太阳能光伏发电并网技术的应用

叶暖平

【摘要】 本文主要对光伏并网发电技术进行了分析和研究。论文首先介绍了太阳能发电的意义以及光伏并网发电在国内外的应用现状。其次，对太阳能发电系统的特性和基本原理分别做了具体分析，并对系统各组成部分的功能进行了简单的介绍。最后，阐述了光伏并网中通过逆变器进行光伏并网发电系统的设计方案。

【关键词】 能源 太阳能 光伏并网 逆变器

进入21世纪，能源问题已经成为关系到人类生存和发展的首要问题，太阳能的利用近年来已经逐渐成为新能源领域中开发利用水平最高、最成熟，应用最广泛的能源，尤其在远离电网的偏远地区应用更为广泛。离网与并网这两种工作的方式是属于光伏发电。以前，因为太阳能电池过高的成本费用，单靠光伏用来发电大部分都用于比较落后的无电的地方，从行政村中以户用的中小型个体系统比较多，都是离网型的家庭用户。从近几年来看，市场上的光伏电产业有了非常大的改变，由一些偏远的农村地方开始向一些城市地区合并起来发电、用光伏发电的建设加快向集成迈进，而太阳能资源也成为全球性的“可再生能源”角色。

一、概括

早在80年代初期光伏合并网就已经开始，有很多国家都做出了很大的贡献，例如意大利、日本、德国和美国这些国家，并且由当时的理解，并且大多都是大型光伏合并网型电站，规模形式也是从1MW和100KW不等，并且都是由政府部门投资的用来试验的电站。研究结果也是在一些技术方面取得成功，但是有一些经济性内容不是十分的让人称赞，原因是由于一些由太阳能资源的成本费用高，虽然属于可再生能源，带来环境方面的效益，但是太阳能发电的昂贵费用难以被电力方面的公司纳用。到90年代后，一些发达的国外有更好的技术，从而带来了光伏合并网模式的探究高潮，然而，这一次探究的重点并没有围绕光伏合并电站的建造，转而更加发展“屋顶的光伏电站系统”因为，人们想利用房顶的空地来安装太阳能，既能更好的吸收太阳，更好的利用能量中密度比较低的优点，而且具有经济性与方便灵活性特点，与光伏发电相比太阳能源更有利于广泛普及和保护能源的有效安全利用，因此应当得到各个地方的重视。

二、太阳能光伏发电系统组成

太阳能光伏发电系统主要包括：太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用电负载等。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。太阳能光伏发电系统的组成如图1所示。

用太阳作为能源来发电这一系统有独立的系统和用交流电与网络的联系模式系统两大类别组成。独立的系统有太阳作为可再生能源发电的根本的系统形式。同时又被叫做太阳能资源的原型模式。这种模式较多被与市区离得较远的地方，例如坐落于海上的灯塔、漂浮着的浮标与山顶上的无线接收电台等，都可以作为供电的电源。

与电网（系统）联系系统的构造如图2所示。该系统的特点是当太阳能电池阵列发出的电功率超过负荷需要时，可以通过自动控制输向交流市电电网，即向电力公司卖出电力。从电力系统的术语来说，称为“逆潮流”运行或通俗地称为“卖电”。反之，对电力公司来说正常运行是向用户供电，称为“正潮流”。系统联系型太阳能发电系统的优点是，当阴雨天气或夜间太阳能发电量不足时，可以通过系统联系直接向市电电网买电。系统联系系统的另一重要优点是可以取消蓄电池，使成本降低，且加强了供电的稳定性和可靠性。

三、光伏并网逆变器的研究现状及方向

光伏并电系统中的逆变器是很重要的一个部件，因为逆变器可以把直流电转换成交流电，可以决定输出两种电流成波形以及是否提高系统之间的效率。在逆变器中最常用的拓扑结构式全桥的结构，所以为了减少光伏并网系统的费用，现在又一部分国家都在尽最大能力的探索提高逆变器的效率，就当前在国际上有一部分知名企业的逆变器的机器效率已经上升为93%～95%。

