分布式光伏发电系统浅论

摘要：分布式光伏发电作为新兴能源产业，分为独立和并网两种方式，由于光伏并网发电具有拓扑结构简单、成本低、易控制、效率高等优点，已经逐步成为未来光伏发电的热点。文章介绍了分布式光伏并网发电系统的主要构成、基本原理和关键技术以及对电网的影响、发展前景等内容，旨在对分布式并网发电技术的发展提供理论支撑。

关键词：分布式；光伏发电系统；并网发电；电力生产；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM615 文章编号：1009-2374（2016）13-0090-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.043

分布式光伏发电是一种新兴的、具有广阔发展前景的技术，具有输出功率较小、绿色环保等特点。该技术采取就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，利用光伏组件将太阳能直接转化为电能，既能缓解局部用电紧张状况，又能解决长距离输电的损耗问题，还能与大电网互为备用，提高供电可靠性，对于优化我国能源结构、促进节能减排、防治大气污染具有重要意义。

1 分布式光伏并网发电系统的基本原理

分布式光伏并网发电系统是近年来提出的“微电网”的一部分，是一个能实现自我控制、保护和管理的自治系统。其核心问题是使系统充分利用太阳能资源，在安装组件时应确保向阳光最充足的方向安装。其基本原理是利用太阳能电池组的光生伏打效应，通过并网逆变器，将光伏电池产生的直流电转换成与电网电压同频同相的交流电。太阳能转换为电能，主要分三步：（1）太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子-空穴对，电子带负电，空穴带正电；（2）电极性相反的光生载流子被太阳能电池产生的静电场分离开；（3）光生载流子和空穴分别被太阳能电池的正负极收集，在外电路中产生电流，形成电能。

分布式光伏发电系统主要分为就近较低电压等级并网和集中控制、高压单点两种并网方式。小型光伏发电系统对公共电网的影响相对较小，一般采用就近较低电压等级并网方式。大中型光伏电站通常并网容量大，对电网潮流影响较大，一般采用集中控制、高压单点并网方式。

2 分布式光伏并网发电系统的主要构成

分布式光伏并网发电系统主要由太阳能电池组件、光伏方阵支架、并网逆变器、蓄电池、直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、系统监控和环境监测装置等构成。其基本运行模式是，当太阳辐射时，太阳能电池组件将太阳能转换成电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器转换成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力由所接入的电网调节。

2.1 太阳能电池组件

太阳能电池组件是分布式光伏发电系统的核心部件之一，目前应用最广泛的太阳能电池组件是结晶硅组件，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，并加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹、便于安装等特点。太阳能电池通常由高纯硅材料制成，是一种半导体PN结器件。按照发电效率由高至低的顺序分为非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅电池、单晶硅电池和薄膜复合晶硅电池。其作用是将太阳能转化为电能，存储到蓄电池或推动负载工作。

2.2 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子器件，具备自动稳频和稳压的功能，能够确保光伏并网发电系统的供电质量。主要作用是将太阳能电池组件产生的直流电（12V、24V、48V）逆变成交流电，然后送入公共电网。主要性能指标是平均故障修复时间（MTTR）、故障率、可靠度、平均故障间隔时间（MTBF）。光伏并网逆变器分为电流源电流控制、电压源电压控制、电流源电压控制、电压源电流控制四种。为确保光伏并网发电系统具备良好的动态响应，光伏并网逆变器应选择电压源进行输入。如采用电压控制方式进行输出，需要使用锁相控制技术实现与电网同步的目的，但锁相回路响应时间较长，很难对并网逆变器输出电压值进行准确控制，易造成噪声环流现象，因此建议采用电流控制方式作为光伏并网逆变器的输出方式。为提高并网电流质量，光伏并网逆变器电流输出侧需使用合适的滤波器。同时为确保公共电网的安全，并网逆变器还要考虑三相电压、电流不平稳、欠压、防雷接地保护、短路保护、防孤岛效应等保护措施。

2.3 蓄电池

其作用是在有光照时储存太阳能电池板的电能，供负载使用。蓄电池一般使用免维护铅酸电池，也可使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。主要性能指标包括额定容量、低温放电和充电性能、充电效率以及深放电后的恢复性能、使用寿命等。

