浅谈太阳能光伏发电与并网技术的应用和展望

 

我国具有丰富的太阳能资源，将太阳能转化为电力能够有效缓解国内的用电压力；太阳能作为一种可再生资源，无污染、无危害，但是太阳能具有不确定性和间歇性，造成太阳能资源难以得到有效利用和存储，使得各国对于太阳能资源的利用技术上比较受限；借助于太阳能新能源并网技术本身的优势和作用，能够有效规避传统风能资源的技术问题，最大程度上实现电力系统快速发展；目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统；此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12V/24V/48V等），很难实现系统的标准化和兼容性;特别是民用电力，由于大多为交流负载;以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场,另外光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模式，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流;随着绿色发展和双碳目标的具体要求的提出，光伏产业发展迎来重要机遇期,太阳能资源作为取之不尽的清洁性再生能源之一，在开发和应用的过程中，不受地域限制，并且具有清洁、可持续利用的特点，因此对于太阳能资源的开发和利用引起了社会各界的广泛关注,基于此本文就太阳能光伏发电与并网技术的应用进行阐述，以供参考。

1、太阳能光伏发电与并网技术

1.1、逆变器:在当前光伏电网内部的电气设备中逆变器具备较为重要的地位，具体来说，逆变器作为一种将直流电转变为交流电的设备能够保障光伏发电站的运行安全，因为市电的电压频率、相位与光伏发电站内部存在相应的差异，因此所结合使用到的逆变器也具备多种型号，通常来说，逆变器主要分为电压型和电流型，前者主要是确保光伏发电的电压频率和相位与市电保持一致，而后者是要确保电流频率与相位同市电保持一致。总体来说，逆变器是实现对相关电能重点管控、管理的一类设备，确保发电站能够将电能进行有效地转变，并且能够被市场所接纳、使用。

1.2、直流保护设备:直流保护设备通常是放置在光伏板与逆变器之间，借助空气开关来实现保护的功效，光伏板普遍使用特殊材料制成，但是相应的材料在承受较大的电流负载时可能会出现鼓裂现象，易于造成安全事故，而为了使得太阳能光伏发电系统能够更加安全、稳定地运转，需要配置必要的直流保护器，当设备出现运行异常时借助空气开关有效地断开连接，从而实现对设备的保护，但是空气开关必须要具备较高的灵敏度，能够满足设备运行的需求。1.3、并网混合供电系统:相应的并网混合供电系统将整个光伏发电系统中的光伏阵列、油机、电网进行有效整合，形成一套体系化的供电系统。相应的系统能够实现持续的电源供给，提高了对负载的供电保障率，同时相关技术所涉及的内容也相对较多，但是结合相关技术的使用同样具备较高的稳定性和可靠性，在实际的运用过程中结合专项化的电脑芯片实现对整个系统的有效管控，同时还能够完成对各种资源的综合使用，保障系统能够稳定地运转。并且在现有的并网混合供电系统中，能够对蓄电池进行充电处理，提高对能量的使用效率，当发生运行故障时并网混合供电系统也能够具备基本的断网管控功效，并且相关系统自主独立工作能力相对较强，能够保障系统能够正常、稳定地运转，当故障解除之后则自动接入并网模式。

2、光伏发电系统对逆变电源的要求:采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而是关键部件。光伏发电系统对逆变器要求较高：

1)要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

3)要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12v蓄电池，其端电压可在10v～16v之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

4)在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

5)将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率;对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220v，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12v、24v，就必须设计升压电路。

6)中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

7)全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源;另外为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。　

8)推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在２０ＫＨｚ以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在３００Ｖ以上）再通过工频逆变电路实现逆变;采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。

3、逆变电路的控制电路:上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弱波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大;正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有pwm功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。

１)方波输出的逆变器目前多采用脉宽调制集成电路，如sg3525，TL494等。实践证明，采用SG3525集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性能价格比较高的逆变器，由于SG3525具有直接驱动功率场效应管的能力并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。

2)正弦波输出的逆变器控制集成电路，正弦波输出的逆变器，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及ＰM1-CROCHI公司生产的PIC16C73P等，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间，采用INTEL公司80C196MC实现正弦波输出的电路，80C196MC完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。

4、主电路功率器件的选择:逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（BJT），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（100KVA１以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。

