太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

牛美英 渠基磊

摘要：現(xiàn)階段的能源危機弊病逐漸浮現(xiàn)在人們視野中，同時加上資源的過度開采，全世界各個國家地區(qū)對可再生能源的開發(fā)重視程度也在不斷增強。在眾多可再生能源中，太陽能這種清潔、無污染公害的新能源普遍受到各界的青睞與關(guān)注。同時，對于太陽能的利用，研究其發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)早已成為太陽能研究領(lǐng)域的主要難題，是我們在本文中闡述的重點。

Abstract： At present， the shortcomings of the energy crisis are gradually emerging. At the same time， with the over-exploitation of resources， the importance of renewable energy development in various countries and regions around the world is also increasing. Among many renewable energy sources， solar energy， a clean， pollution-free new energy source， has been widely favored and concerned. At the same time， for the utilization of solar energy， research on its power generation grid-connected system has long been a major problem in the field of solar energy research， and it is the focus of this paper.

關(guān)鍵詞：能源危機;可再生能源;太陽能;發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

Key words： energy crisis;renewable energy;solar energy;power generation grid-connected system

中圖分類號：TM61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0248-02

0? 引言

眾所周知，現(xiàn)代社會的發(fā)展離不開能源的開發(fā)與利用，但是顯然眾多化石能源的利用使全球環(huán)境日漸變暖。同時這些不可再生能源終歸是有限的，種種矛盾現(xiàn)象下，開發(fā)利用可再生能源早已成為世界發(fā)展趨勢。尤其是各種可再生能源，無論是開發(fā)還是利用均符合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。太陽能在其中便是一種十分優(yōu)秀的可再生能源之一，研究太陽能離不開其發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而其系統(tǒng)又被稱之為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。其中的分支應用與關(guān)鍵技術(shù)屬于研究重點，同樣也是太陽能領(lǐng)域的重點內(nèi)容。

1? 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理

在日常生活中我們絕大多數(shù)人都聽過或看過、使用過太陽能設備，比如最常見的太陽能熱水器、太陽能手電筒以及太陽能計算器等，這些設備的應用均離不開電能，而這些電能又是從太陽能中轉(zhuǎn)化出來。因此，在太陽能光伏發(fā)電中可以幫助所吸收到的太陽能通過太陽能導電類型的半導體材料中，通常由P型與N型兩種同質(zhì)半導體材料所組成的P-N結(jié)構(gòu)，可以將太陽能輻射進行吸收，從而產(chǎn)生一種非平衡的載離子，在復雜的條件下形成直流電，利用光伏并網(wǎng)逆變器將所形成的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，輸入電網(wǎng)并利用。而直流并網(wǎng)也是現(xiàn)階段太陽能的主要研究方向，對此，我們可以將這種系統(tǒng)視之為利用光生伏特效應將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡僖阅孀兤鞯淖饔孟罗D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。其系統(tǒng)組成包括光伏陣列、逆變器等組成部分，其中的太陽能電池控制方式十分靈活，無論是不同電流還是不同電壓都可以利用自由組合與拆分的形式改變組件，使之更好地服務于太陽能應用。而逆變器的主要作用是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，其設備又被分為并網(wǎng)逆變器以及獨立逆變器，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所應用的逆變器多以并網(wǎng)逆變器為主，對電能進入電網(wǎng)中有著十分理想的效果與應用質(zhì)量。

1.2 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點

從光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應用上來看，其發(fā)電原理十分先進，可以幫助太陽能的光子直接轉(zhuǎn)化為電子，在這個過程中并沒有多余的機械運動以及其他轉(zhuǎn)化過程，在很大程度上使太陽能的發(fā)電效率變得十分迅捷;同時，我們可以不難發(fā)現(xiàn)太陽的利用幾乎等同于取之不盡用之不竭，而太陽能本身就屬于無毒無公害，不僅能夠可再生，還具有十分環(huán)保的應用特點，哪里能受到太陽的照射，哪里就有太陽能，其資源的應用與開發(fā)我們?nèi)祟惒⒉恍枰獙ζ溥M行焦慮;其次，在傳統(tǒng)的發(fā)電中我們可以發(fā)現(xiàn)許多缺點，比如火力發(fā)電有一定的燃燒過程，還會排放出二氧化碳引起溫室效應的產(chǎn)生，也會伴隨陣陣機械聲音，而太陽能發(fā)電全程沒有噪音、沒有污染，對現(xiàn)階段的環(huán)境來講十分友好，符合可持續(xù)發(fā)展理念;最后，太陽能電池模塊結(jié)構(gòu)十分方便，不僅便于拆卸，還能隨時隨地擴大發(fā)電容量，并且在運作過程中不需要人力資源對其進行看守，后期的檢修維護成本也十分低。種種諸多優(yōu)點促進太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

