光伏并网发电系统浅谈

摘要：随着我国太阳能光伏事业的发展进步，国内太阳能光伏发电系统、光伏电站如雨后春笋般的破土而出，在这一飞速发展的阶段也暴露出一些问题和需要我们总结的地方。本文分三部分，第一部分介绍并网光伏发电系统的概念、种类以及特点；第二部分是对光伏并网发电系统中的并网逆变器这一关键部件进行介绍、分类和汇总；最后一部分是光伏并网系统的优化。

一、并网光伏系统

1.1 并网光伏系统概念

光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务。当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。在没有太阳时，负载用电全部由电网供给。

因为直接将电能输入电网，光伏系统中的蓄电池完全被光伏并网系统中的电网所取代。免除配置蓄电池，省掉了蓄电池蓄能和释放的过程，可以充分利用光伏阵列所发的电力，从而减小了能量的损耗，降低了系统成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，已保证输出的电力满足电网对电压、频率等性能指标的要求。逆变器同时还控制光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）、控制并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率和光伏阵列所发出的最大功率电能相平衡。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏系统作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载断电率。而且并网光伏系统还可以对公用电网起到调峰的作用。太阳能光伏发电进入大规模商业化应用是必由之路，就是将太阳能光伏系统接入常规电网，实现联网发电。与运行的太阳能光伏发电站相比，并入电网可以给光伏发电带来诸多好处，可以归纳以下几点：

1、省掉了蓄电池作为储能；

2、随着逆变器制造技术的不断进步，以后逆变器的稳定性、可靠性等将更加完善；

3、光伏阵列可以始终运行在最大功率点处，由电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了

太阳能发电效率；

4、电网获得了收益，分散布置的光伏系统能够为当地的用户提供电能，缓解了电网的传输

和分配负担；

5、光伏组件与建筑完美结合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料。

1.2 并网发电系统的主要组成

1、光伏阵列；

2、直流防雷汇流箱、交直流防雷配电柜；

3、并网逆变器，直交流转化；

4、漏电保护、计量等仪器、仪表；

5、交流负载。

二、并网逆变器

2.1 并网逆变器的功能

并网逆变器是光伏并网系统的核心部件和技术关键。并网逆变器与系统逆变器不同之处是它不仅可以将光伏组件发出的直流电转化为交流电，而且还可以对转换的交流电的频率、电压、电流、香味、有功和无功、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制，另外还具有如下功能：1、自动开关。根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率潜力，在此范围

内实现自动开机和关机。

2、最大功率点跟踪（MPPT）控制。当光伏组件表面温度和太阳辐照度发生变化时，光伏

组件产生的电压和电流发生相应的变化，并网逆变器能够对这些变化进行跟踪，是阵列经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。

3、防止孤岛效应。

4、自动调整电压。在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有

可能超过电压的运行范围。为保持电网的正常运转，并网逆变器要能够自动防止电压的上升。

2.2 并网逆变器的分类

光伏并网发电系统分为集中式大型并网光伏系统和分散式小型光伏并网系统两大类。前者功率容量通常在兆瓦级以上，后者则在千瓦级至百千瓦级之间，建设大型联网光伏系统投资巨大、建设期长、需要复杂的控制和配电设备，并要占用大片土地。而分散式光伏并网系统，特别是光电建筑一体化（BIPV）光伏并网项目潜力相当大。它可以将发的电直接分配到住宅的用电负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节，由于其具有上述优越性，投资不大，屋顶资源丰富，许多国家包括中国都相继出台了一系列激励，因而在各国发展迅速，并成为主流。

并网光伏系统的电力品质

很多规范从电压、电压闪变、频率和失真等方面对光伏发电系统的电力品质进行了阐述和规定。如果偏离这些标准的规定值，就需要逆变器停止向电网供电。对于中型和大型的光伏系统，当电网电压或者频率发生飘逸时，保持光伏系统和电网的连接有助于消除电网中的电压和频率波动。

