光伏并网系统技术的特性和体系结构

摘要:随着全球经济的继续发展，能源危机已经日益凸显，化石燃料逐步消耗殆尽，越来越多的新型分布式发电系统被开发出来。在众多分布式发电系统中，太阳能发电越来越受到各国的重视，开发了各式各样从集中式的大容量太阳能发电站到家庭式分布式发电系统的项目。我国光伏电池组件产业随着国际市场的大量需求得到了迅猛发展，产量一度达到了全球的70%之多。然而，随着欧盟和美国对我国光伏产品征收惩罚性关税，我国光伏产业陷入了低谷，大量的光伏产能无法得到消化，导致了大批企业的亏损乃至破产。对此，我国政府和各大电力公司均出台了各类政策鼓励光伏发电系统并网。本文就光伏并网发电系统特点进行了阐述，最后本文对此系统的体系结构进行了简要分析和介绍。

关键词: 光伏并网 孤岛效应 直流模块

中图分类号：TK511文献标识码： A

太阳能的利用方式主要有光热利用、光伏利用和光化学利用三种形式。其中，随着太阳能电池技术的飞快发展和转换效率的不断提高，光伏发电成本越来越低。光伏发电的方式主要分为离网方式（stand-alone mode）和并网方式（grid-connected mode）两种。过去，光伏发电系统多数被用于远离供电网络的地区，多以中小系统为主，大多属于离网方式。80年代初，一些发达国家便开始试验性的建造了一批大型的光伏并网电站。90年代后，国外新的光伏并网系统又大多转向了小容量的分布式并网方式，如德国的“1000个光伏屋顶计划”等。而且其灵活性和经济性也都强于大型光伏并网电站。

对于分布式并网发电系统来说，并网逆变技术是其核心。逆变器是连接光伏阵列与交流电网的关键环节，主要任务是完成光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）和向电网注入正弦电流。同时，并网逆变器还需要具有防孤岛效应和安全隔离接地的功能。光伏阵列的输出电压和电流特性曲线如图 1-2-1所示。光伏阵列处于不同工作点时输出功率也是不同的。

为使光伏阵列能够始终助于最大的功率输出工作点，需要一定的控制策略控制逆变器。这一技术称之为最大功率点跟踪。其基本原理是：通过检测光伏阵列电压电流的工作点，调整输出端的输出电压使得光伏阵列工作于最大的功率输出点处，通常使用控制逆变器来达到此目的。已经出现的MPPT控制策略已经至少有十九种之多，常见的有：定电压跟踪法（Constant Voltage Tracking，CVT）、扰动观察法（perturb & observe algorithms，P&O）电导增量法（Incremental Conductance Algorithm）、模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）和神经网络法（Neural Network）等。

光伏并网系统的拓扑结构可分为集中式结构、交流模块式结构、串行结构、多支路结构和直流模块式结构等。各类不同的体系机构适用于各种不同情况的光伏并网系统，主要随着光伏并网系统的发电量、规模和地形等情况变化。

孤岛效应（Islanding）是指电网失压时，光伏系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。孤岛的产生将会以下危害：

危及电网输电线路上维修人员的安全；

影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；

单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。

因此，孤岛效应是不允许产生的。孤岛发生时必须快速且准确地切离并网逆变器。 对于反孤岛的策略也已经发展的较为完善，其策略分类如图 1-2-2所示

由世界各地的光伏并网装机容量可见，在日本和欧洲等国所占比列最大，其中一个重要的原因是这些国家和地区的电网相对小，电网情况相对较简单，易于光伏并网。而在我国，复员辽阔且各地电网相差较大，情况复杂多变，用电量增速非常快。因此，光伏并网在我国的实现，同时也需要大量的电力系统及继电保护方面的技术支持。

光伏并网系统的体系结构已经出现了很多，如集中式、交流模块式等等。在众多光伏并网体系结构中，直流模块式结构，随着各类分布式发电技术的应用和直流微网（Microgrid）技术的发展，逐渐凸显了出来。[2]

直流模块式结构由四大部分组成：光伏发电直流模块、储能能电池模块、直流母线和逆变模块。光伏发电直流模块由光伏列阵、DC-DC变流器及其控制电路组成，其主要功能是将光伏阵列产生一定电压电流的功率经过变换输送到直流母线上。储能电池的作用主要用于“削峰填谷”，在直流母线功率足够的时候将电能储存起来，在功率不足的时候可降功率反馈给直流母线，因此储能电池与直流母线间需要使用DC-DC双向变流器（Bi-directional Converter，BDC）。在逆变器部分采用的也是双向变流器，实现了直流母线与市电电网间功率的双向流动[2]。

在一体系结构中，直流母线作为了功率汇集的中间环节。光伏阵列与市电电网间、储能电池与光伏阵列间的功率传输都要先通过直流母线。这样可以方便的将各个模块切离系统，并有效隔离。同时，每个光伏阵列采取了独立的MPPT电路，能够保证把每个光伏组件均运行在最大功率点，最大限度地发挥出了每一个光伏阵列的效能提高了转化效率。并且能够抵抗局部阴影以及组件电气参数失配对系统的影响，适合在不同大小，安装和角度特点的场合使用。这样模块化的设计使得系统构造灵活性和即插即用性非常好，易于标准化，适合批量化生产，降低系统成本。

结束语：全球能源危机日益凸显，各类清洁能源纷纷崭露头角。其中太阳能发电系统因其空间利用率高等特点受到了广泛的重视。同时，日益增多的直流用电设备使得直流供电电源的需求猛增，在未来，人类生活将会更加的智能化，能源的供应也需仅仅跟上时代。就目前来看，还没有其他任何一种能源能够替代电能。在详细了解了国内外光伏市场现状以及相关技术领域的发展情况后，认真搜集了大量文献与技术资料。本文给出了系统的体系结构。在最后针对系统实现过程中的技术难点进行了简要分析。

参考文献：

[1]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥工业大学,2003.DOI:10.7666/d.y511754.

[2]张兴，仁贤等编著. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]. 北京市：机械工业出版社, 2011.01.

[3]吴卫民,何远彬,耿攀,钱照明,汪生.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报,2012,(第1期).

[4]赵彪,于庆广,王立雯,肖宜.用于电池储能系统并网的双向可拓展变流器及其分布式控制策略[J].中国电机工程学报,2011,(第S1期).