太陽能光伏發電與并網技術的應用解析

宋山茂

摘要：在全面國家碳達峰碳中和目標達成的背景下，全面推進新型清潔能源廣泛應用，成為完成綠色低碳轉型的新方向，太陽能光伏發電系統的應用比例也因此大幅提升。但是由于并網技術未能得到全面提高，以至出現了電壓波動、諧波干擾、孤島效應等影響光伏發電并網效果的問題。文章結合當前光伏發電項目建設案例和發展趨勢，對光伏發電并網技術類型進行分析，同時從儲能系統組成結構、主設備選型、升壓系統、保護措施與防雷接地等方面探討了并網技術的應用方案，旨在提高光伏電池組效率，改善逆變器的轉換效率，增強入網傳輸效率，提高光伏并網的應用可靠性與安全性。

關鍵詞：光伏發電??儲能方案??孤島效應??并網技術??設備選型

中圖分類號：TM615????文獻標注碼：A

Analysis?of?the?Application?of?Solar?Photovoltaic?Power?Generation?and?Grid-Connected?Technology

SONG??Shanmao

（Qinghai?Huanghe?New?Energy?Engineering?Construction?Branch，?Xining，?Qinghai?Province，?810000?China）

Abstract：?Under?the?underground?of?the?achievement?of?the?goal?of?the?comprehensive?national?carbon?dioxide?peaking?and?carbon?neutrality，?comprehensively?promoting?the?wide?application?of?new?clean?energy?has?become?a?new?direction?to?complete?the?green?and?low-carbon?transformation，?and?the?application?proportion?of?solar?photovoltaic?power?generation?systems?has?also?been?greatly?increased.?However，?because?the?grid-connected?technology?has?not?been?comprehensively?improved，?there?are?some?problems?affecting?the?grid-connected?effect?of?photovoltaic?power?generation，?such?as?the?voltage?fluctuation，?harmonic?interference?and?islanding?effect.?Combined?with?the?current?construction?cases?and?development?trends?of?photovoltaic?power?generation?projects，?this?paper?analyzes?the?types?of?grid-connected?technologies?of?photovoltaic?power?generation，?and?discusses?the?application?scheme?of?grid-connected?technology?from?the?aspects?of?structure?of?energy?storage?systems，?main?equipment?selection，?boost?systems，?protection?measures?and?lightning?protection?grounding，?aiming?to?improve?the?efficiency?of?photovoltaic?cell?packs，?improve?the?conversion?efficiency?of?inverters，?enhance?the?transmission?efficiency?in?the?network，?and?improve?the?reliability?and?security?of?photovoltaic?grid-connected?applications.

Key?Words：?Photovoltaic?power?generation;?Energy?storage?scheme;?Island?effect;?Grid-connected?technology;?Equipment?selection

光伏發電為終端用戶提供了綠色節能的用電解決方案，同時剩余電量也可以合并電網提供能源補充，光伏發電并網及時逐漸成為當前清潔能源的重點研究方向[1]。然而光伏并網的應用層面上，還需解決壓波動、諧波干擾、孤島效應等關鍵問題，因而研究太陽能光伏發電與并網技術的應用方案具有重要意義。

1?太陽能光伏發電的并網技術分類

1.1?逆流型

逆流型太陽能并網發電系統是市場上較早的清潔能源解決方案。光伏電池在提供電能的同時也可能存有剩余，通過逆變器和并網保護裝置來調節功率，可提高剩余存儲電能的利用率，為其他負載所用，作為電力系統的電能補充。當太陽能電池難以滿足負載用電量時，則從電力系統中獲取電能供給，適用于工業及家庭用電等多種場景，是較為普遍的并網方案之一。

逆流型并網技術可以將電能直接輸入電網，相當于節約了電能中轉的存儲設備，那么也將減少蓄電池再釋放過程的消耗，故而投建成本相對較低，且能量消耗較小，間接降低了系統的運維和投資成本。這種不帶蓄電池的逆流型并網發電系統更加適用于住宅家庭用戶，但是對于用電量較大的商業體或工業產區并不實用。以中來縣分布式光伏發電項目為例，其開發總量為300?MW，每年可提供3.88億kW·h清潔電力，同比減排968萬tC02，節能減排效益顯著，但是也僅用于分布式發電的普通用戶。