1.3 PWM逆變技術(shù)

1.3.1 基本原理? 對于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來講，其中的PWM逆變技術(shù)占據(jù)十分關(guān)鍵的地位，能夠移開自身的脈寬調(diào)制應用改變脈沖寬度，進而起到控制輸出電壓的作用，通過改變其中的脈沖周期改變輸出電壓的輸出頻率，也就是說將電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，達到控制電流的目的。

1.3.2 優(yōu)缺點對比? 其優(yōu)點十分顯著，不僅有著低廉的硬件成本，同時對外圍電路的簡化有著極大地降低，對儲存電池的破壞程度十分小，還能對其中的涓流大小進行控制。而其中的缺點也比較多，對電流的控制精度比較低，所能控制的最大精度在50mA左右，這一點十分明顯。其次，其充電效率相對而言并不是很高，在充電中因為其PWM調(diào)整速度通常比較慢，造成充電時間較大的缺點。但是總的來說其應用利大于弊，在全國各地的推廣價值比較高。

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成與功能

1.4.1 太陽能電池? 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是其中的核心設備，前面我們也提及到能夠自由拆卸，十分方便。這是因為太陽能電池單體的尺寸一般比較小，最小的僅4cm平方不到，最大的也不過200cm平方，其工作電壓一般在0.5V左右，工作電流大概在25mA左右。太陽能電池通常先進行串并聯(lián)后才能進行利用，其應用功率最大不過幾十瓦左右，眾多太陽能電池組件在組成與安裝上可以構(gòu)成太陽電池方陣，對于負載所要求的的輸出功率在絕大多數(shù)情況下都有十分顯著的應用意義。

1.4.2 儲能蓄電池? 儲能蓄電池作為存蓄電能的一種裝置，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將太陽能的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并存蓄在儲能蓄電池中，因此，其應用意義同樣十分關(guān)鍵。不僅能夠起到儲存電能的作用，還能在負載用電量過大之際對負載補充電能，從而對供電電壓的穩(wěn)定性有著一定的穩(wěn)定作用。而我國太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所應用的儲能蓄電池多以鉛酸蓄電池為主，其設計容量通常在電負荷日耗電量的五倍至十倍以內(nèi)。

1.4.3 充放電控制器? 顯然儲能蓄電池在應用中離不開控制器的控制作用，這是因為在日常的充電與放電過程中如果發(fā)生過度充電或者過度放電的現(xiàn)象都會對蓄電池的使用壽命造成十分嚴重的影響作用。對過度充電來講，過度充電造成蓄電池產(chǎn)生大量的電解水，從而將其中的活性物質(zhì)進行脫落，減少其應用壽命，而過度放電則會導致其中的柵板腐蝕速度加快，同時還會造成硫酸化的現(xiàn)象，這些都會對儲能蓄電池造成相當大的影響作用。因此，充放電控制器的應用具有十足的必然性，能夠通過蓄電池的電壓與荷電狀態(tài)進行判斷，從而根據(jù)判斷結(jié)果起到控制停止充電或者放電的作用。

1.5 孤島效應與抗孤島效應

1.5.1 孤島效應的概念? 所謂孤島效應指的是如果電網(wǎng)在遇到故障事故或者因為停電維修而產(chǎn)生跳脫的現(xiàn)象時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有及時將停電狀態(tài)檢測出來，從而導致該系統(tǒng)與市電網(wǎng)絡進行分離，形成一種系統(tǒng)與周圍負載所組成的自給供電孤島現(xiàn)象。

