太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究綜述

楊　浩

摘要：由于太陽電池的主要原料一一硅的儲量十分豐富，隨著太陽電池研究的快進(jìn)程和轉(zhuǎn)換效率的不斷提高以及其與其相關(guān)之系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)電成本已經(jīng)現(xiàn)快速下降趨勢?？梢灶A(yù)料，太陽能光伏發(fā)電在人類社會的未來發(fā)展中必將占據(jù)越來越重要的地位。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏并網(wǎng)；發(fā)電

1光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和研究意義

光伏發(fā)電有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種工作方式。過去，由于太陽電池的生產(chǎn)成本居高不下，光伏發(fā)電多數(shù)被用于偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)，而且以戶用及村莊用的中小系統(tǒng)居多，都屬于離網(wǎng)型用戶。但是近年來，光伏產(chǎn)業(yè)及其市場發(fā)生了極大的變化，開始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)逐步向城市并網(wǎng)發(fā)電、光伏建筑集成的方向快速邁進(jìn)，太陽能己經(jīng)全球性地由“補(bǔ)充能源”的角色被認(rèn)可將是下一代“替代能源”。

光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)經(jīng)過近幾年的研究和發(fā)展，在技術(shù)上己近成熟，在電力電子技術(shù)先進(jìn)的德國、日本、美國和加拿大等發(fā)達(dá)國家己有成熟的、技術(shù)先進(jìn)的、性能優(yōu)秀的產(chǎn)品問世，從小功率幾十瓦到上百瓦、上千瓦的高頻光伏并網(wǎng)模塊，到高壓大功率的光伏并網(wǎng)逆變電源，品種繁多，不僅如此，其功能也很完善，多機(jī)并聯(lián)、獨(dú)立后備與并網(wǎng)發(fā)電兩用、多機(jī)組合群控、最大功率自動跟蹤、孤島效應(yīng)防止、遠(yuǎn)程調(diào)度管理等。

我國在光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)方面的研究經(jīng)過“九五”和“十五”的國家科技攻關(guān)，在基本理論和實(shí)用技術(shù)方面己經(jīng)取得可喜成績，在并網(wǎng)逆變的關(guān)鍵技術(shù)方面已有所突破，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)己有部分企業(yè)能夠生產(chǎn)并網(wǎng)逆變樣機(jī)產(chǎn)品，但在并網(wǎng)逆變技術(shù)的細(xì)節(jié)方面，與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有較大差距。例如，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的電磁噪聲和電磁兼容性問題，國內(nèi)相關(guān)研究并不多，但這一問題在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中卻相當(dāng)重要，要良好地予以解決在技術(shù)上也相當(dāng)困難。在并網(wǎng)逆變發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤方面，雖然國內(nèi)研究報道較多，原理也相當(dāng)簡單，但真正能夠?qū)崿F(xiàn)性能指標(biāo)優(yōu)秀的光伏陣列最大功率跟蹤還未能看見實(shí)際樣機(jī)。在適應(yīng)電網(wǎng)安全方面，對孤島效應(yīng)的識別方式和并網(wǎng)功率控制方式還缺乏詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。此外，光伏并網(wǎng)逆變器主電路的研究也較單一，適應(yīng)面較窄。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不僅僅涉及到太陽電池和并網(wǎng)逆變技術(shù)，還涉及到系統(tǒng)的控制和優(yōu)化問題，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的總體發(fā)電效率除與太陽電池效率、逆變器效率和功率控制方式有關(guān)外，同時也與當(dāng)?shù)氐木暥?、氣候、日照、和太陽電池陣列的傾角、方位角有關(guān)，提高光伏系統(tǒng)的全年總體發(fā)電效率是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到現(xiàn)代工程數(shù)學(xué)、現(xiàn)代控制理論、仿真技術(shù)、建模技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，多學(xué)科相互交叉，國外在經(jīng)過多年的大量的光伏應(yīng)用研究和運(yùn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，己經(jīng)建立了完善的全球各地區(qū)氣象年均日照和月均日照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，為光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和配套提供充分的依據(jù)條件，并研制成功專門的光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包，在風(fēng)力資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，也同時研發(fā)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，為方便光伏系統(tǒng)的推廣應(yīng)用、節(jié)省設(shè)備投資、降低成本、提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及供電的保證度等提供理論依據(jù)和優(yōu)良設(shè)計(jì)工具。

