光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究

劉國興

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的作用

1.1 環(huán)保節(jié)能

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是一種清潔、可再生的能源，其發(fā)電過程中不涉及任何燃燒或化學(xué)反應(yīng)，因此不會產(chǎn)生廢氣、廢水等污染物，具有極高的環(huán)保性。此外，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)還可以有效減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，對于應(yīng)對氣候變化和推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)也是一種節(jié)能的系統(tǒng)。光伏發(fā)電利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，而太陽能是一種無盡的能源，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以在不消耗任何其他資源的情況下進(jìn)行持續(xù)供電。相比傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能源利用效率更高，可以有效地節(jié)約能源，減少能源浪費[1]。

1.2 降低電力成本

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和運行成本相對較低。首先，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備簡單，不需要大量的燃料或水等資源，因此建設(shè)和運行的成本相對較低。其次，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的顯現(xiàn)，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的成本也在不斷降低，使得更多的企業(yè)和個人可以承受其建設(shè)和運行成本。此外，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過提高電力使用效率來降低電力成本。由于光伏發(fā)電是分布式發(fā)電，可以就地使用電力，減少電力傳輸過程中的損耗和成本。相比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電和長距離輸電模式，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以更高效地使用電力，降低電力成本。

1.3 提高能源安全性

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以提高能源安全性。首先，由于光伏發(fā)電是分布式發(fā)電，可以避免單一能源來源的風(fēng)險。在傳統(tǒng)的集中式發(fā)電模式下，一旦某個能源來源出現(xiàn)問題或中斷，會對整個電力系統(tǒng)的運行造成影響。而光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以在不同地區(qū)或不同建筑物上建設(shè)多個發(fā)電單元，實現(xiàn)能源的分散供應(yīng)，避免單一能源來源的風(fēng)險[2]。此外，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)還可以提供應(yīng)急電力供應(yīng)。在自然災(zāi)害或其他緊急情況下，傳統(tǒng)的集中式發(fā)電模式可能會受到損壞或中斷，而光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以在不同地區(qū)或不同建筑物上建設(shè)多個發(fā)電單元，實現(xiàn)應(yīng)急電力供應(yīng)，保障重要設(shè)施和居民的用電需求。

2 光伏并網(wǎng)的技術(shù)要求

2.1 電壓控制

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠承受各種運行條件下的電壓波動。當(dāng)大量光伏電源接入電網(wǎng)時，其輸出功率的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動。因此，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要具備電壓控制技術(shù)，以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。為了實現(xiàn)電壓控制，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要配備有逆變器等電力電子設(shè)備，將光伏電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并與電網(wǎng)進(jìn)行連接。逆變器的控制策略需要根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)和光伏電池的輸出功率進(jìn)行實時調(diào)整，以實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。此外，還可以通過無功補償裝置等設(shè)備來進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

2.2 頻率穩(wěn)定

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。由于光伏電源的輸出功率是不穩(wěn)定的，當(dāng)其輸出功率突然變化時，可能會對電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生影響。因此，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要具備頻率穩(wěn)定技術(shù)，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。為了實現(xiàn)頻率穩(wěn)定，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要配備有能夠快速響應(yīng)頻率變化的控制器。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，控制器需要及時調(diào)整光伏電池的輸出功率，以抵消其對電網(wǎng)頻率的影響。此外，還可以通過與常規(guī)電源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制等措施來進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)的頻率質(zhì)量。

2.3 保護(hù)控制

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須具備保護(hù)控制技術(shù)，以確保電網(wǎng)的安全運行。由于光伏電源的接入可能會對電網(wǎng)的保護(hù)控制設(shè)備產(chǎn)生影響，因此需要針對光伏電源的特點制定相應(yīng)的保護(hù)策略。為了實現(xiàn)保護(hù)控制，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要配備有過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)等保護(hù)設(shè)備。這些保護(hù)設(shè)備需要在電網(wǎng)出現(xiàn)異常時及時切斷光伏電池的輸出，以避免對電網(wǎng)造成更大的損害。此外，還需要制定相應(yīng)的繼電保護(hù)策略，以確保電網(wǎng)的正常運行[3]。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該技術(shù)主要涉及電力電子器件、電力電子變換器以及電力電子控制系統(tǒng)等，這些器件和系統(tǒng)在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中實現(xiàn)了電力的轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)。下文詳細(xì)介紹電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用。