1.5.2 孤島效應的危害? 如果一旦在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島效應，很容易對電網(wǎng)輸電線路上的維修人員造成一定的安全危害，還會對配電系統(tǒng)的保護開關(guān)造成較大的破壞。同時，對于所傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量造成十分嚴重的影響，在孤島效應區(qū)域內(nèi)的供電電壓將變得極其不穩(wěn)定，即使供電恢復正常狀況，相位不同步的現(xiàn)象也會十分顯然，而一般的單相分布式發(fā)電系統(tǒng)也因此轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘭撦d欠相供電。所以，對其光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行抗孤島效應檢測便具有十分必然性。

1.5.3 抗孤島效應檢測? 為了用電安全以及用電質(zhì)量來講，孤島效應一般堅決杜絕出現(xiàn)，因此，其光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器在選擇中必須具有抗孤島效應的功能作用，從而在孤島效應出現(xiàn)時及時切斷逆變器。在現(xiàn)階段抗孤島效應的保護方案中通常有兩種，一種為主動式抗孤島效應保護方案，一種則為被動式抗孤島效應保護方案。而被動式方案一般是利用逆變器在其中交流輸出端的電壓或者對頻率上的異常狀況檢測其孤島效應的闡述，但是其檢測范圍畢竟有限，所以通常情況下這兩種方案一般都會分別進行設置，從而確保其中的干擾信號、電壓頻率穩(wěn)定性變化能夠有著合理的掌控。

2? 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應用建議

對于荒漠區(qū)域內(nèi)開發(fā)大型太陽能光伏發(fā)電，現(xiàn)階段通常利用逆變裝置進行發(fā)電，并且將分組集中起來，逐級升高電壓的方式設計并網(wǎng)方式，建議可以利用多回路輕型直流輸電的方式進行輸電，使用多個太陽能光伏電站集中一并接入發(fā)電系統(tǒng)。這種輕型直流輸電的電壓等級要保持在150kV左右，這樣一來輸送功率可以提升至350MW左右，對于大型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求來講已經(jīng)足夠，且可以根據(jù)不同地域特點構(gòu)建小規(guī)模的輕型輸電網(wǎng)絡，這樣做的好處在于可以提升輸送太陽能光伏發(fā)電能力與運行穩(wěn)定性。直流電在運輸過程中經(jīng)過換流站可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后進入電網(wǎng)中。這樣的輸電方式十分先進且經(jīng)濟成本也有相應的保障，不僅能夠減少在逆變并網(wǎng)過程中出現(xiàn)網(wǎng)絡故障而引起對發(fā)電機造成影響的現(xiàn)象，且控制相對比較穩(wěn)定、簡單。

除卻荒漠區(qū)域內(nèi)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用集中式并網(wǎng)的方式，其他區(qū)域可以利用分布式并網(wǎng)的方式進行構(gòu)建。這樣一來太陽能發(fā)電電源在一定的儲能設備配合下，繼而在系統(tǒng)控制中使其發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量均有所提升。尤其就我國現(xiàn)階段的西北、華北區(qū)域來講，這些區(qū)域的特點在于人口密度大，同時還擁有十分豐富的太陽能能源。利用分布式發(fā)電系統(tǒng)的方式進行發(fā)電十分方便，如果要對這些區(qū)域進行大規(guī)模的布置與應用，對于所擁有的配電系統(tǒng)只需要簡單的打造便可以在低壓側(cè)與配電側(cè)進行并網(wǎng)，利用多個節(jié)點區(qū)域內(nèi)所提供的電源在互補中提高其太陽能光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，其應用前景十分顯著。

3? 結(jié)束語

總而言之，在現(xiàn)代社會中開發(fā)與應用可再生能源早已成為各個國家迫在眉睫的發(fā)展戰(zhàn)略中，尤其就太陽能的應用研究，各國研究碩果累累，為現(xiàn)代太陽能技術(shù)的發(fā)展提供了十分先進的技術(shù)支持。本文則闡述其中在太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的各種設備以及其關(guān)鍵技術(shù)，同時，對于其大規(guī)模應用提供兩份參考性建議，望在未來太陽能在更大規(guī)模的應用中提高自然能源利用率且減少對自然環(huán)境的破壞，迎來人類文明發(fā)展的里程碑式變化。

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