1.2?混合型

混合型并網系統是在光伏發電基礎上引入其他電能，如燃料電池或風力發電等與電力系統并網，其中太陽能光伏發電利用風能進行補充是較為常見的共儲能方案之一，以風能作為持續發電的主要供電設備時，光伏發電的共享能源則可以作為補充能源為供電設備提供協助電能的補充作業[2]。由于風能發電受到氣候環境變化的影響更為嚴重，所以光伏發電的儲能方案具有更加穩定的配電補充作業優勢，可以為緩解電氣設備棄風狀態下的能源供給增加電能消納，達到平滑風電輸出的積極效果。

以安徽風儲交流耦合“平滑與消納”共享發電應用場景為例，風力發電機組采集能源后傳輸到“風光互補”控制器中，光伏矩陣發電機組同時將采集能源匯總后傳入儲能設備，再通過電網逆變器支持并網供電需求，以中央調控的核心系統作為分配組織單位，在風能不足供給不足的情況下補充光伏能源供給。當超出“共享”電池最大承受范圍的能源供給時，再次啟用風能發電持續供電。安徽風儲交流耦合“平滑與消納”共享發電項目中，配置了20?MW/20?MW·h的儲能設備，陽光電源為該項目提供整套儲能系統解決方案，支持35?kV交流側耦合儲能的共享電能需求，可以在極大程度上緩解棄風狀態下的電能補充需要，滿足電能供給的消納需求，實現平滑風電輸出的積極效果，進而增強了電網持續供電的穩定性。

1.3?切換型

切換型并網發電系統由光伏電池、并網逆變器、切換器等設備組成。正常運行狀態下，電力系統與光伏發電系統各自獨立運行，當光照不足、陰雨天氣、夜間、電池儲能消耗殆盡等情況下，則切換器選擇以電力系統作為負載供電。那么切換型并網發電系統的蓄電池容量則可以適當下調，初期建設成本也可以適當壓縮。還有一種是自運行模式下的切換型并網系統，適用于災害狀態下調節光伏發電系統的供給負載。系統自帶并網保護裝置，可以對供電功率進行調節。當某地區遇到自然災害而無法適用常規電網系統供電時，帶有蓄電池的切換型并網設備可以為臨時通信、道路指示、加油站等設施提供電源。

在橫濱商用光儲項目中，選擇了73.7?kW·h電池容量、30?kW/73.7?kW·h的儲能設備、50?kW的光伏并網逆變器等設備，可滿足居民社區、大型商業區，以及大規模工業區的并/離網儲能，適合在事故災害中提供緊急供電。切換型并網發電系統同時適用于微電網系統和光伏自發自用等應用場景，是提高光伏能源利用率的主要并網發電措施之一。

2?光伏發電并網技術主要應用問題

2.1?電壓波動

光伏發電在自然環境受到影響時，因光照條件不足而造成輸出功率降低的問題較為普遍。《電網若干技術原則的規定》中明確規定，電力系統輸出電壓應在±7%的可接受范圍內。光伏發電的并網技術中，對于電壓穩定性要求也是對輸電性能的重大考驗。分布式光伏發電被廣泛應用之后，電力主網的供電質量往往會超過輸出電壓上限，從而產生巨大的電壓波動，供電質量很難得到真正保障。電壓波動會直接造成傳輸功率銳減，符合節點上的電壓容易出現激增現象，而電源接入位置則需要利用變壓器調節，控制晝夜電壓盡量保持平衡狀態。

2.2?諧波干擾

光伏發電并網系統中，逆流型、切換型、混合型3種技術都需要使用逆變器來完成并網供電。但是在光伏電能不穩定的情況下主網被迫頻繁切換輸出方式，因而開關頻率周圍產生了諧波分量，也因此對電網造成諧波污染[3]。若并網環境下的諧波過大，則會造成電器損傷，而光伏并網的逆變器相當于造成電流諧波的浮動因素。電網總諧波要求低于15%，但是大量逆變器頻繁使用造成了諧波指數級增長，同時諧波敏感負荷增多，造成電網波形中諧波占比過高，電力設備的平均使用壽命嚴重縮短。