光伏合并网系统逆变器有下列五个特点：

l、并网型系统的逆变器是由正弦波为输出方式。普遍情况下可以使用脉带协调方法或者是“伪正弦”方法，因为这些办法可以使许多负载的用户得到满足，一定程度还可以对谐波进行负载等特殊情况要求，一般促进输出的波形有好的质量是靠变压器或者是电感等方法，但是一定程度上会带来动态较差和效率的低下，并且其造价较高，系统比较笨重等缺点。现在一些外国的合并电网的条形规定里指出逆变器的波形不仅要有很好的动态特点，其中总谐波的因数不能大于5%，并且每一次的谐波都不能大于3%。

2、并网型系统的逆变器具有降低轻载和空载损耗的优点，同时提高了机器转化的效率。例如ADVANCED ENERGY Inc.中的MM-5000，这种产品的空载逆变器中的损耗是小于20W，最大逆变器的效率抵94%以上，而在刚输出的时候效率为90%，一半的额定输出的时候为92 %

3、并网型系统的逆变器应该具备较高的可靠性；

4、并网型系统的逆变器中的功率包含的因数应与1接近；

5、并网型系统的逆变器要包括电网中电压的跌落、频率的故障、输入超过电压、电压缺少、输入与输出过流、反接的故障、风扇冷却的故障和独自在岛效应等多种保护措施。

现在国外的并网系统逆变器成为一种相比较下来在市场里成熟的产品，像欧洲的光伏合并网中逆变器产业市场里有simens，SMA，Sputnik，Fronius和Sun Power等众多公司中产品具有市场化特点，在其中SMA具有一半的产业市场的份额。

然而在我国，利用光伏开发电资源相关的起步较晚，一些研究探索技术也比较落后，一些著名大学像上海交大，燕山大学，安徽合肥工业大学针对能源探究所和中科院研究中心对官府逆变器有一些相关研究。另外还有安徽合肥阳光有限公司与北京索英电气有限公司与山东皇明太阳能有限公司也开始进行探索，其中前面的两家有限公司还推出一些关于逆变器相关产品。

并网型光伏电系统在我国目前还没有开始形成像一些商业化的产品运行，而现在都是一些被称为模范型工程的光伏发电工程正在进行，其中逆变器的科技还大部分是靠合作与进口取得，促使整个系统的造价成本费用高，进行大规模的实施非常困难。

在并网型逆变器中也会有很多损耗，其中像在开关小器件中损耗、对电路控制的损耗、变压器的隔离中间的损耗还有滤波器、电容和电感的损耗，然而损耗占最大的是开关器件，在开关中的损耗主要是开通与断开损耗和在开通状态下的损耗以及对二极管逆向的损耗恢复。

由IGBT作为例子，在初级的电流时I=52A电压U=520V，功率P0=11kW工作时的频率f=20kHz作为前提条件下预算得到的数据：

开通时候的损耗是：P1=12W；断开时候的损耗是：P2=56.6W；得出使用时候的损耗是：P3=53.8W。

由此可以看出若想减少开关的损耗，要在一定程度上提高逆变器的使用效率。

当今提升逆变器的效率可以用这几种措施：应用软件开发技术、提高逆变器相关结构和改良操控方法。

四、统领上文

就目前来说，用太阳作为能源的地区还仅仅占初级的时段，但是若用太阳能资源发电更健康长久的发展，要提前做好以下內容：1.继续研究开发用太阳能来作为电池里的新材料，加快太阳能电池光纤电转化的效率，2.探究用太阳作为资源的电池提高功率的跟踪计算方法，从而实现太阳能资源的跟踪功率；3开发光伏和太阳能资源的结合算法，有利于实现光伏能源和太阳能的效率高的组合；4.为了降低光伏对一些电网有冲击，进行开发太阳能和光伏的并网科技；5.研究并发掘建筑与太阳能源光伏电的有效结合，达到建筑进行自我的供电与绿色能源发电；6.为了更好的可持续的利用太阳能资源产业，研究并制定保护这一宝贵资源的相关法律政策，对太阳能资源进行保护。

参考文献：

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M]，北京：化学工业出版社，2005，8-195.

[2]崔容强，赵春江，吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M]，北京：化学工业出版社，2007，26-75.