3.1.1 電力電子器件的應(yīng)用

電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，電力電子器件的作用主要是實現(xiàn)電力的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。其中，最常用的電力電子器件包括晶體管、晶閘管、IGBT 等。

晶體管。晶體管是一種電流控制器件，通過控制基極電流來實現(xiàn)對晶體管輸出電流的控制。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，晶體管常被用于整流器中，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)的電力變換和控制提供基礎(chǔ)。

晶閘管。晶閘管是一種半控型器件，通過控制門極電壓來實現(xiàn)對器件的開關(guān)控制。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，晶閘管常被用于逆變器中，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為并網(wǎng)發(fā)電提供必要的電力。

IGBT。IGBT 是一種全控型器件，通過控制柵極電壓來實現(xiàn)對器件的開關(guān)控制。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，IGBT 常被用于逆變器和整流器中，實現(xiàn)電力的變換和調(diào)節(jié)。

3.1.2 電力電子變換器的應(yīng)用

電力電子變換器是電力電子技術(shù)的核心，在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，電力電子變換器的作用主要是實現(xiàn)電力的轉(zhuǎn)換和控制。其中，最常用的電力電子變換器包括DC/DC 變換器、DC/AC 逆變器等。DC/DC 變換器：DC/DC 變換器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)的電力調(diào)節(jié)和控制提供基礎(chǔ)。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，DC/DC 變換器通常被用于光伏電池板輸出的直流電的升壓或降壓變換。DC/AC 逆變器：DC/AC 逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為并網(wǎng)發(fā)電提供必要的電力。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，DC/AC 逆變器通常被用于將光伏電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并將其輸送到國家電網(wǎng)[4]。

3.1.3 電力電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用

電力電子控制系統(tǒng)是電力電子技術(shù)的關(guān)鍵，在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，電力電子控制系統(tǒng)的作用主要是實現(xiàn)電力的調(diào)節(jié)和控制。其中，最常用的電力電子控制系統(tǒng)包括PID 控制器、模糊控制器等。PID 控制器：PID控制器是一種經(jīng)典的控制器，通過調(diào)節(jié)比例、積分和微分3 個參數(shù)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，PID 控制器常被用于調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流和電壓，以保證電力輸出的穩(wěn)定性和質(zhì)量。模糊控制器：模糊控制器是一種基于模糊邏輯理論的控制器，通過模擬人類的推理過程來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，模糊控制器常被用于非線性系統(tǒng)的控制中，如光伏電池板的工作點跟蹤等。

例如，太陽能電池板與儲能電池的結(jié)合應(yīng)用。這種應(yīng)用方式將太陽能電池板產(chǎn)生的電能存儲在儲能電池中，當(dāng)電網(wǎng)需要時，將電能輸送到電網(wǎng)中。這種結(jié)合方式可以解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定的問題，同時也可以在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時提供備用電源，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。在具體實現(xiàn)方面，太陽能電池板和儲能電池可以連接到電力電子轉(zhuǎn)換器上，電力電子轉(zhuǎn)換器可以將太陽能電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并將其輸送到電網(wǎng)中。同時，電力電子轉(zhuǎn)換器也可以將電網(wǎng)的電能逆變?yōu)橹绷麟?，存儲在儲能電池中?/p>

3.2 電力變換技術(shù)

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中的電力變換技術(shù)是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定電力供應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電力變換技術(shù)包括逆變器、整流器等多種設(shè)備，這些設(shè)備的應(yīng)用可以實現(xiàn)對電力的轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制。下面詳細(xì)介紹電力變換技術(shù)在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用[5]。

3.2.1 逆變器的應(yīng)用

逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力變換設(shè)備。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，逆變器的作用主要是將光伏電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并將其輸送到國家電網(wǎng)。半控型逆變器：半控型逆變器采用晶閘管等半控型器件，通過控制門極電壓來實現(xiàn)對器件的開關(guān)控制。這種逆變器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但缺點是輸出波形質(zhì)量較差，諧波含量較高。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，半控型逆變器可用于一些對電力質(zhì)量要求不高的場合。全控型逆變器：全控型逆變器采用IGBT等全控型器件，通過控制柵極電壓來實現(xiàn)對器件的開關(guān)控制。這種逆變器的優(yōu)點是輸出波形質(zhì)量好、諧波含量低，但缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，全控型逆變器可用于一些對電力質(zhì)量要求較高的場合。

