光伏并网发电系统的若干问题研究Researching Some Issues of Photovoltaic Grid Connected Systems 华中科技大学刘飞，段善旭，徐鹏威，王志峰 Email:dyj_lf@163
果酱瓶Huazhong University of Science and Technology
Fei Liu, Shanxu Duan, Pengwei Xu and Zhifeng Wang
摘要：面对能源危机和环境污染新型可再生能源成为人类发展的潜在出路，而太阳能作为资源量最大、分布最普遍的新型可再生能源之一，并且将太阳能转换为电能的光伏发电技术已成为世界发展最快高新技术产业之一，特别是光伏并网发电成为人们关注的焦点。在此本文介绍和探讨近几年来光伏并网发电系统一些问题。
Abstract: Recently, renewable distributed generation has attracted considerable attention since it offers a potential solution to the problem of the world’s energy crises and environment pollution. As one of the new renewable energy sources, the solar power has the largest quantity and the most widespread distribution. And the technology of converting solar power to electricity by solar photovoltaic power generation has become one of the world's fastest growing high-tech industries. Therefore, this paper introduces and discusses some issues of photovoltaic grid connected systems.
关键词：可再生能源 光伏发电 并网
Keyword：renewable source, photovoltaic power generation, grid-connected
1.引言
能源危机越来越严重的阻碍人类生存与发展，为了摆脱能源危机的困扰，人类不得不寻求新能源以代替传统的生物化石能源，而新能源的可持续性是解决传统能源危机的关键，于是可持续的全球能源系统转变是人类面临的一个重大挑战。在可再生能源的家族中，资源量最大、分布最普遍的是太阳能，事实上，其它可再生能源也间接来自于太阳能。将太阳能直接转换为电能这一能源高端产品的光伏技术是一项关键技术[1]。
2.光伏并网发电技术
一般建设独立光伏电站是解决偏远无电地区用电的最佳途径。目前主要是在偏远地区的村庄和乡镇单独组成一个个局域网，每个局域网由一个容量为50KW及以上的小型独立光伏电站供电。每个局域网供电相对独立，没有任何联系，也不存在能量调度问题。 这样的供电方式就会有一个很大弊端，如果某个村庄用电紧张，导致光伏电站供电不足，而附近的村庄用电量相对较少，该村的光伏电站多余的发电量因不能通过一个公共母线调度到用电紧张的村庄而
只有存储在蓄电池中，或者蓄电池中能量存储已满而白白的化为太阳能电池组件的热能损失掉。所以可以在这些小型独立光伏电站之间架设一个公共母线，这样利用合理的电力调度，能够很好把光伏电站发出的电能分配到各个村庄的电力负载上去。
当然相对独立光伏电站都必须配备复杂的储能系统，使其应用受到很大的限制；而并网光伏发电系统无须配备复杂的储能系统，既节省投资又提高供电可靠性，多余电能还可输入电网。更重要的是，将打破电网由高电压向低电压集中供电能的一统模式，出现分散供电(低电压)的分散电源模式，将提高电网的可靠性和再生电源的利用率。 1997年12月日本京都会议以后，美国总统宣布了百万光伏屋顶计划，预期在10
年内安装总容量约为3GW。随后，德国提出了10万户光伏屋顶计划，日本提出了朝日7年光伏屋顶计划和新能源推广的基本原则，要求到2010年光伏发电容量超过5GW。而德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易展览中心，建成了1MW 的太阳能光伏屋顶系统，则成为大功率太阳能光伏并网发电系统的代表。进入20世纪90年代，不少发达国家开始实施基于并网的太阳能光伏发电屋顶计划，这是一种全新的将太阳能技术与建筑设计相结合的光伏并网发电系统。所以从近几年来并网光伏发电系统逐渐成为光伏技术的研究热点，同时随着光伏发电系统的性价比提高，其应用范围越来越广，并开始从特殊场合应用向商业化应用发展[2]。
3.光伏并网电路拓扑结构
图1 光伏并网3种典型拓扑结构
按摩坐垫如图1所示光伏并网拓扑结构有很多形式，最普遍的有采用单级变换和两级变换拓扑结构，两级变换拓扑结构一般由形式多样的DC/DC变换器和DC/AC并网逆变器组成。前端的DC/DC变换器一般是比较
