大容量并网光伏电站技术综述

2017-08-07王鹏

电气技术与经济 2017年3期

关键词：大容量电池组谐波

王鹏

（华能青海发电有限公司新能源分公司）

大容量并网光伏电站技术综述

王鹏

（华能青海发电有限公司新能源分公司）

光伏发电技术是解决人类能源紧缺问题以及环境污染问题的有效方法，大容量并网光伏电站作为光伏发电技术应用的重要方面，其中有很多技术问题值得深入探讨和研究。本文简要介绍了光伏发电并网的运行机理，并探讨了当前大规模并网电站中常见的问题，在此基础上分析了未来大容量并网光伏电站的技术发展趋势。

光伏电站；大容量；并网；逆变器

0 引言

在经济快速增长的驱动下，我国能源生产和消费持续大幅增长，光伏发电作为可再生能源中优先发展的产业，受到了我国各级政府的大力支持，先后出台一系列的产业促进计划，强力推动了产业的发展。在技术层面，光伏发电应用总体分为分布式光伏发电系统和大规模集中式光伏发电技术。并网光伏发电在我国呈现出“分散开发、低压就地接入”与“大规模集中开发、中高压接入”并举的发展特征。大型的太阳能电站在我国西北地区如宁夏、甘肃等地得到了较好的运用和发展。预计2020年底，中国光伏电站装机容量将达到50GWp，按照2017年初价格计算，国内市场规模将达到6000亿元，可见市场前景极为广阔。

1 大容量并网光伏电站系统构成

如图1所示，光伏发电系统包含了大量的电池组件光伏阵列，电池组件经过串联后连接到汇流箱，一个串列中的一块电池组件如果出现问题故障，往往会引起整个串列电池组件的发电故障，甚至会影响其他串列的正常工作，因此对光伏电池组件故障的及时发现和处理是非常必要的。实际应用中一般在汇流箱内安装有可通信的智能采集装置，对每一个电池组串列进行电流、电压等参数的监控，并实时将参数反馈到主监控系统中，来实现对大规模光伏阵列的集中监控。

图1 大型并网光伏电站的系统组成

逆变器是光伏发电系统中的核心元器件，其主要功能是将光伏阵列侧的直流电转换为并网侧的交流电，实现并网和各种故障的处理。在我国西北地区的大型光伏电站系统中逆变器往往可以根据日出、日落自动并网、离网，夜间切换至待机状态功耗极低，实现无人值守，并集成了RS485通信接口，实现远程集中监控，而且可以通过远程通信调整输出功率，在非逆流型光伏电站应用场合配合逆功率监测装置协同工作，可实现对逆流的管理和控制。逆变器转换的交流电往往要经过滤波处理以及经变压器升压至中高压后才能变成满足用电质量要求的交流电能，然后才能进入并网柜并入电网。

并网柜的主要功能是负责对并网侧的各类电力参数进行测量，包括电压、电流、功率、功率因数、电量、谐波等，其结构包含了断路器以及电力仪表等器件。

2 大容量并网光伏电站的特点及问题

2.1 主要特点

与小型光伏电站或分布式光伏电站相比，大容量并网光伏电站具有以下技术特点：

并网难度大，在参数设置不当或不稳定系统中，所产生的电能质量较低，且功率不稳定，容易对本地电网产生干扰，引起电网电压波动或孤岛等。光伏发电作为无旋转惯量、小时间尺度的电能形式，保证电网安全稳定运行的技术难度往往随着电站并网规模的增大而提高。

系统中采用的逆变器种类多、容量大，实践中往往采用多个逆变器组合，并由变压器升压到中高压（10/35kV）并网的方式。通过增加逆变器的数量来提高电站并网系统的冗余度，并在光照条件较差时使某些逆变器停止工作从而提高电能的转换效率，此技术的缺点是随着逆变器的增多，系统中环流和谐波放大等现象也会增多，而这些因素往往是影响电能质量的关键。

光伏阵列规模较大，不能保证所有组件性能一致。电池组件的性能一方面与生产厂商以及型号等固有特性有关，另一方面与其所应用的工作环境有关，例如组件的光照强度、工作温度不同，电池组件的性能也不相同。为达到理想的光伏阵列组合特性要求，要尽可能地减少组件的内部损耗。

2.2 主要问题

正是基于以上的技术特点，大容量光伏电站并网出现了一些小容量光伏电站所不具有的技术难题。

（1）谐波超标，难以抑制

光伏发电并网系统中单台逆变器所产生的谐波影响并不大，但在大容量系统中多台逆变器并联后，所产生的谐波相互作用，经过滤波以及长距离运输后很可能会形成某些次谐波严重超标，影响了电能的质量。谐波问题是发展大容量光伏电站并网的主要问题之一。

（2）光伏阵列特性曲线变化较多，难以分析

正是由于光伏阵列规模大，各组件特性差异的特点，大面积的光伏组件输出特性也变得非常复杂，不同于单个组件的理想特性，其P-V输出特性、温度特性等都呈现出复杂的变化规律，严重影响了电站的发电效率。

如图2所示，4块单个光伏阵列组合后，输出的特性曲线出现了多个峰值，这就使一些最大功率跟踪技术难以发挥出应有的作用，从而使直流母线电压无法跟踪每一个光伏阵列的最大功率点，造成后续逆变环节输出电流纹波的增大。目前，还未研究出真正有效的控制算法或控制方案。

（3）光伏阵列的热斑效应

光伏阵列的热斑效应是指太阳电池组件在阳光照射下，由于部分组件受到遮挡而带负压，相当于电池组的负载，并产生热量，随着热量的聚集局部会出现烧坏的暗斑。热斑效应可能导致整个电池组件损坏。光伏阵列的热斑效应与其内阻及自身暗电流大小有关，在大面积光伏阵列中，热斑效应所引起的危害要远远超过其在小容量光伏发电系统的危害。

3 未来技术方向

图2 大面积光伏阵列的P-V输出特性

大容量并网光伏电站技术中的难题由来已久，人们研究的领域重点在如何更好地提高光伏转换效率方面。针对大面积光伏阵列特性追踪问题，需要人们寻找出更有效的控制算法和监测技术。多台逆变器同时并网时产生的谐波问题，也是目前亟待解决的关键技术性问题。

在光伏发电系统的效率计算中光伏转换效率比重很大，如果不妥善解决，会导致整体效率下降转换效率决定于转换系统的工作点，最大功率点跟踪（MPPT）控制能够使工作点处于最优位置，改善转换效率，减少发电成本，是目前应用比较成熟的技术，在逆变器的拓扑结构、控制算法以及开关器件等方面，MPPT和光伏模组的结构转换结合会向更智能、逻辑判断更强的控制算法的方向发展。