電方式，呈現良好的發展前景。

3 光伏并網發電系統技術要點分析

3.1 功率點電路跟蹤控制技術

在光伏并網發電系統中，一個重要技術要點即太陽能電池最大功率點，受到外界溫度和光照強度因素干擾影響。即便光照強度、溫度條件一致，光伏發電系統的輸出電壓、功率仍然會存在差異。基于功率點跟蹤控制技術，能夠在太陽能資源的合理開發和利用下，結合光照強度促使太陽能電池輸出電能最大化，切實提升電力系統運行安全性和穩定性。跟蹤控制最大功率點電路方法多樣化，其中當屬擾動觀察、固定電壓以及增量電導等方法最為常見，根據現有研究成果，采用模糊和滑膜控制方法用于跟蹤控制最大功率點，實際成果較為理想[3]。該方法即便可以跟蹤調節光伏器件輸出功率，但也存在相應的弊端和不足，增強光伏器件穩定性和便捷性、輸出最大功率，則是目前光伏并網發電系統重點研究的內容。

3.2 光伏并網分布式技術

在光伏并網發電系統中，分布式技術占據重要地位，可以實現電能合理分配，如果電力供應不足，通過大電網調節和交換，以此解決這個問題。分布式光伏發電系統中包括了電路、保護裝置、太陽能電池組、電網接口以及集便器等元件。作為光伏并網發電系統核心裝置，太陽能電池組可以將太陽能資源收集、轉化為電能。逆變器裝置的功能是轉換直流電。在具體應用中，逆變器承載著形成交流負載功能，為電網系統提供電能支持。

3.3 逆變器技術

在光伏并網發電系統中，逆變器靈活應用能夠滿足項目多樣化功能需求，促使太陽能高效收集、轉換和利用。逆變器通過直接或是間接方式控制系統電流，促進兩種控制技術融合應用，有助于提升系統控制效果。就逆變器的集群特性與控制來看，具體如下。

一是逆變器集群運行特性。逆變器并聯組合形式多樣，彰顯出獨特的集群特性，具體表現為諧波特性與系統效率特性。并聯逆變器的諧波特性，有多個三相逆變器并聯，同時加入LC濾波，重點考量電網阻抗因素。如果三相對稱，則選擇單向等值電路分析，通過建立單臺逆變器模型能夠綜合分析逆變器并聯情況，發現異常動態修改電網阻抗參數，確保逆變器并聯情況符合要求。隨著并聯臺數增加，諧波問題將會有所下降[4]。

二是逆變器集群并聯運行控制。并聯逆變器集群控制方式，有助于降低發電成本和電力系統運行效率。逆變器集群并聯運行控制方式集合了多個并聯逆變器，直流母線為共用，并且保證各集群直流母線保持相互獨立的狀態。從可靠性角度來看，系統運行中即便出現局部故障問題，其他部分仍然可以保持正常運行狀態，不會干擾到電站整體運行。如果出現通信故障問題，不需要立即停機，借助各單元特性動態化協調，支持系統正常運行。此時允許系統出現一定性能損失，不在最佳運行狀態。實際上，系統運行中不可避免地會出現可靠性和系統性能之間的矛盾沖突，要求做好二者協調處理。結合光伏系統特性優化設計控制系統，光伏電站控制系統架構如圖1所示，確保系統性能符合要求。控制系統有4 層，電站控制層是負責電網和電網之間的信息交互傳播，具有上傳下達的作用；集群控制層用于各逆變器運行狀態調節控制，實現集群優化運行；單元控制層的功能室用于單臺逆變器電壓、電流控制，同時也可以結合系統運行要求分散控制；時鐘同步層是用于各個逆變器內生成開關頻率同步時鐘，滿足PWM同步功能需要。

圖1 光伏電站控制系統架構

時鐘同步，在各控制器上設置專用通信端口，實現各逆變器選擇同一個時鐘信號。有觀點認為，可以基于普通串行通信協議，各控制器上維護同步信號，以此避免增加通信端口。但此種方法對通信的依賴性較強，消耗的通信資源較多，而且一旦發生通信故障則會導致控制器信號快速脫離同步。選擇并網逆變器集群同步時鐘信號產生方法，基于鎖相環鎖相電網電壓信號，遏制輸入信號噪聲大小，最終獲得輸入信號頻率。傳輸鎖相環輸出信號到鎖相倍頻器，獲得高頻時鐘信號輸出，觸發PEM信號生成，最后使用串行總線校準，保證控制器時鐘信號相同。此種方式不需要消耗大量的通信資源，即可實現時鐘信號同步的目標。