2.3?孤島效應

伴隨分布式光伏設備應用比例大幅增長，大批光伏并網后公共電網接收光伏電能的比例隨之增加，與此同時也增加了孤島效應的發生率。孤島效應是指當電網因故障事故或停電維修等多種原因跳脫時，用戶端光伏并網發電的末端系統未能發現電網的停電狀態，也因此未能檢測出自身切離市電，電網系統也未能及時發現離網狀態下的少數自給供電孤島，造成了獨立負載運行的光伏設備孤立。并網發電系統很難完全規避孤島效應，而且對末端用戶電氣設備損耗具有較大危害性，甚至可能會破壞整個配電系統，更有甚者將威脅到輸電線路維修工作人員的生命安全。

3?太陽能光伏系統并網技術的應用方案

3.1?儲能系統優化方案

儲能系統是太陽能光伏系統最為重要的子系統之一，目前應用最為廣泛的是電化學儲能技術，運行壽命可以達到15年左右，額定功率可以保持在0～0.8萬kW，放電時間可以維持在10?h以內，單瓦投資在11元/w以下，轉化效率能夠達到65%～85%，建設周期僅為0.25～1年。綜合使用規模、便利程度、研發及發展潛力等關鍵性指標來看，電化學儲能優勢更為突出。化學儲能中鋰離子電池儲能原理見圖1所示。

綜合電池安全性、循環次數、充放電倍率、度電成本等關鍵性指標，鋰離子電池更適用于儲能市場應用。以磷酸鐵鋰電池為例，充放電循環次數可以達到6?000次以上，電芯成本不超過0.7W·h/元，充放電深度（DOD）能夠達到95%以上，充/放電效率接近95%，充放電倍率≤2C，能量密度較高且安全性較好，全系統成本≤1.3W·h/元，度電成本僅為0.5元/kW·h。截至2020年底，我國投運光伏儲能項目總規模達到了35.6GW，其中電化學儲能達到了3?269.2MW，鋰離子電池的累計裝機規模達到了2?902.4MW，總體占比達到了88%，成為當前最為主要的光伏儲能解決方案。太陽能光伏系統并網技術應用中，應持續開發鋰離子電池技術，從而提高儲能設備性能，進一步增強光伏電池組效率。

3.2?主設備選型

光伏電站主設備基本組成結構是光伏列陣、控制器、蓄電池，以及逆變器，見圖2所示。其中，并網逆變器是最為核心的設備之一。在并網逆變器主設備選型方面，應根據當前區域的用電量和太陽能光伏發電設備的投產量來確定[4]。比如，在浙江金晟光伏電站并網發電項目中，總裝機容量達到了2.1?MW，采用自發自用結合余電上網的應用模式。此項光伏發電的并網項目中，主設備選用了固德威GW120K-HT和GW100K-HT大功率逆變器設備。主設備120?kW低壓并網逆變器性能優越，380?V低電壓并網模式對于配備變壓器的性能要求不高，其他電氣設備的投建費用也相對較低。380V低電壓并網單瓦費用可以節約0.2元/W左右，可以在很大程度上節約光伏電站的初期投資成本。

與此同時，主設備選型還需依據光伏電站匹配的供電需求，設計主設備型號的組合方案。比如：美國光儲直流側耦合項目中，主設備組合方案為“5MW儲能變流器+1.5MW直流變換器+3.836MWh鋰電池”，主設備組合方案適應更高的容配比。此項目為中國1?500V光儲直流側耦合方案首次在美國成功投運，高容配比方案DC/AC=1.8，主設備組合以“PCS+DC/DC+鋰電池系統”的一體化方案，結合先進的光儲直流耦合控制算法和直流側能量，提高了太陽能光伏系統的總體管理效率，解決了光伏系統超配和限發等諸多難點，對提高逆變器的轉換效率同樣具有重要支持作用，實現了平滑并網的高標準要求，同時最大限度地改善了光伏發電的經濟效益。

3.3?升壓系統

由于電壓波動始終存在，低壓狀態下對光伏系統并網后的穩定性和安全性造成嚴重干擾。所以，多數情況下光伏電站選擇運用升壓系統來維持電站供電的穩定性[5]。比如：山東半島光伏電站并網發電項目中，100?MW/200?MW·h儲能項目全部沖擊送電。光伏電站通過PCS儲能變流器系統對光伏電能進行控制，同時附加了40套1?500?V、2.5?MW儲能變流升壓機。升壓機可以對光伏矩陣電能完成電壓調節，每個單元由獨立的5?MW·h電池集成，同時依靠2.5?MW升壓機協調電壓穩定性，光伏電站安全可靠性大幅提升，對提高供電降本增效起到了重要的支持作用。

