家用太阳能光伏发电并网技术研究

旦望云

（河南省许昌高级中学，河南许昌，461000）

0 引言

在全球及经济技术高速发展的今天，资源的匮乏和环境的污染在一定程度上束缚了发展速度的递增，太阳能作为一种清洁能源技术已经成为了经济技术发展的潜在需要[1]。随着我国对清洁能源技术的支持力度的加大，不少家庭都建设了家用太阳能发电装置，以实现电力能源的自给自足，同时，也出现了家用太阳能发电过剩情况，因此需要将剩余电力反馈回电网，避免电力能源的浪费，针对该问题，国家相关部门也出台了有关政策支持，但是将剩余电力反馈到电网是一个极其复杂的技术问题，需要得到及时的解决，才能达到并网目的。

本文结合对国家相关部门出台的家用太阳能发电并网政策，针对并网技术进行分析阐述，重点将论述家用太阳能光伏发电系统的并网控制策略，以此拓展对太阳能发电原理与电网并网技术的理解。

1 家用太阳能光伏发电系统

一般说来，当前主流的太阳能发电有两种实现方式，分别为太阳能热发电和太阳能光发电[2]。所谓太阳能热发电是指将太阳光的辐射能转化为工质（如水）的热能，然后借助热机（如汽轮机）实现热能到机械能再到电能的转化[1][3]。太阳能光发电是与热发电相对应的，是指直接将光能转变为电能的一种利用方式，本文阐述的家用太阳能光伏发电就属于太阳光发电类型。

1.1 系统组成与原理

家用太阳能光伏发电系统主要由太阳电池组（电池阵列）、太阳能控制器（充电控制器与放电控制器）与逆变器三大部分组成[4]，系统如图1所示。

太阳能电池板（电池阵列）是发电的核心元件其作用是将太阳的辐射能转化为电能，供家庭用电使用，或输送到蓄电池中。蓄电池会将电能进行储存在光照发电不能满足用电需求时，将电力进行释放。太阳能控制器起到控制太阳能发电系统的工作状态，并对蓄电池充电及放电过程保护(如在温差过大时提供温度补偿)。逆变器是并网技术的关键，它将太阳能发电系统发出的直流电转化为交流电并入到电网。

图1 家用太阳能系统组成示意图

1.2 系统功能的分析

本文研究的家用太阳能发电技术属于小规模发电，通常都是属于光伏发电，对于一般的太阳能光伏发电系统而言，其基本过程是借助太阳能阵列将太阳能直接转化成电能，根据不同的使用方式，发出的电能传递与转换方式有多种，对应的变换器种类也有不同，如可以是从太阳能电池到电网的DC(Direct Current)/AC(Alternating Current)变换，也可以先经过DC/DC变换，再经过DC/ AC变换组成两级转换过程。对于家用这种小功率光伏发电系统，由于实际输出电压比较低，因而通常需要先经过DC/DC变换升压，然后再通过DC/AC逆变，进而实现电能的传送[5]。

家用太阳能发电系统的一般功能可以分为四种，分别为直接向直流负载供电、蓄电池储能充电、经过逆变器向交流负载供电或向外电网送电。

(1)家用太阳能向直流性质负载直接供电：由于太阳能光伏发电产生的是直流电，可以通过DC/DC充放电控制器向直流性质的负载供电，如太阳能路灯系统。

(2)家用太阳能向蓄电池储能充电：蓄电池储能充电的功能是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

(3)家用太阳能向交流负载供电：在有光照的情况下，太阳电池组给能向蓄电池充电，蓄电池通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。

(4)家用太阳能向外电网送电：太阳能发电系统所发出的直流电能通过逆变器转换成交流电，向公共电网送电。

2 家用太阳能并网技术

家用太阳能光伏发电系统就像一个小型的发电厂，其并网也必须满足基本并网要求，但由于太阳能电池阵列发出的是直流电，因此其必须经过一个直流电变换为交流电的过程，即逆变过程，这是太阳能光伏发电并网的关键所在。

2.1 逆变器工作过程分析

太阳能光伏发电由于受外部环境条件影响，其发电具有间歇性与波动性等不确定性特点，要想接入输配电网，必须经过严格的参数控制，才能保证系统的安全稳定运行。逆变器就是一种将直流电变换成交流电的电能转换设备，在家用太阳能发电系统中，通过借助这种电能转换装置太阳能发电系统输出的低压直流电逆变转换成220V伏的交流电，以供给常规交流负载使用或直接并入电网。如当有正常日照时，太阳能电池阵列可以将光能直接转换为电能，产生一定电压的直流电，然后在DC/AC逆变器转换成220V交流电供电气设备使用。如果家用太阳能发电系统所发的电力超过家用电器设备负荷时，可以通过单相逆变转换装置将剩余的电力馈送到外部交流电网，该过程为送电到电网，相反，如果所发的电量无法满足家用电气设备使用时，联网系统可从外部交流电网输入电能。基本原理如图2所示。

图2 太阳能发电系统

家用太阳能发电系统并网过程本质上是将直流电逆变为交流电，将直流电逆变为单相220交流电，如式(1)所述，采用的单相并网逆变器原理结构如图3所示。

图3 单相并网逆变器结构

单相并网逆变器系统由直流输入端口、稳压滤波电容、单相全桥逆变电路、并网滤波器组成，逆变系统结构简单，效率较高，但是整个太阳能发电系统的所有控制算法都集中在逆变环节中，这导致实际应用的控制系统相对较复杂。

2.2 太阳能并网要求分析

由于电网传输的电力能源是具有固有的幅值、频率和相位的。从电网并网运行技术要求可知，单相并网技术主要有以下三个方面的要求：一是发电机的相序与电网一致；二是发电机的频率与电网相同；三是发电机的激磁电势动能与电网压力大小相等，且相位一致，以上多个条件如不同时满足，则极易造成电路紊乱等严重后果，轻则导致电网输电配电质量不好，重则导致重大电力生产安全事故。

2.3 太阳能并网控制策略

家用太阳能发电系统的并网逆变控制目标是通过有效的控制策略与控制算法，控制单相并网逆变器的输出电流为特定要求的正弦电流，常见的如式(1)所示，要求并网逆变器输出交流电与外部电网在幅值、频率、相位和相序上要保持一致，因此必须制定科学合理的控制策略实现并网控制目标。

综上所述，家用太阳能发电系统电池阵列输出的是低压直流电，必须经过特定的转变才能与外部电网进行并网，例如需要逆变、控制、检测和保护等技术保障。当然在常规情况下，这种单相逆变器必须和发电系统控制器相互协调配合、共同控制太阳能发电系统。

3 结论

家用太阳能发电技术已经得到了广泛的发展应用，本文从基于最简单的家用太阳能光伏发电系统介绍了光伏发电系统结构与原理及其相应的并网技术。从研究结果来看，太阳能并网过程必须进行严格控制，确保逆变器输出的交流电参数满足并网要求，减少对电网的冲击和干扰，同时家用太阳能发电系统也要能应对外部环境变化带来的不确定性，如光照强度、温度及家用负载的变化，必须通过特定的调节控制技术实现发电系统的最优运行目标。相信通过相关技术的成熟发展和应用积累，太阳能发电将会得到更加广泛的应用，为人类清洁利用能源提供有力途径。