下垂控制是在缺少通信條件下使用，逆變器不是用于控制交流電壓，而是控制直流電壓和交流電流，所以要在直流側構造下垂特性。

3.4 準確判斷并網發電功率

光伏并網發電系統運行中，預測系統的發電功率，分析干擾系統正常運行的因素，并針對性地提出有效措施予以控制。具體的預測方式有直接預測和間接預測方式，有助于及時剖析影響產生的因素，精準預測并網發電功率，在提升系統轉換率方面具有重要作用。需要注意的是，在預測系統功能時，要注重相關數據信息收集和處理，減少數據偏差，支持光伏并網發電系統安全穩定運行。

3.5 系統安保技術

安保技術在光伏并網發電系統中應用，其本質目標是為了避免信息孤島情況出現而編制防護員，這樣在出現異常問題時及時主動保護系統運行。安保技術在應用前，組織仿真試驗來收集電網運行中的負載數據，預測判斷電網后期運行中出現故障的概率，有效控制逆變器，保障光伏并網發電系統運行穩定性。

4 光伏并網發電系統的應用實踐

某光伏并網發電系統項目總峰值功率3360Wp，同企業電網并接，如果電網斷電，該系統即可獨立為企業供電。通過研究計算，太陽能電池板設置在正向朝南，傾斜角度在25°～30°最佳，可以吸收到最大的太陽能輻射，發電量也最大。

一是電氣設備。光伏并網發電系統項目實踐中，其主要構成包括蓄電池組、太陽能電池、雙向及并網逆變器等設備。

二是系統運行原理。光伏并網發電系統將6 塊光伏電池串聯起來，借助二極管集線并聯12組串聯電池成為一組逆變器，直接將交流電并入到電網中，中間環節同蓄電池組、雙向逆變器連接。如果市電出現故障，及時切換蓄電池組來供電。太陽能電池正常發電時，可以同時為蓄電池組、雙向逆變器充電。蓄電池組充滿電后，太陽能電池發電電量直接逆變電網。另外，市電斷電，雙向逆變器會接收到失壓脫扣器脫扣信號，自動化啟動逆變器，借助蓄電池組為電氣設備供電服務[5]。

三是數顯監控系統。在該光伏并網發電系統項目中，建立數顯監控系統，其中有調速器、溫度與風速計、照度儀、數據線纜、終端控制設備以及控制器等設備。借助計算機終端設備實時顯示相關信息，并通過程序轉換界面來自由轉換電視或電腦終端界面。也可以直觀展現交流電壓、直流電壓、系統溫度、日發電量、氣象數據以及總發電量等信息，便于客觀、全面反映出光伏并網發電系統運行情況。

5 光伏并網發電系統未來發展趨勢

5.1 光伏并網發電技術優化升級

科技是不斷創新發展的，光伏并網發電系統各項技術也需要持續優化升級，其中電池儲備系統是未來技術優化升級的重要內容，應該優先選擇電能儲存時間長的太陽能系統，通過光伏發電模塊連接在一起，為后續光伏并網發電系統建設和完善奠定基礎。通過長期使用，借助光照電流驅動各類設備運行，并借助逆變器轉換直流電為交流電。

5.2 提升光伏并網發電系統控制水平

光伏并網發電系統的控制方式多樣，具體有雙環、滯環以及空間矢量PWM 幾種。雙環控制方法是基于電流、電壓等控制，合理化調節并網電流值，此種控制方法設計簡單，開關頻率相較于固定，如果開關頻率偏低，則會降低電流動態響應速度。滯環控制方法，快速響應電流，功率期間開關頻率波動大，輸出沒有特殊諧波，不可避免地增加了系統設計難度。PWM 控制閥，是基于逆變器空間電壓轉換實現控制，屬于新型控制方式，在提升直流電壓使用效率方面優勢鮮明。

伴隨著我國光伏并網發電系統優化升級，將會有更多新技術和新設備應用其中，在提升光伏并網發電系統運行效率同時，合理化解決系統切換問題，擴大應用規模，創造更大的經濟效益和社會效益。

6 結語

基于光伏并網發電系統可以實現太陽能資源合理開發利用，與電網安全連接，在滿足電力需求同時，有效減少電網運行負荷，支持電力系統安全穩定運行。