太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)概述

張洋

摘 要：目前常見(jiàn)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)其系統(tǒng)功能可以分為兩類：不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常用的結(jié)構(gòu)主要有集中式逆變器、集成式逆變器、串型逆變器和多重串型逆變器四種，并著重對(duì)其中兩種進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；逆變器

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有獨(dú)立運(yùn)行模式和并網(wǎng)發(fā)電模式兩種。在這里主要以并網(wǎng)發(fā)電模式為重點(diǎn)介紹。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅值、同頻、同相的交流電，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)連接的系統(tǒng)。

1.1 可調(diào)度式與不可調(diào)度式系統(tǒng)

目前常見(jiàn)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)其系統(tǒng)功能可以分為兩類：一種為不含蓄電池的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”；另一種為系統(tǒng)包括蓄電池組作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”?？烧{(diào)度式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)置有儲(chǔ)能裝置，兼有不間斷電源和有源濾波的功能，而且有益于電網(wǎng)調(diào)峰。但是，其儲(chǔ)能環(huán)節(jié)通常存在壽命短、造價(jià)高、體積笨重以及集成度低的缺點(diǎn)，因此，目前這種形式的應(yīng)用較少?？烧{(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與不可調(diào)度式相比，最大的不同是系統(tǒng)中配有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，通常采用鉛酸蓄電池組，其容量可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。在功能上，可調(diào)度式系統(tǒng)有一定擴(kuò)展和提高，主要包括：

（1）. 系統(tǒng)控制器中除了并網(wǎng)逆變器部分外，還包括蓄電池充放電控制器，根據(jù)系統(tǒng)功能要求進(jìn)行蓄電池組能量管理；

（2）. 在交流電網(wǎng)斷電時(shí)，可調(diào)度式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不間斷電源（UPS）的功能，為本地重要交流負(fù)載供電；

（3）. 較大容量的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還可以根據(jù)運(yùn)行需要控制并網(wǎng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)一定的電網(wǎng)調(diào)峰功能。

雖然在功能上優(yōu)于不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，但由于增加了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在著明顯的缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)是目前限制可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要原因，包括：

（1）. 增加蓄電池組導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加；

（2）. 蓄電池的壽命較短，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)其他部件壽命：目前免維護(hù)鉛酸蓄電池在合理使用下壽命通常為3到5年，而光伏陣列一般可以穩(wěn)定工作20年以上；

（3）. 廢棄的鉛酸蓄電池必須進(jìn)行回收處理，否則將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)用電設(shè)備以交流供電方式為主，光伏陣列發(fā)出的直流電需用逆變器將其轉(zhuǎn)化為交流電供負(fù)載使用。所以在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器起到了關(guān)鍵的作用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其功率等級(jí)有著密切的關(guān)系。目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常用的結(jié)構(gòu)主要有集中式逆變器、集成式逆變器、串型逆變器和多重串型逆變器四種。其中集中式逆變器主要用于光伏電站，后三種逆變器則廣泛應(yīng)用于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中。

1.2.1 集中式逆變器（Central inverters）

集中式逆變器結(jié)構(gòu)主要由光伏陣列、逆變器及直流母線構(gòu)成。它是光伏發(fā)電系統(tǒng)最早采用的逆變器形式。在該系統(tǒng)中所有的光伏器件通過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)光伏陣列，該陣列的能量通過(guò)一個(gè)逆變器集中轉(zhuǎn)換為交流電，因此稱這種結(jié)構(gòu)為集中式逆變器。

集中式逆變器的優(yōu)點(diǎn)：輸出功率可達(dá)到兆瓦級(jí)，單位發(fā)電成本低，主要用于光伏電站等功率等級(jí)較大的場(chǎng)合。為了獲取足夠的功率和電壓，它的光伏陣列由光伏模塊串、并聯(lián)構(gòu)成。

但光伏器件的這種串、并聯(lián)連接方式容易帶來(lái)了以下的缺點(diǎn)：

①同一陣列中光伏器件不僅受串聯(lián)模塊特性的相互影響，也受并聯(lián)模塊之間特性的相互影響，因此會(huì)影響光伏器件的輸出功率，該逆變器對(duì)光伏器件的利用率低于其它方式。