2.4 充电控制器

蓄电池因日照影响频繁充放电会出现过充电和过放电现象，缩短使用寿命。充电控制器能为蓄电池提供稳定的充电电流和电压，起到过充电（放电）保护的作用。

2.5 监测系统

监测系统由数据采集系统、数据传输系统和数据中心组成。其中，数据采集系统包括环境监测、电参数监测等设备，主要功能是从电压传感器、电流传感器、智能传感器、温度传感器等被测单元中采集数据，送至上位机进行分析处理；数据传输系统主要用于电站数据监测系统中监测装置与数据采集装置之间、数据采集装置与数据中心之间的数据传输；数据中心是指集中多个光伏电站数据的环境，将传感器采集的信息在数据中心进行处理和显示。

3 分布式光伏并网发电的关键技术

3.1 网络拓扑技术

分布式光伏系统的网络拓扑结构与传统的集中式发电系统相比，存在较大差异。研究设计分布式光伏发电系统的网络拓扑结构，关键要充分考虑当地太阳能的分布预测和负荷水平，在可用性、随机性方面给予正确评估。

3.2 分布式发电系统并网控制技术

分布式光伏系统具有多并网逆变器和多能量来源等特点，必须注重在并网运行中的相互耦合影响以及并网协调的控制问题。为实现负荷稳态的合理动态分配，必须注重多个逆变器在独立运行中的协调控制问题，同时还要深入研究能够适合于并网逆变器的无盲区孤岛检测问题。

3.3 锁相环控制技术

锁相环是控制光伏发电系统并网输出的交流电与市电同频共相的一项技术，它作为一种反馈控制电路，接受外部信号后，与自身系统信号比较，再通过其内部的相关环节控制内部环路信号的相位和频率，然后发出信号。

其中鉴相器主要负责检测输入信号和输出信号的相位差，并将相位差转化成电压信号的形式。当输入信号出现波动时，鉴相器的输出电压信号将产生纹波。环路滤波器主要负责将这些电压信号平均化，并去除纹波，得到较为稳定的电压信号。压控振荡器主要负责接受稳定的电压信号，并产生一定频率的输出信号，输出信号传到开关管的控制电路，控制开关管的开关，使逆变器的输出电能与市电同频共相。

4 分布式光伏并网发电对电网的影响

我国中低压配电网大多采用中性点不接地系统，属于单侧电源辐射性供电网络，而分布式发电系统接入配电网，使配电系统从放射性结构变为多电源结构，潮流和短路电流大小、流向以及分布特性均会产生变化，对电网造成不良影响。

4.1 对电压调节的影响

接入分布式光伏电源后，会造成局部配电线路的电压波动和闪变，既定的电压方案不能满足配电网电压调节的要求。

4.2 对电流保护的影响

接入分布式电源后，当电路发生故障时，主要对继电保护、重合闸等动作产生影响。比如：降低本线路保护的灵敏度，甚至出现本线路保护的误动和拒动；导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性；重合闸不能正常运行等。

4.3 出现非正常孤岛现象

孤岛效应是指当电网出现电气故障或其他原因中断供电时，并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成无法控制的自给供电孤岛。尽管当前绝大多数光伏逆变器采用了预测孤岛现象和切断电路的设计，但分布式光伏发电系统在多个逆变器并联且相互影响的情况下，仍会出现无法预测的孤岛现象，进而损坏用电设备，甚至威胁到电网检修人员的安全。

4.4 对电能质量的影响

分布式光伏发电系统的逆变器使用了大量的电力电子元件，逆变器并网易产生谐波、三相电流不平衡，造成电网电压波动和闪变。

5 分布式光伏并网发电的发展前景

近年来，为解决能源问题和环境问题，国外许多发达国家十分重视分布式光伏系统的研发，光伏发电产业发展很快。我国也加大了分布式光伏发电的支持力度，国家和地方政府相继出台了一系列促进光伏产业发展的相关政策。目前分布式光伏发电已在发电站、交通监控、景观照明、道路照明等领域得到广泛应用，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。当前应用最广泛的分布式光伏发电系统是居民自建房屋、城市居民小区、产业聚集区厂房等建筑屋顶上的规模较小的光伏发电项目，其显著优点是日照辐射好，不占专用地，光伏组件安装相对自由，系统效率高，便于大规模推广应用。据有关资料统计，2014年，分布式光伏发电建设规模占800万千瓦，超过建设规模总额的一半。国家公布的相关规划明确提出，鼓励在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电系统，鼓励单位、社区和家庭安装和使用分布式光伏发电系统，同时，屋顶问题、接入问题和贷款问题也将逐步得到解决。另外，国家将在每个省建设500MW分布式光伏发电应用示范区，分布式光伏发电将会在国内迎来更为广阔的前景。

参考文献

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作者简介：吴亚琼（1984-），女，河北石家庄人，石家庄科林电气股份有限公司初级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。