光伏并網(wǎng)發(fā)電 / 獨立供電系統(tǒng)的工作原理探究

田 巍 劉國超

遼寧太陽能研究應用有限公司，遼寧沈陽 110136

2015年一部《穹頂之下》紀錄片震撼了整個中國。由此，清潔能源的呼聲越來越強烈。我國雖然能源儲量豐富，但是作為能耗大國，煤炭的過度開采、廢氣排放等讓大眾難以見到青天。尋找清潔、可再生、綠色的新能源刻不容緩。隨著我國工業(yè)水平與新興技術水平的不斷提升，對電力的需求也越來越旺盛，促使了人們對新能源發(fā)電技術的研究與應用。太陽能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，成為當下新能源開發(fā)的寵兒。

1 研究背景及其發(fā)展現(xiàn)狀與前景

當前國家已將“節(jié)能、減排”列入政府工作范圍，對新能源的研究和利用，給予大量的技術和資金扶持。資料顯示，太陽每秒照射到地球上的能量相當于500萬t煤燃燒所產(chǎn)生的能量，而且還不排放任何有害氣體。合理利用太陽光熱，并將其替代為能源，這將是未來人們所獲得能源的重要來源之一。

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術，具有安全性高、無噪聲、不受地形控制、無污染、建設周期短等一系列優(yōu)勢。隨著各類光伏發(fā)電技術不斷取得突破，我國的光伏發(fā)電技術得到了長足發(fā)展。從世界范圍來講，光伏發(fā)電尚處于初期的開發(fā)和示范階段，部分國家已進入到規(guī)?；l(fā)展階段。

我國早在2004年6月通過了調(diào)整優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結構的戰(zhàn)略方針。2005年2月28日通過了《可再生能源法》，讓新能源事業(yè)的發(fā)展有了法律依靠，成為全世界第二個頒布《可再生能源法》的國家。中央政策的扶持，有力地促進了我國以太陽能為首的新能源開發(fā)，尤其是光伏行業(yè)的發(fā)展已進入到一個新的高度。目前，我國光伏產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)以及產(chǎn)品開發(fā)能力不斷增強，并形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，在國際光伏產(chǎn)業(yè)占有重要地位。

2 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電與獨立發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)發(fā)電相較于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點，如不需要蓄電池、背靠電網(wǎng)等。在當前的發(fā)電系統(tǒng)研究中，正在不斷進行更加深入的研究。

2.2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理：將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娏?，然后再通過逆變器將光伏電池組成產(chǎn)生的低壓電流變成高壓交流電，最終連入電網(wǎng)。當白天有日照產(chǎn)生太陽能時，并網(wǎng)系統(tǒng)能將低壓電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，并供電器使用。當所發(fā)電的電力超出電器所消耗的電力時，電力將會逆流到電網(wǎng)，并由電力公司按規(guī)定價格進行收購。若所發(fā)電量不足以支撐電器消耗時，將由市電輸送。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、并網(wǎng)逆變器三大部分組成。

太陽能電池板：是整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元，當太陽能照射在太陽能電池板的電池列陣上時，電池產(chǎn)生光伏效應，并產(chǎn)生低壓電流，并將低壓電流轉(zhuǎn)化為直流電能。

太陽能控制器：由于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容易受到天氣、氣溫等外界因素影響，要保證整個發(fā)電系統(tǒng)常年可以輸出功率，需要引入太陽能控制器對電池板進行最大功率跟蹤控制。

并網(wǎng)逆變器：逆變器的作用就是將電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為可供電器使用及電網(wǎng)使用的交流電，進行有效補償或售出余額電力。

2.3 并網(wǎng)逆變器的算法

并網(wǎng)逆變器可以稱之為整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心。并網(wǎng)逆變器的算法直接關系到逆變器的轉(zhuǎn)換效率。逆變器主要由逆變電路、控制電路和濾波電路組成。逆變器工作室電路中的振蕩電路，會將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，線圈升降則將不規(guī)則交流電變?yōu)榉讲ń涣麟姡罱K通過整流器將方波交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ń涣麟姟?/p>