②光伏陣列中某一個(gè)組件被陰影覆蓋時(shí)，該組件不僅不能輸出功率，還會(huì)成為系統(tǒng)的負(fù)載，引起該組件的發(fā)熱。

實(shí)驗(yàn)表明：在環(huán)境溫度12攝氏度時(shí)，正常工作的組件溫度為22攝氏度，而受陰影影響的組件溫度可達(dá)70攝氏度。這不僅降低了系統(tǒng)的輸出功率，還會(huì)使組件的壽命縮短。另外，這種結(jié)構(gòu)需要高壓直流總線連接逆變器與光伏陣列，增加了成本，降低了安全性。

并且在直流輸入前端需要外加一個(gè)匯流箱才能滿足要求，這與逆變器本身的技術(shù)參數(shù)限制有關(guān)。這主要涉及到光伏組件串聯(lián)條件的限制，對(duì)于SG100K3型光伏并網(wǎng)逆變電源，其涉及到光伏組件的重要參數(shù)是Udc范圍（450-650），最大跟蹤電壓范圍MPPT（550-620），以及最大開(kāi)路電壓范圍Uoc（700-780） 。以某公司的多晶硅170Wp 為例（STC 條件下，25攝氏度，Vmp=35V，Voc=44.5V，Pm=270W），那么SG100K3型號(hào)逆變器的推薦Voc 和 Vmp 配置及光伏組件串聯(lián)的個(gè)數(shù)的方法為：串聯(lián)數(shù)最小值 n1=V1/Vmp，使用進(jìn)一法進(jìn)行取整，V1 為推薦MPPT 范圍的下限值；串聯(lián)數(shù)最大值 n2=V2/Voc，使用舍去法進(jìn)行取整，V2 為推薦Uoc 范圍的上限值。

根據(jù)上述的計(jì)算，每串光伏組件的串聯(lián)數(shù)應(yīng)為16-18個(gè)，即使選擇18個(gè)，那么其一串的額定功率也僅為3.06KW，如果不采用匯流箱，則最大功率不會(huì)超過(guò)20KW，不及額定功率的20%，所以匯流箱是必不可少的。

1.2.2 集成式逆變器（Module Integrated Inverter）

集成式逆變器（也叫做交流光伏模塊系統(tǒng)）是指把逆變器和光伏模塊集成在一起作為一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊。集成式逆變器系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：功率較低，一般在50W—400W。每一個(gè)集成式逆變器均有自己的MPPT電路，可以最大程度的發(fā)揮光伏器件的效能。這種逆變器與光伏模塊集成在一起的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，不需要直流母線，輸出端直接連接到電網(wǎng)上，提高了系統(tǒng)的安全性。

集成式逆變器和它所連接的光伏模塊本身就是一個(gè)可以獨(dú)立工作的完整的光伏系統(tǒng)。這個(gè)特性給系統(tǒng)的擴(kuò)充提供了很大的靈活性：用戶可根據(jù)所需要的功率選擇相應(yīng)數(shù)目的集成式逆變器。

另外，這種連接方式提高了整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性，即使某個(gè)逆變器發(fā)生故障，系統(tǒng)的其它部分也能正常工作。集成式逆變器還可工作在某些遠(yuǎn)離電網(wǎng)但需要交流電的應(yīng)用場(chǎng)合。但在同等功率水平條件下，集成式逆變器價(jià)格高于其它拓?fù)?，與大功率逆變器相比效率較低。由于集成式逆變器的結(jié)構(gòu)限制，一旦逆變器或光伏器件發(fā)生故障將會(huì)給逆變器的維修和替換帶來(lái)不便。

1.2.3 組串型逆變器（string Inverter）

組串型逆變器是指光伏器件通過(guò)串聯(lián)構(gòu)成光伏陣列給光伏發(fā)電系統(tǒng)提供能量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以避免并聯(lián)模塊因電壓跌落造成系統(tǒng)不能工作的缺點(diǎn)。

組串逆變器是基于模塊化概念，每個(gè)光伏組串（1kW-5kW）通過(guò)一個(gè)逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端并聯(lián)并網(wǎng)。許多大型光伏電廠使用組串逆變器，優(yōu)點(diǎn)是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時(shí)減少了光伏組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，從而增加了發(fā)電量。組串逆變器在組串間引入“主-從”的概念，使得系統(tǒng)在單串電能不能使單個(gè)逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串并聯(lián)在一起，讓其中一個(gè)或幾個(gè)工作，從而產(chǎn)出更多的電能。