1、电压工作范围

光伏并网系统将电能以电流的形式输入电网，但是不对电网电压作出任何调整。因此，光伏逆变器的电压工作范围只是在电网异常情况下的一种自我保护手段。

一般来说，以大电流往电网输送电能时，可能会影响到电网电压。只要注入电网的光伏电流小于同一电网线路上的负载，电网的电压调整装置将会继续工作。但是如果输入电网的光伏电流大于同一电网线路上的负载，就需要采取一定的校正措施。

对于小型的光伏系统而言，在电网正常工作的电压波动范围内，小型光伏系统应能继续工作。系统电压工作范围的选取应尽量减小无谓的跳闸，这无论是对电网还是在光伏系统都是有利的。小型光伏系统的电压范围通常为212-2V，也就是电网正常电压的88%-100%，这就使系统的跳闸电压为212V和265V。

对于中型和大型的光伏系统而言，电力公司可能已经规定了光伏系统的工作范围，并且可能要求能够对大型光伏系统的电压范围进行调整和设定。如果没有类似的要求或规定，系统的工作电压范围一般遵循88%-100%的原则。

2、电压闪变

判断某个已知电压幅值或频率大小的电压闪变是否能够产生问题是具有很高的主观臆段性的。连接到电网的逆变器在公共节点产生的任何电压闪变都不能超越在IEEE标准

519-1992中规定的最大值。

3、频率

电网的工作频率是由电力公司控制的，光伏发电系统应该和电网具有同步性。

4、波形失真

光伏发电系统输出应该具有较低的交流电流失真，下哦那个人确保不对电网中其他用户产生负面影响。光伏系统在公共节点的电力输出应该遵循IEEE标准519-1992中的第10条规定，这条规定的主要要求可以概括为：在逆变器额定输出功率时，总的谐波电流失真应小于基频电流的5%。

所以根据逆变器在光伏系统中的布置形式，可以将逆变器方式分为集中式逆变器和分散式逆变器。长时间以来，人们通常采用集中式逆变器形式进行逆变，但是现在越来越多的采用多个小型逆变器进行分散式逆变。

（1）集中式逆变

1、低压逆变

在低压逆变范围内（Vdc<120V），几块光伏组件串联起来组成一个回路。这种低压逆变形式的一个优点是：由于串联回路的电流是由系统中受遮挡物遮挡最严重的那块光伏组件的电流决定的，另外低压逆变器串联回路中的光伏组件数目较少，因此遮挡物的遮挡对低压逆变系统性能的影响要比高压逆变系统小。低压逆变的主要缺点是回路中的高电流，因此需要使用相对截面积较大的电缆来减低回路电阻。

2、高压逆变

在高压范围内（Vdc>120V）,比较多的光伏组件串联起来组成一个回路。这种逆变形式的优点是由于系统中的低电流，从而可以采用较小截面积的电缆。它的缺点是具有比较大的遮挡损失。

3、主-从式逆变

比较大的光伏系统通常采用建立主-从逆变器概念的基础上的集中式逆变。这种逆变形式通常需要几个逆变器（一般2或3个），每个逆变器的额定功率可以通过将光伏系统额定功率除以逆变器个数来计算。其中一个逆变器是主逆变器，当太阳辐射值比较低时，主逆变器工作。随着太阳辐射值的增加，系统发电量超过主逆变器容量，这时就需要启动从逆变器进行补充。为了能使各个逆变器均衡工作，主从逆变器按照特定的循环顺序交换进行工作。

这种逆变器方式的优点是：当太阳辐射值比较低时，只有一个逆变器进行工作，因此系统的逆变效率比只有一个逆变器的系统要高。但是这种逆变方式的吃投资要比单个逆变器的逆变方式要高。

（2）分散式逆变

分散式逆变特别适应与光伏系统中的各分系统有不同朝向或者倾角，或者光伏系统有部分被遮挡的情况。分散式逆变器可以分为光伏阵列逆变、光伏组件串逆变和光伏组件逆变。当系统中不同阵列的朝向不同或者有遮挡的话，分散式逆变器能更有效的在各种辐射强度下进行工作。每个光伏阵列、光伏组件串或者光伏组件都安装一个逆变器。