3.2.2 整流器的應(yīng)用

整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電力變換設(shè)備。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，整流器的作用主要是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)的電力調(diào)節(jié)和控制提供基礎(chǔ)。單相整流器：單相整流器采用單相電源供電，通過整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這種整流器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但缺點是輸出電流較小、適用于小功率場合。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，單相整流器可用于一些小功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)。三相整流器：三相整流器采用三相電源供電，通過整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這種整流器的優(yōu)點是輸出電流大、適用于大功率場合，但缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，三相整流器可用于一些大功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

3.2.3 諧波抑制和無功補償技術(shù)

在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，由于電力變換器的應(yīng)用不可避免地會產(chǎn)生諧波和無功功率，因此，需要對這些諧波和無功功率進(jìn)行抑制和補償。諧波抑制技術(shù)：諧波抑制技術(shù)可以采用多種方法，如增加濾波器、采用多重化技術(shù)等。這些方法可以有效地抑制電力變換器產(chǎn)生的諧波，提高電力輸出的質(zhì)量。無功補償技術(shù)：無功補償技術(shù)可以采用多種方法，如采用并聯(lián)電容器、靜止無功補償器等。這些方法可以補償系統(tǒng)所需的無功功率，提高電力輸出的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

例如，丹麥羅斯基勒市的太陽能發(fā)電站采用了光伏并網(wǎng)電力變換技術(shù)。該電站使用了14000 個太陽能電池板，覆蓋了14 個足球場大小的面積。這些電池板通過電力變換裝置將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并輸送到電網(wǎng)中。該電站的年發(fā)電量約為6000MW 時，可以為當(dāng)?shù)氐募彝ズ推髽I(yè)提供電力。云南王三沖24MW 規(guī)模的光伏電站采用光伏和儲能并網(wǎng)電力變換技術(shù)。該電站使用了共41083 塊550Wp 雙面單晶硅光伏組件、61 臺320kW 組串式逆變器、以及磷酸鐵鋰電池、2.4/4.8MW·h儲能系統(tǒng)設(shè)備，將光伏及儲能直流電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定功率的交流電，并網(wǎng)輸送至電網(wǎng)系統(tǒng)中，為電網(wǎng)提供清潔能源，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)增磚添瓦。

這兩個案例說明了光伏并網(wǎng)電力變換技術(shù)在實踐中的應(yīng)用。通過電力變換技術(shù)，可以將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并將其輸送到電網(wǎng)中。這種技術(shù)可以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，同時也可以為可再生能源的發(fā)展提供技術(shù)支持和保障[6]。

4 電力系統(tǒng)光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的建議

4.1 加強技術(shù)支持和創(chuàng)新

加大研發(fā)投入。鼓勵科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加大光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)投入，提升核心技術(shù)競爭力。重點針對高效能、低成本的光伏電池和組件，以及光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化和控制技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。技術(shù)創(chuàng)新與合作。鼓勵企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)、高校等開展合作，共同推動光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和突破。加強產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展，加快科研成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。提升設(shè)備性能和質(zhì)量。鼓勵企業(yè)提高光伏發(fā)電設(shè)備的性能和質(zhì)量，提升我國光伏產(chǎn)品的整體競爭力。加強對光伏電池和組件的質(zhì)量控制和技術(shù)升級，確保并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 推進(jìn)智能化發(fā)展

提升智能化水平。加強光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)與智能化技術(shù)的結(jié)合，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能化水平。積極推廣和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能化控制、優(yōu)化運行和遠(yuǎn)程管理。加強信息通信建設(shè)。加強信息通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的信息傳輸和處理能力。建立健全光伏發(fā)電信息監(jiān)測和調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)電力信息的實時采集、分析和優(yōu)化，提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。推進(jìn)智能運維管理。鼓勵企業(yè)推廣智能運維管理模式，提高光伏發(fā)電設(shè)備的運行維護(hù)效率和管理水平。通過智能化監(jiān)控、預(yù)測和維護(hù)等技術(shù)手段，及時發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障問題，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是一種高效、環(huán)保的能源供應(yīng)形式，具有廣闊的應(yīng)用前景。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有較高的性能特點和優(yōu)勢，但同時也存在一些問題和挑戰(zhàn)。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將會有更多的應(yīng)用場景和更大的發(fā)展?jié)摿?。因此，我們?yīng)該進(jìn)一步加強對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，為推動全球能源可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。