常见的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK或者是推挽电路等等，用来实现光伏电池输出功率的最大功率跟踪，前端DC/DC环节还需要实现蓄电池储能功能；而DC/AC一般是单相或三相的并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能，如果是单级变换拓扑结构就只有后端的DC/AC部分。
一种新颖的反激式逆变器在光伏发电系统中被提出来如图2(a)所示，紧接着这种反激式逆变器进一步的改进型拓扑也逐渐出现如图2-(b)、2-(c)。这类型的电路拓扑结构（以图2-(c)）由前端的DC/DC部分和后面的反激逆变器共一个公共隔离变压器，主电路是由3个IGBT、两个二极管和一个副边代中心抽头的反激变压器，这个反激变压器不仅是传递能量而且起光伏组件与后端的交流并网部
G N
(a)
(b)
(C)
图2 光伏系统反激式变换器拓扑结构
分隔离作用。其工作原理是由三个工作状态组成的：工作状态一定义为IGBT1导通而IGBT2和IGBT3关断，光伏电池发出的能
量通过IGBT1储存在反激变压器T的原
边绕组中，同时逆变测电容
2
C储存的能
量向电网馈电，并且电容
双电源自动切换装置2
C上的极性与电网同步；工作状态定义二为IGBT2导通而IGBT1和IGBT3关断，储存在反激变压器
和
2
C的能量在电网正半周时向电网馈电。需要注意的是工作状态一与工作状态二在电网电压正半波时交替工作，也就是IGBT1和IGBT2以高频PWM波的形式交替推断，使系统逆变测馈电电流与电网电压同频同相。工作状态三就是IGBT3导通而IGBT1和IGBT3关断，储存在反激变压器和2
C的能量在电网负半周时向电网馈电，工作状态一与工作状态三在电网电压负半波时交替工作，同样系统逆变测向电网输出的电流与电网电压同频同相。这类反激式并网变换器的优点是使用的元器件少，控制简单[3]、[4]。
由于两级变换拓扑结构很难把效率提高，如图2(c)为例，光伏电池输出最大功率为300W的情况下，整个变换器的效率可以做到89％，这已经是在损耗能量的元器件很少的情况下取得的。如果采用单级变换拓扑并网，就可以把整个系统效率提高一个档次接近97％左右。单级并网变换器的拓扑形式主要是由一个单相或者三相电压型逆变器和一个LCL滤波器和电网并联，但是光伏电池组件输出电压必须任何时刻都大于电网电压峰值，所以需要光伏电池板串联起来提高光伏系统输入电压等级，但是多个光伏电池板串联也可能由于部分电池板被云层等外部因素遮蔽，这样就会导致光伏电池组件输出能量严重损失，同样也导致光伏电池组件输出电压跌落，这样就不能保证光伏电池组件输出电压必须任何时刻都大于电网电压峰值，进一步导致整个光伏并网系统不能正常工作。因此一组大容量的电解电容就需要解耦在光伏电池组件和电网之间，而且并网逆变器的工作状态主要由这些电解电容充放电引起的电容电压的变化情况决定。不过这种电路拓扑因其电路拓扑简单、效率高尤其适合于并网光伏系统模
块化运行。
4.能量管理以及经济运行策略
对于光伏并网发电系统而言，系统储能环节可以省略掉，如果针对固定负载供电的光伏并网发电系统可以带一定数量的储能蓄电池，还有就是多功能光伏并网系统也需要带有储能系统，我们在以下将着重介绍这类型的光伏并网系统。
图3 带有储能环节的光伏并网发电系统
如图3所示的光伏并网发电系统，在阳光充足的情况下，光伏系统首先满足负载用电，如果还有富余的电能可以通过电能管理系统结合当时的电价以及当时负载用电量的需求情况决定是优先通过向电网
卖电还是进行储能，等负载用电需求量达到高峰期再向电网卖电。这样灵活应用储能系统的充放电来追求光伏发电系
统的经济运行机制，这样的储能环节完全不同于独立光伏发电系统的储能系统，这样的并网机制也不同于一般不带储能环节的并网发电系统。该系统具体有以下几种工况：
（1）太阳光照充足，光伏系统发出的电能完全满足固定负载供电需求，同时
还有富余，如果储能系统能量已经储
满，就尽最大可能向电网馈电； （2）太阳光照充足，光伏系统发出的电能完全满足固定负载供电需求，同时
还有富余，如果储能系统能量没有储
满，但是电网向分布式发电系统收购
的电价高于光伏发电系统发电的成
本价时，优先考虑向电网卖电以追求
经济效益；
（3）太阳光照充足，光伏系统发出的电能完全满足固定负载供电需求，同时
还有富余，如果储能系统能量没有储
满，但是电网向分布式发电系统收购
的电价低于光伏发电系统发电的成
本价时，优先考虑向储能系统储能，
tomgro等能量储满，如果还有富余的电能的
话，再向电网馈电；
（4）太阳光照不充足，光伏系统发出的电能不能满足固定负载供电需求，这
时如果电网电价高于光伏发电系统
发电的成本价时，启动储能系统向负
载供电以满足负载电能需求； （5）太阳光照不充足，光伏系统发出的电能不能完全满足固定负载供电需
求，这时如果电网电价低于光伏发电
系统发电的成本价时，向电网买电提