（3）逆变器安装位置

对于集中式逆变器来说，如果可能的话，应尽量安装在电表附件。如果环境状况允许的话，安装在光伏系统接线柜附件也是可行的，这将降低通过直流总线的电量损失和安装费用。大型逆变器通常和其他设备（如电表、断路器等）安装在一个逆变器箱体内。

分散式逆变器越来越多的被安装在屋顶，但是实验发现，应对逆变器做好保护措施，尽量避免太阳直射和雨水淋湿。当选择安装地点时，满足逆变器厂家建议的温度、湿度等要求是非常重要的。同时还要考虑到逆变器的噪音对周围环境的影响。

（4）逆变器的选择

小型光伏逆变系统通常采用单相逆变。而大型光伏系统，使各相达到平衡状态时非常重要的，通常在每相电上都连接几个单相变压器，从而实现三相逆变。

通过粗略估计光伏系统总发电量可以确定逆变器的数目。一般来说，逆变器的额定功率应近似等于光伏系统的发电功率，但也有一些偏差，下式可以作为逆变器设计容量的范围：

0.7*Ppv总体来说，在中国北方地区，光照强度大于900W/M²的情况是很少发生的，光伏系统发电功率通常为其额定功率的60%左右，基本上从来达不到其额定功率。当光伏系统发电功率小于逆变器功率的10%时，逆变器的逆变效率是非常低的。因此为了能更好的利用低辐射值的太阳能，选用比光伏系统功率小的逆变器（PinvDC2.3并网逆变器又可以分为带隔离变压器和不带隔离变压器

隔离变压器的原理和普通变压器的原理是一样的。都是利用电磁感应原理。隔离变压器一般是指1：1的变压器。由于次级不和地相连。次级任一根线与地之间没有电位差。使用安全。常用作维修电源。

一般变压器原、副绕组之间虽也有隔离电路的作用，但在频率较高的情况下，两绕组之间的电容仍会使两侧电路之间出现静电干扰。为避免这种干扰，隔离变压器的原、副绕组一般分置于不同的心柱上，以减小两者之间的电容；也有采用原、副绕组同心放置的，但在绕组之间加置静电屏蔽，以获得高的抗干扰特性。静电屏蔽就是在原、副绕组之间设置一片不闭合的铜片或非磁性导电纸，称为屏蔽层。

2.3.1 无隔离变压器的逆变器优点

_ 减少内部隔离变压器，最大效率能比带隔离变压器高2~4%。

2.3.2 无隔离变压器逆变器的缺点

_ 人身安全隐患：在交流侧可能会被直流电触电,在直流侧也可能会交流触电;

_ 设备安全隐患：交流电可能窜入直流侧,直流电也可能直接灌入交流电网, 光伏组件正/负极不能接地；

_ 逆变器输出交流零线不能接地：一旦A/B/C相线对对地电压漂移超过1000V AC，光伏组件存在毁灭性的风险；

_ 漏电流以及交流输出的直流分量难以控制；

在交流电网电压波动大，谐波分量大的实际环境中，漏电流和直流分量经常会超标，一旦超标则逆变器必须停止并网输出。也就是经常被“踩刹车”。

三、并网光伏系统的优化

(1)国内光伏项目设计和建设经验不

足，造成了系统设计欠优化，项目建

设滞后等一系列的问题，其根本原因

在于没有真正做到科学配置，以至于

工程建成后出现了系统效率低下、故

障频现等诸多问题。

(2)相当一部分电站采购的组件

是不符合补贴质量要求的劣质产品，

甚至是国外退货的废次产品，这将给

系统高效可靠地运行带来极大的隐患，也增加了后期维护、管理等的经济投入。

(3)系统设计时，很多人未能考虑到环境、地形、安装角度等的影响，在设计时对逆变器选型存在错误的观点，普遍认为集中型并网逆变器在电站中的应用优势高于组串型，简化了系统设计但造成了效率低下等问题。在系统设计过程中逆变器的选型不合理会降低系统高效可靠性，同时会大大增加项目的后期投资成本，以及后期的维护成本。