2.5?MW儲能變流升壓一體機，主要是以1?500?V集成系統設計方案來穩定電壓，占地面積相對較小并不會影響光伏系統的建設方案調整，也更加便于后期調試和維護。LCOS成本相對更低，故而持續供電的成本效益有所提高。同時PCS采用兩組電池接口設計，可獨立進行充放電管理，兼具智能強制風冷散熱設計，環境溫度低于50℃的情況下仍然可以額定滿載運行，更加適合在沿海地區極為復雜的自然環境下運行，確保光伏電站運行可靠穩定和增值創收。再如，珠海南方電網儲能項目具有電網側調峰調頻功能，總容量達到了5?MW/15.889?MW·h，交流側使用了兩套邁格瑞能20尺的MEGA2500升壓一體機，可以大幅提升光伏電站的供電穩定性，支持有功及無功輸出等多種供電方案，能夠實現對有功、無功功率的獨立解耦控制，極大地改善了入網傳輸效率。

3.4?保護措施與防雷接地

升壓設備在高溫環境下往往容易出現跳閘保護情況，電壓過載狀態下自動保護裝置的重要性更為突出。光伏保護裝置主要是用來防止電網出現孤島效應，光伏并網脫離主電網時，自動保護裝置可以及時檢測末端用戶配電狀態，檢測孤島現象的末端用戶數量。這種裝置適用于10?kV及低壓400?V光伏電站的小電源并網供電系統，若光伏電站遭遇孤島現象，則可以及時切除與并網點連接，使光伏電站與電網側迅速脫離，那么也就不會造成嚴重的用電風險或維修風險。保護措施對逆功率、過/低電壓、頻率突變、高/低頻率、外部聯跳等檢測速度更快，可以對光伏電站的并網安全性起到重要保護作用[6]。除此之外，FA饋線自動化技術也是一種保護光伏電站良好運行的有效措施，全自愈FA功能對并網點線路故障信息可自動研判，故障區域的鎖定速度更快。系統自動遠程遙控并網點開關，實現了故障區域光伏電站的快速隔離，同時可以及時恢復非故障區域的快速供電。

光伏系統作為帶電設備在極端雷雨天氣環境下，極易受到外部環境干擾，裸露在外太陽能板遭遇雷擊，整個光伏發電并網系統各處組件均會遭受不同程度的重創。故而，太陽能光伏發電系統的避雷接地設計尤為重要，應在升壓電站或光伏電池組件等重要位置安裝避雷帶，以環形避雷帶的防雷效果最為突出，可以獨立設置為引下線，從而保護重要設備組件在雷雨惡劣天氣下保護終端用戶使用安全。而針對變壓器等電氣設備所設計的防雷裝置，應當采取外殼接地的架構方案，這對提高太陽能光伏發電系統安全性能具有重要支持作用。

4?結語

目前應用于太陽能光伏發電的并網技術主要有逆流型、混合型、切換型3種類型。然而這些并網技術并未真正解決電壓波動、諧波干擾、孤島效應等關鍵問題。進一步構建太陽能光伏系統并網技術的應用方案，還需重視儲能系統優化方案，以電化學儲能技術為先導，進一步從使用規模、便利程度、研發及發展潛力等關鍵性指標方面進行優化，同時提高光伏電池的安全性、循環次數、充放電倍率、度電成本，為光伏系統并網優化儲能方案。與此同時應注重光伏系統的主設備選型，應根據當前區域的用電量和太陽能光伏發電設備的投產量來確定選型方向，同時依據光伏電站匹配的供電需求確定主設備所配備的各項組件，達到提高供電效率和能源轉化率的最佳效果，同時最大限度地提高光伏發電的經濟效益。除此之外，應合理運用升壓系統來維持電站供電的穩定性，通過相應的保護措施與防雷接地設計提高安全性能，確保光伏發電系統并網后能夠全面提高供電質量，為清潔能源的廣泛應用創造良好市場環境和技術支持，全面提升光伏發電系統并網后的應用可靠性與安全性。

參考文獻

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