國內(nèi)在光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，己經(jīng)有部分院校做了相關(guān)研究，但由于存在大量的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)據(jù)的獲取、電站運(yùn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、研制經(jīng)費(fèi)的缺乏等原因，系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用推廣還有待時間和實(shí)踐考驗(yàn)，也還有待于進(jìn)一步的完善。相信隨著光伏系統(tǒng)在我國的普及和推廣應(yīng)用的發(fā)展，光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題會越來越受到人們的重視。

針對以上問題，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類

目前常用的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以為兩類，一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”;另一種為含有蓄電池組的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。

不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。白天，當(dāng)光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能超過本地負(fù)載所需時，超過部分饋送給電網(wǎng);其它時間，特別是夜間，當(dāng)本地負(fù)載大于光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時，電網(wǎng)自動向負(fù)載提供補(bǔ)充電能。當(dāng)電網(wǎng)故障或維修時，出于安全考慮，逆變器停止工作，而且必須使逆變器、電網(wǎng)和負(fù)載三者電氣斷開，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不再向電網(wǎng)和負(fù)載提供電能。

可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和前者相比，最大的不同處是系統(tǒng)中配有儲能環(huán)節(jié)(目前通常采用蓄電池組)，蓄電池組的容量大小按具體需要配置?？烧{(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在功能和性能方面較之不可調(diào)度式有若干擴(kuò)展和提高。但也帶來了若干嚴(yán)重的弱點(diǎn)，正是這些弱點(diǎn)使可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模當(dāng)前還難與不可調(diào)度式相比較，這是因?yàn)?

蓄電池組的壽命較短:目前免維護(hù)蓄電池在良好環(huán)境下的工作壽命通常估計(jì)為5年，而光伏陣列穩(wěn)定工作的壽命則在25一30年左右，因此只有為數(shù)較少的場合使用可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng);蓄電池組的價格在目前仍相對昂貴;蓄電池組較為笨重，需占用較大空間，如有漏液，則會泄漏出腐蝕性液體，此外報廢的蓄電池必須進(jìn)行后處理，否則將會造成“鉛污染”;不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的集成度高，其安裝和調(diào)試相對方便，可靠性也高。

3太陽能電池和三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

太陽能電池陣列是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，它的好壞直接關(guān)系到整個光伏系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。由于太陽能電池陣列是由若干太陽能電池組件串、并聯(lián)而成，為此，下面我們將介紹太陽能電池的工作原理。

太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體P一N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡言之，就是當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其它光照射半導(dǎo)體P一N結(jié)時，就會在P一N結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，就叫光生電壓。這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。使P一N結(jié)短路時就會產(chǎn)生電流。

眾所周知，物體的原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電子就像行星圍繞太陽轉(zhuǎn)動一樣，按照一定的軌道圍繞著原子核高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在太陽光輻射時，電子就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在它的原來地方留出一個空位，即半導(dǎo)體物理學(xué)中所謂的“空穴”。由于電子帶負(fù)電，空穴就表現(xiàn)為帶正電。當(dāng)太陽光照射P-N結(jié)時，在半導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生電子一空穴對，由于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，電子被驅(qū)向N型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)。離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P型區(qū)電勢升高，N型區(qū)電勢降低，P-N結(jié)兩端形成光生伏打電動勢，這就是P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各自向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在P-N結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流。在P-N結(jié)開路情況下，P-N結(jié)兩端建立起光生伏打電勢差，這就是開路電壓。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是太陽能電池發(fā)電的基本工作原理。若把幾十個、數(shù)百個太陽能電池串聯(lián)、并聯(lián)起來，組成太陽能電池組件，在太陽光照射下，便可得相當(dāng)可觀功率的電能。

光伏并網(wǎng)的工作原理就是要把太陽能電池組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并并入市電電網(wǎng)，可供正常的交流用電電器使用。目前廣泛應(yīng)用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的方案原理是:首先將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的形式，然后將電能調(diào)節(jié)成滿足SPWM全橋逆變器需要的直流電壓，最后經(jīng)SPWM全橋逆變器將太陽能回饋給交流電網(wǎng)。在整個系統(tǒng)最主要的環(huán)節(jié)(逆變器)中，采用的就是SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)逆變技術(shù)。根據(jù)電力系統(tǒng)準(zhǔn)周期并列的條件，采用SPWM全橋逆變電路的再生能源回饋電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)時應(yīng)同時滿足以下3個條件:①再生能源回饋電網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應(yīng)在10%以內(nèi);②逆變輸出頻率接近市電頻率，一般頻差不超過0.4Hz;③逆變輸出電壓和市電電壓同相，通常此相位差不宜超過10度。

光伏并網(wǎng)控制目標(biāo)是:控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相。

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