電子元件的開關需要一定的電子脈沖，電子脈沖則需要電壓信號來進行有效調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)電壓信號這一過程則稱之為控制電路。濾波電路的作用則是確保產(chǎn)生交流電的電子信號不失真，防止輸出電路中出現(xiàn)噪聲和干擾信號。

當前，光伏并網(wǎng)控制策略主要有以下四種方式：電壓源-電壓控制、電壓源-電流控制、電流源-電壓控制、電流源-電流控制。

2.4 太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)

太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理與并網(wǎng)發(fā)電原理類似，也是交流負載，只是太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)，不與市電并網(wǎng)，需要自己單獨儲備電力，不背靠電網(wǎng)，一旦長時間天氣狀況欠佳，無光照、儲備電力耗盡的情況下，將無電可用。

太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最根本的區(qū)別在于，獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)需要蓄電池，需要擴張安裝范圍，并且有一定的污染，在電網(wǎng)靈活性上有一定欠缺，在儲能和放能的環(huán)節(jié)容易造成一定消耗。

太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)，需要配備專門技術人員對化學電池進行管理?；瘜W電池是由化學能轉(zhuǎn)換為電能來輸出電力的裝置。獨立供電系統(tǒng)工作時，鉛酸蓄電池的電池組會儲存或者釋放能量來進行工作。

天氣晴好陽光明媚時，光伏系統(tǒng)為獨立逆變形態(tài)，可以根據(jù)太陽能電池板電磁列陣的容量來發(fā)電并對蓄電池進行充電儲能。到了夜間或天氣狀況不佳等情況下，蓄電池通過逆變來對外進行放能供電。

可見，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將是未來高效利用綠色能源的有效途徑。

3 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)目前仍存在的問題

太陽能光伏發(fā)電密度低，受太陽天氣因素制約較大。由于我國地處北半球，國土廣袤，地形地勢多樣，氣候多樣。導致太陽能光伏發(fā)電比較依賴天氣氣候。此外，并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)安全、維護成本、穩(wěn)定運營提出了新的要求。

3.1 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不夠穩(wěn)定

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率不僅依賴天氣，還依賴自身設備的影響。例如：光伏電池板的清潔狀況、逆變器的工作效率、諧波、溫度、濕度等多種因素。因此要想確保并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出電力，需要配備相應的備用發(fā)電機組供并網(wǎng)系統(tǒng)無法發(fā)電時使用，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，要做好相應的發(fā)電波動記錄，進行實施跟蹤，出現(xiàn)異常及時排查。

3.2 孤島效應

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容易產(chǎn)生孤島效應。通俗的講就是斷電后，供電系統(tǒng)仍然會帶電，這對維修人員的生命安全帶來一定威脅。同時這種孤島效應還會給用電設備帶來損害。因此在檢修或者設備出現(xiàn)異常時，或檢測到孤島效應存在時，要切斷并網(wǎng)逆變器。

3.3 短路保護問題

供電系統(tǒng)接入多個分散并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)后，短路電流會突然增大，長期不穩(wěn)定的輸電，容易使過流保護出現(xiàn)配合失誤。因此，需要安裝具有方向性的保護裝置來替代傳統(tǒng)的熔斷器保護裝置。

3.4 對電能質(zhì)量的影響

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要通過對分散低壓電源進線轉(zhuǎn)換為高壓然后通過逆變器最終并入電網(wǎng)的。太陽能光伏電池板組件將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)本身同頻率和相位的正弦波電流。在電流轉(zhuǎn)換過程中，容易產(chǎn)生噪音和諧波，容易對電能的質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在最終并入網(wǎng)的電流前要對光伏所發(fā)的電進行諧波檢測，確保電流符合相應標準才能批準入網(wǎng)，如果不符合，需要安裝濾波裝置來提升電能質(zhì)量。

4 結語

獨立供電系統(tǒng)在歷史長河中發(fā)揮了至關重要的作用，在如今許多地方仍發(fā)揮余熱。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當前太陽能發(fā)電技術中節(jié)能、成本低的太陽能利用方式之一。隨著光伏電池成本、氣候等因素制約，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逐步取代獨立供電系統(tǒng)，在當前的能源市場上發(fā)揮更大的作用與價值。隨著科學技術不斷發(fā)展，不斷突破，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在未來會更加高效、低廉，從而得到廣泛應用。

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