太阳能光伏发电并网系统

苏梦梦+王进东+任有松+卢黄城

（西北民族大学电气工程学院 甘肃兰州 730124）

摘要：随着全球传统能源的日渐枯竭以及环境的恶化，全新的可再生新能源成为了当代科学家的热门研究方向。本文介绍了太阳能光伏发电并网系统，主要涉及了背景及意义、光伏发电主要技术、光伏并网发电系统的分类、组成以及常见问题。

关键词：新能源；太阳能；光伏发电；并网系统

1背景及意义

我国资源现状是资源总量大，人均占有量小，资源利用率不高，产业能源消耗结构不合理。目前，我国能源消耗结构中，煤炭、石油等不可再生能源依旧是我国能源消耗的最主要组成部分。

图1 我国主要能源人均拥有量占世界平均水平的百分比

随着传统化石能源的日益枯竭，绿色可再生能源得到了迅猛发展。太阳能是人类可利用的最重要、最丰富的可再生能源。它具有储量巨大，易开采，无毒无害，无污染等优点。在世界各国，太阳能光伏发电（Photovoltaic，PV）技术得到了相当高的重视，其已成为太阳能开发利用的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的研究，对缓解能源和环境问题，改善能源消耗结构，提高分布式发电系统性能，开拓光伏发电产业具有重大意义。

2光伏发电主要技术

太阳能光伏发电技术主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换（逆变器、充电器）、控制系统、储能系统、并网技术等领域，本文主要就光伏发电涉及的主要技术进行综述。

（1）太阳能电池

太阳电池技术是太阳能发电技术的主要组成部份。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。

（2）逆变器及控制系统

逆变器是一种电源转换装置，太阳能逆变器的作用是将太阳能电池产生的DC 电压转换成为电网兼容的AC输出。太阳能发电系统对逆变器的主要要求可靠、效率高、波形畸变小，功率因数高。

大型太阳光伏并网电站的控制逆变技术是太阳能光伏并网发电领域的最核心技术之一。光伏发电系统必须对电网和太阳能电池的输出情况进行实时监测，对周围环境做出准确判断，完成相应动作，如对电网的投、切控制，系统的启动、运行、休眠、停止、故障等状态检测，以确保系统安全、可靠的工作。

（3）并网技术

国际上并网光伏发电有两种应用方式，一种是在城镇的建筑屋顶或其它空地上建设，和低压配电网并联，光伏电站发出的电力直接被用户消耗，多余部分输送到电网；另一种是在荒漠建设，和高压输电网并联，通过输电网输送，降压后再供给用电负载。

光伏与建筑相结合的系统（BIPV）是一种先进、有潜力的高科技绿色节能建筑发电系统。BIPV是光伏并网一种重要的应用形式，主要在城镇安装光伏电站，它是我国未来光伏发电的主要发展方向之一。

（4）跟踪式光伏发电技术

影响光伏系统发电效率的因素主要有太阳光照幅照度、太阳能电池转化效率、光伏逆变器的工作效率等。在现有技术条件下，采用跟踪式光伏发电系统是提高太阳辐射利用率，降低成本的最佳方式。国外的研究显示单轴跟踪系统可以提高发电量 20%以上，而双轴跟踪系统则可以将发电量提高 40%之多。

（5）风光互补技术

风力与太阳能互补发电系统是科学利用自然现象的最新成果。将风力发电与太阳能发电技术加以综合利用，从而构成一种互补的新型能源，将是本世纪能源结构中一个新的增长点。

3光伏并网发电系统分类

3.1 根据光伏系统的运行方式分类

目前，地面太阳能光伏发电系统运行方式，根据是否与电网相连可分为独立型光伏发电系统和光伏并网发电系统。其中，根据用电负载的特点，独立型光伏发电系统还可以分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等。

3.2根据光伏系统的功能分类

目前，光伏并网发电系统作为分布式发电系统的一种，根据其系统功能可以分为两类：一种为不含储能元件的“不可调度式”光伏并网发电系统；另一种为包含储能元件的“可调度式”光伏并网发电系统。

3.3根据光伏系统的体系结构分类

众所周知，光伏系统追求最大的发电功率输出，系统结构对发电功率有着直接的影响：一方面，光伏阵列的分布方式会对发电功率产生重要影响；而另一方面，逆变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。

因此，根据光伏阵列的不同分布以及功率等级，可以把光伏并网系统体系结构分为6种：集中式、交流模块式、串型、多支路、主从、和直流模块式。

3.4根据并网逆变器的拓扑结构分类

光伏并网逆变器的拓扑结构是逆变器的关键部分，它关系着逆变器的效率和成本。一般情况，其拓扑结构可以大致分单级并网模式和两级并网模式两种。

单级式光伏并网系统拓扑结构如图2所示，主要特点是：通过光伏阵列串联提升直流侧电压等级，以满足并网逆变器正常工作时所需的直流母线电压，仅通过一次变换将直流功率转换成交流功率并馈送到电网上。与此同时，通过对逆变器并网功率的控制实现对光伏阵列最大功率点的跟踪。两级式光伏并网系统拓扑结构示意图如图3所示，其主要特点是：首先通过第一级 DC/DC 变换器将光伏阵列的直流电升压或者降压为满足并网逆变器要求的直流电压，同时实现对光伏电池阵列的MPPT；其次通过第二级DC-AC逆变器，将直流母线上的直流功率逆变为交流功率，实现光伏发电能量到电网的传送。

4光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统由光伏阵列、变换器和控制器等组成，见图4。变换器将光伏电池的输出直流电逆变成正弦交流电并入电网，控制器控制光伏电池最大功率点跟踪和逆变器并网电流的波形、频率和功率，使光伏发电系统向电网输送的功率达是光伏电池工作的最大功率。典型的光伏并网系统包括：光伏阵列、DC-DC变换器、逆变器和继电保护装置。

图4光伏并网发电系统

并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，而此系统中需要专用的逆变器，对逆变器提出了较高的要求，主要有：（1）要求逆变器输出正弦波电流；（2）要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行；（3）要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点；（4）要求逆变器具有体积小、可靠性高的特点；（5）在市电断电情况下，逆变器在日照时能够单独供电。

5光伏发电并网系统常见问题

5.1反孤岛保护

孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害设备，甚至会危及人员的生命安全。国际上均要求并网发电系统具有反孤岛保护功能，而反孤岛保护的关键即在于孤岛现象的检测。孤岛检测要求并网发电系统能够快速而准确的检测出孤岛现象，并及时断开并网发电系统与电网的连接。目前常用的孤岛检测方法包括被动式和主动式两种。

5.2直流电流注入

并网逆变器注入电网的直流分量可分为两种类型：共模型式和差模型式。其中，共模型式的直流分量（也称为接地故障电流）主要出现在光伏并网发电系统中，其原因是光伏阵列与大地之间存在有較大的寄生电容，寄生电容上的共模电压在光伏阵列-寄生电容-大地之间形成的通路之间产生了共模型直流电流分量。

5.3接地故障电流漏电保护

接地故障电流（简称漏电流），其本质为共模型直流电流。较大的漏电流不仅会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，还可能威胁到维修人员的人身安全。

参考文献：

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