3.1 光伏并网系统概况

(1)组串式并网逆变器

组串逆变器是以模块化的概念为基础的，容量一般在1kW—30kW，每个光伏组串连接一个光伏并网逆变器，在直流输入侧具有MPPT阵列连接到逆变器上，通过并联的方式与电网相连。

(2)集中并网逆变器

集中式并网逆变器是使输入的多组串的光伏组件通过汇流箱以及直流配电装置转接成一路或几路之后输入到并网逆变器，容量一般在30kW-1000kW。

集中式并网发电

光伏并网逆变器是一种非常成熟的利用电力电子技术的能量转换装置，它是太阳能并网发电系统中的关键设备。当前逆变器有各种形式、多种拓扑结构、功率不同的产品，但结合太阳能发电应用的特点，可将其分为集中型并网逆变器与组串型并网逆变器两大类。根据系统的逆变器选型，光伏并网系统分为组串式并网系统和集中式并网系统。

→组串式并网逆变器发电的特点：

投资小、建设快、占地面积小、支持力度大

分布式控制，系统配置更灵活，便于安装和维护

适用于光伏建筑一体化、户用系统、分散式并网发电等。

→集中式并网发电的特点:

系统发电直接输送到公用电网统一调配用户供电投资巨大、需要专门的配电房、

建设周期长一般需通过10KV以上的中、高压电网传输电能多用于大型开阔地面或荒漠光伏电站。

下面从四方面对比分析两种并网模式的特点

1.电站效率2.电站发电量

3.电站可靠性

4.电站投资经济性

TETERBORO AIRPORT GM PLANT, ZARAGOZA,SPAIN

3.2 系统效率对比分析

(1)组串式与集中式所用并网逆变器效率基本相同，均可达到94%以上；但近年组串式逆变器采用新技术在重量、效率、价格等方面都有了较大的改进，优势较为明显。

(2)集中式并网因采用汇流装置，若在MPPT技术上做到对每一路运行情况进行监控，成本将非常昂贵；而组串式可省去汇流装置，能够实现对每一路的MPPT追踪，使系统成本下降，综合效率更高。

组串式与集中式的MPPT对比

3.3 系统发电量分析

(1)发电量对比

(2)直流损耗高

3.4 两种电站可靠性分析

(1)采用集中式并网逆变器的系统无冗余能力，如有任何故障整个系统将停止发电。采用组串式则有冗余能力，如有个别逆变器发生故障，对整个系统影响较小；

组串式并网逆变

集中式并网逆变器

(2)采用集中式并网要求并网点短路容量足够大，以保证并网平稳，而采用组串式并网的系统可以控制顺序并网，使并网过程平稳。

3.5 系统投资经济性分析（以投资1MW光伏并网电站为例，额外费用分析）

3.6 光伏并网系统优化设计

1.光伏并网发电系统的整体配置与设计

光伏并网发电系统的整体配置与设计，部件的配置选型和相关附属设施的设计。主要包括逆变器的选型与配置，组件及支架的配置及固定设计，交流配电系统、防雷与接地系统的配置与设计，监控和测量系统的配置，直流配线箱及所用电缆的设计选择等。逆变器是光伏并网发电系统中的关键设备，其选型关系到整个系统的高效性、可靠性、经济性。

2.系统优化设计的几点建议

(1)光伏并网系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性、低成本的原则。

(2)系统设计要充分考虑到季节光照条件、安装环境及方位等因素，使系统的设计配置最合

理、最经济。不同季节光照阴影分析图

安装方位、安装角度发电效率图

(3)协调整个系统工作的最大可靠性和

系统成本之间的关系，在保证质量的

前提下节省投资，取得最大的经济效

益。通常，太阳能光伏组件和建筑结

合的方式有上图所示的几种，不同朝

向安装的太阳能电池的发电量不同。

假定向南倾斜纬度角安装的太阳能电池

发电量为100(北半球)，其它朝向的太阳

能电池全年发电量将均会有不同程度的

减少。

3.7 光伏并网逆变器的配置选型

对逆变器的正确配置选型尤为重要，

逆变器的配置选型除了要根据整个光伏发电系统的各项技术指标并参考生产厂家提供的产品样本手册来确定外，还要根据电站的实际情况来选择不同的并网逆变器。