光伏并网专利技术综述

杨欢

引言

光伏并网系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界光伏发电的主流发展趋势[1]。本文从光伏并网的专利文件出發，从光伏并网的技术分支、技术演进、专利申请趋势、主要申请人及重点专利分析等几个方面，分析光伏并网的技术发展状况。专利数据选取的时限为2018年5月1日前公开的申请。

一、技术原理及发展概述

1.1光伏并网的组成及原理

光伏并网系统就是光伏发电系统与常规电网相联，共同承担供电任务。光伏发电进入大规模商业化应用的必由之路，就是将光伏系统接入常规电网，并网发电。光伏并网系统通常包括：太阳电池阵列、控制器、逆变器和公共电网[2]。

1.2光伏并网的技术分支

通过对现有专利申请的分类统计，得到光伏并网领域的技术分支及各分支的申请数量如图1所示。从目前的专利申请来看，光伏并网的研究主要集中在光伏并网的组成结构，以及并网后对电网所带来的影响。其中，对于逆变器的专利申请更是占据所有申请中的40%，而最大功率点跟踪技术是逆变器研究中的热点，超过300件申请。

1.2.1太阳电池阵列采光跟踪技术

太阳电池阵列的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直90度时发电量最大，改变入射角，发电量就明显下降，太阳电池阵列采光跟踪控制技术应运而生。所述太阳电池阵列采光跟踪控制即是根据太阳的位置变换而自动变换吸收光能的最佳位置，从而增加太阳电池阵列的采光率。太阳电池阵列跟踪控制通常具有四种工作状态：常态下的对日跟踪状态、间歇式跟踪、自动回位、恶劣天气的保护。

1.2.2并网逆变器

并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件和技术关键，它的主要任务是将太阳能电池阵列产生的直流电转化为交流电，并对转化后的交流电的性能指标进行控制，最终将太阳能电池阵列输出的直流电能转换成为与市电电网电压同频率、同相位的交流电能，而后输送给市电电网。

（1）逆变器拓扑。并网逆变器拓扑结构可分为单级式和多级式[3]。并网逆变器由单级到多级，电能转换级数的增加，能够方便满足最大功率点跟踪的要求，也更符合直流电压的输入范围。

（2）最大功率点跟踪技术。在光伏发电系统中，当太阳能电池运行于不同的外界环境条件下时，有且只有一个最大功率点与之对应。因此在光伏发电系统的运行中，需要通过相应的最大功率点跟踪技术，使太阳能电池工作于最优状态，即最大功率点附近，最终实现太阳能电池对太阳能的利用率达到最大化。常用的最大功率点跟踪方法包括扰动观察法、电导增量法。

（3）谐波抑制技术。光伏逆变器中含有大量的电力电子元器件，在直流逆变为交流时不可避免地会产生谐波，对电网会造成谐波污染，并且在并网逆变器输出轻载时谐波明显变大，在额定出力的20%以下时。电流谐波总畸变率会超过5%。如果电网中含有多个谐波源，还有可能会产生高次谐波的功率谐振。因而在保证逆变器自身可靠性的同时，还需降低线路电流谐波总含量。因此，对光伏并网系统中的谐波进行准确且快速的测量分析是很有必要的。

1.2.3并网影响

（1）孤岛检测技术。所谓孤岛效应，是指在分布式发电并网系统中，当主体电网由于电气故障、停电检修或其他人为因素中断供电时，各个并网系统没有检测到停电状态将自身切离，而是继续供电，与周围负荷形成了电力公司不可控制的自给供电孤岛的现象。目前孤岛检测方法主要分为主动检测法和被动检测法。

（2）配电网规划与调度自动化。光伏电站的接入可消除配电网的过负荷和堵塞，增加配电网的输入裕量，在一定的发电配置和电压调节方式下，可缓解电压暂降，提高电压调节性能。但是PV接入会改变电网潮流，或者向电网反送功率，会使配电网可调度的发电容量减少。而其自身又不具有调度自动化功能，不能参与电网频率以及电压的调整，这无疑会进一步减少配电网可调度的发电容量，从而会对现有配电网的规划、调度运行方式产生影响。

二、光伏并网的发展趋势与现状

2.1专利申请趋势

图2显示了光伏并网技术领域的专利申请量的年度变化趋势。从图中可以看出，在全球范围内，该领域的专利申请始于1999年，光伏并网相关技术从无到有，1999年至2006年间缓慢发展，从2007年开始，进入快速发展阶段，申请量迅速增长，尤其是2010年至2014年，申请量大且数量增长速度非常快，但随着光伏发电技术的日渐成熟，2015年以来，申请量逐渐减少。

2.2主要申请人分布

图中显示了主要申请人及其申请量分布，其中，国家电网公司的申请量明显高于其他申请人，超过三分之一，处于绝对领先地位，其次为阳光电源股份有限公司、特变电工新疆新能源股份有限公司、中国电力科学研究院。此外，在大专院校中，以东南大学、西安理工大学、华北电力大学（保定）、浙江大学的申请量较多，都对该领域展开了研究。

三、总结

本文基于光伏并网的专利申请文献，介绍了光伏并网技术的组成及原理、技术分支，并对该技术领域的专利申请趋势、重点申请人进行了分析。通过上述工作，对光伏并网技术领域有了更加全面和深入的认识、理解，增加了本领域技术人员的知识储备。

参考文献：

[1]李伟，太阳能光伏并网发电系统的分析，《科技尚品》，2016，2：82

[2]陈炜、艾欣、吴涛、刘辉，光伏并网发电系统对电网的影响研究综述，《电力自动化设备》， 2013，33（2）：26-32

[3]张尧、晁勤、吴春艳、徐立军，光伏并网逆变器研究综述，《电器与能效管理技术》，2016，17：7-11