供负载供电以满足负载电能需求； （6）阴雨天或者夜间，这是光伏系统没有能量发出，只能通过向电网买电满
足负载供电需求，同时考虑电网电价
与光伏发电系统发电的成本价的关
系，如果电网电价低于光伏发电系统
发电的成本价，通过并网变换器的能
量双向流动控制，由电网向储能系统
充电储能。
（7）阴雨天或者夜间，这是光伏系统没有能量发出，只能通过向电网买电满
足负载供电需求，如果电网电价高于
光伏发电系统发电的成本价，光伏系
统储能环节尽可能向负载供电，如果
能够满足负载供电需求量就不向电
网买电，满足不了的部分向电网买电
补偿这部分电能。
（8）当然如果光伏系统不带固定负载，在阴雨天或者夜间可以作静态无功
补偿器运行，这样可以提高光伏系统
的利用率。
针对以上这几种工况，光伏系统可以采用灵活的电力调度，使光伏并网发电系统始终在最优的经济模
式下运行，而且还可以和风能以及燃料电池组成混合式发电系统。这样更加可以合理运用发电成本价与电网电价的关系实现分布式新能源发电系统的经济运行。如图4所示的混合式发电系统。
图4 混合式发电系统
对于这种类型的混合式发电系统，主要优点可以优势互补，风能和太阳能都具有能量密度低，稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，而燃料电池能量转换效率高；洁净、无污染、噪声低；模块结构、积木性强，供电方式既可以集中，也适合分散以及高温型燃料电池可实现热电连供，所以只要燃料充足，基本可以稳定运行，保持长时间供电，可满足各种负荷水平要求，但是
氢气是燃料电池常用的燃料气，氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而，氢具有很高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等，所以没有太阳能和风能在地球上分布广泛，因此太阳能、风能以及燃料电池在时间上、地域上和经济上都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。燃料电池和太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风力发电成本较低，但随机性大，供电可靠性差。如将三者结合起来，可实现昼夜发电，在合适的气象资源以及原材料的条件下，风力/光伏/燃料电池互补发电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。风力/光伏/燃料电池互补发电系统还有一个优点就是可以经过光伏组件容量和风机发电容量的优化后能够很好降低发电成本。
例如青海省新能源研究所在海西州天峻县阳康乡建成了青海省目前最大的离网型风光互补电站—阳康乡50kW风光互补电站这个例子很好的证明这一点。根据调查的实际情况，并结合未来几年的发展趋势，预测该地区5年内基本生活用电负荷年用电量将达50000kW·h。在满足用户负载用电的前提下，对三种供电方案进行了容量计算，其结果为40kWp光伏电站、90kW风力发电站和30/20风光互补电站(太阳电池为30kWp、风力发电机为20kW)，均可满足用户负载需求。表1是根据太阳能、风能资源以及用户用电情况等对三种供电方案进行了分析计算。
表1不同供电方案比较分析
月份月平均
辐射量
(2
/m
MJ)
月平均
风速
(m/s)
月平均用
肠镜裤电量
(kw•h)
30/20KW
风光互补电站
月发电量估 发电量
算(kw•h) 盈亏率(%)
40kw
光伏电站
月发电量 发电量
估算(kw•h) 盈亏率(%)
90kw
风力发电站
月发电量估 发电量
算(kw•h) 盈亏率(%)
1 380 4.1 4247 3061 -27 3107 －26 3621 －14
2 428 4.8 3836 3745 -2 3500 －8 4960 29
3 588 5.6 4247 5287 2
4 4808 13 7478 76
4 653 5.
5 4110 5605 3
6 5340 29 705
7 71
5 709 4.
6 424
7 5469 2
8 5798 36 4978 17
6 692 4.3 4110 5175 25 5659 3
7 4120 0
中草药压片机7 670 3.9 4247 4810 13 5479 29 3014 －29
8 635 3.5 4247 4435 4 5193 22 2319 －45
9 524 3.6 4110 3774 -8 4285 4 2478 －39
10 488 3.8 4247 3653 -13 3991 －6 2900 －31
11 393 4.5 4110 3441 -16 3214 －21 4552 10
12 333 4.6 4247 3163 -25 2723 －35 4978 17
电站初投资（万元） 360 420 390
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议