5、太阳能发电未来发展趋势

1)太阳能发电未来发展总体趋势

(1)现有的太阳能资源可以利用集中开发模式实现新能源发电系统的大规模发展。同时，为实现电力系统的多元化发展，国家能源局和电网公司发布诸多通知和意见，在促进电力系统集中式开发的同时，实现电力分散式发展。

(2)当前太阳能新能源技术发展较快，依托于充足、稳定的太阳能资源，可以确保机组运行稳定，满足电力生产需求。

(3)尽管当前太阳能单机成本在不断降低，但是整个系统的运行成本却逐年增加，造成太阳能新能源系统的运行成本也在逐渐增加;通过诸多技术的发展和进步，可以在一定程度上缓解由于运行成本提高造成的发展困境，并且为接纳新能源发电，可以利用更多的备用电源，提高电力系统的灵活性和扩充容量，实现整个电力系统的快速发展。

2)太阳能并网技术发展趋势

(1)对于太阳能并网技术来说，通过对该技术的不断创新，可以促进太阳能新能源大规模的并网及远距离的电力传输，利用分布式接入的需要，实现太阳能能源高效的运用，同时保证电力系统安全稳定的运行。

(2)太阳能新能源朝向智能化的方向发展，逐渐实现可视化和实用化，借助于实时电力系统状态的仿真，实现电力状态的预警和控制，与此同时，可对太阳能状态进行实时监测，完成对整个电力系统的分析和评估，通过全方位技术的优化，大幅度提高风电系统的应用水平。

6、太阳能光伏发电与并网技术的应用

6.1、实现工作模式的有效转换:太阳能光伏发电系统主要是依托两种运行模式来开展相应的工作，具体来说相应的系统借助并网逆变模式以及独立逆变模式，使得系统能够顺应多样化的工作条件，以及满足相应的工作需求。具体来说，当相应的系统处于实时运转状态后两种模式会实现快速地转化，在此期间工作人员需要对各项关键零部件进行检测，例如对电网蓄电池以及太阳能电池所具备的电流电压值进行测验，确保相关设备能够正常、稳定地运转，使得相应的工作模式能够实现快速地转换。同时要实现并网发电，还需要满足太阳能电池电压时刻处于正常的状态，并且相应的电网电压也需要满足基本的数值要求，同时蓄电池内部的电压需要保持饱和的状态。只有满足上述的条件才能够使得并网发电作业能够安全、稳定地进行。此外，在对应的并网发电过程中，逆变器还应当实时地测量相应的电压值，来实现为交流负载以及相应的电网提供电能供给，在此期间，若电网出现相应的运行故障，则需要结合全方位的系统检验工作来排查故障问题，而此时则需要将并网逆变模式进一步转换为独立逆变模式，在该模式下可以实现向相应的负载提供稳定的电能，确保电源时刻处于供电状态来完成对整个电网的修护，在完成检修工作之后再将对应的模式变回为原有的并网逆变模式即可。

6.2、光伏电源解合环:在当前太阳能光伏发电系统运转过程中，结合对应的逆变器设备能够确保对电网系统实施高效化、自动化的检验操作，并且完成对应的并网发电操作管理，确保对应的太阳能光伏发电系统能够稳定、高效地运转，而当需要进行相应的退网操作时，必须完成对光伏板的电流开关进行有效管控，将相应的直流开关进行断开处理之后再通过检验，确认相关设备停止运行之后再将逆变器另一侧的交流开关实施断路管控，根据实际的工作状况来对相关设备进行必要的停电处理，直到完全实现对整个光伏电源的断开处理即可;如果相应的开关处于打开或者是合并的情况，可以直接对逆变器进行停止处理，或者是直接断开交流开关，也具备类似的管控功效，但是仅限于当前并网容量较小的状况时才能够执行相应的操作。如果当相应的装置或整个电网体系出现较大的安全事故时，则需要实现对电源进行必要的退网处理，在退网处理的过程中同样需要实现对逆变器设备以及相关保护装置的管理、管控，以及进行必要的检测操作，避免相应的事故影响范围扩大。

7、结语: 太阳能光伏发电并网技术在当今光伏产业的使用相对较为常见，但是对相关技术的使用或多或少还存在相应的局限性，例如系统的自动化、智能化程度还有待进一步提升;新时期相关行业的工作人员应当进行不断地发展、探究，对相关技术进行持续优化和改进，实现更加长远的稳定发展。