光伏并网发电 / 独立供电系统的工作原理探究

田 巍 刘国超

辽宁太阳能研究应用有限公司，辽宁沈阳 110136

2015年一部《穹顶之下》纪录片震撼了整个中国。由此，清洁能源的呼声越来越强烈。我国虽然能源储量丰富，但是作为能耗大国，煤炭的过度开采、废气排放等让大众难以见到青天。寻找清洁、可再生、绿色的新能源刻不容缓。随着我国工业水平与新兴技术水平的不断提升，对电力的需求也越来越旺盛，促使了人们对新能源发电技术的研究与应用。太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，成为当下新能源开发的宠儿。

1 研究背景及其发展现状与前景

当前国家已将“节能、减排”列入政府工作范围，对新能源的研究和利用，给予大量的技术和资金扶持。资料显示，太阳每秒照射到地球上的能量相当于500万t煤燃烧所产生的能量，而且还不排放任何有害气体。合理利用太阳光热，并将其替代为能源，这将是未来人们所获得能源的重要来源之一。

太阳能光伏并网发电系统，是将太阳能转换为电能的发电技术，具有安全性高、无噪声、不受地形控制、无污染、建设周期短等一系列优势。随着各类光伏发电技术不断取得突破，我国的光伏发电技术得到了长足发展。从世界范围来讲，光伏发电尚处于初期的开发和示范阶段，部分国家已进入到规模化发展阶段。

我国早在2004年6月通过了调整优化能源产业结构的战略方针。2005年2月28日通过了《可再生能源法》，让新能源事业的发展有了法律依靠，成为全世界第二个颁布《可再生能源法》的国家。中央政策的扶持，有力地促进了我国以太阳能为首的新能源开发，尤其是光伏行业的发展已进入到一个新的高度。目前，我国光伏产业的研发、生产以及产品开发能力不断增强，并形成了较为完善的产业链，在国际光伏产业占有重要地位。

2 太阳能光伏并网发电与独立发电系统

2.1 光伏并网发电系统

并网发电相较于太阳能发电系统，具有许多优点，如不需要蓄电池、背靠电网等。在当前的发电系统研究中，正在不断进行更加深入的研究。

2.2 并网发电系统的组成

并网发电系统原理：将太阳能直接转变为低压电流，然后再通过逆变器将光伏电池组成产生的低压电流变成高压交流电，最终连入电网。当白天有日照产生太阳能时，并网系统能将低压电经过逆变器转换为交流电，并供电器使用。当所发电的电力超出电器所消耗的电力时，电力将会逆流到电网，并由电力公司按规定价格进行收购。若所发电量不足以支撑电器消耗时，将由市电输送。并网发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、并网逆变器三大部分组成。

太阳能电池板：是整个发电系统的发电单元，当太阳能照射在太阳能电池板的电池列阵上时，电池产生光伏效应，并产生低压电流，并将低压电流转化为直流电能。

太阳能控制器：由于并网发电系统容易受到天气、气温等外界因素影响，要保证整个发电系统常年可以输出功率，需要引入太阳能控制器对电池板进行最大功率跟踪控制。

并网逆变器：逆变器的作用就是将电池板产生的直流电转化为可供电器使用及电网使用的交流电，进行有效补偿或售出余额电力。

2.3 并网逆变器的算法

并网逆变器可以称之为整个并网发电系统的核心。并网逆变器的算法直接关系到逆变器的转换效率。逆变器主要由逆变电路、控制电路和滤波电路组成。逆变器工作室电路中的振荡电路，会将太阳能电池板产生的直流电转化为交流电，线圈升降则将不规则交流电变为方波交流电，最终通过整流器将方波交流电转变为正弦波交流电。

电子元件的开关需要一定的电子脉冲，电子脉冲则需要电压信号来进行有效调节，产生和调节电压信号这一过程则称之为控制电路。滤波电路的作用则是确保产生交流电的电子信号不失真，防止输出电路中出现噪声和干扰信号。

当前，光伏并网控制策略主要有以下四种方式：电压源-电压控制、电压源-电流控制、电流源-电压控制、电流源-电流控制。

2.4 太阳能独立发电系统

太阳能独立发电系统的发电原理与并网发电原理类似，也是交流负载，只是太阳能独立发电系统，不与市电并网，需要自己单独储备电力，不背靠电网，一旦长时间天气状况欠佳，无光照、储备电力耗尽的情况下，将无电可用。

太阳能独立发电系统与并网发电系统最根本的区别在于，独立太阳能发电系统需要蓄电池，需要扩张安装范围，并且有一定的污染，在电网灵活性上有一定欠缺，在储能和放能的环节容易造成一定消耗。

太阳能独立发电系统，需要配备专门技术人员对化学电池进行管理。化学电池是由化学能转换为电能来输出电力的装置。独立供电系统工作时，铅酸蓄电池的电池组会储存或者释放能量来进行工作。

天气晴好阳光明媚时，光伏系统为独立逆变形态，可以根据太阳能电池板电磁列阵的容量来发电并对蓄电池进行充电储能。到了夜间或天气状况不佳等情况下，蓄电池通过逆变来对外进行放能供电。

可见，光伏并网发电系统将是未来高效利用绿色能源的有效途径。

3 并网发电系统目前仍存在的问题

太阳能光伏发电密度低，受太阳天气因素制约较大。由于我国地处北半球，国土广袤，地形地势多样，气候多样。导致太阳能光伏发电比较依赖天气气候。此外，并网发电对电网安全、维护成本、稳定运营提出了新的要求。

3.1 并网发电系统输出功率不够稳定

太阳能光伏并网发电系统的发电功率不仅依赖天气，还依赖自身设备的影响。例如：光伏电池板的清洁状况、逆变器的工作效率、谐波、温度、湿度等多种因素。因此要想确保并网发电系统稳定的输出电力，需要配备相应的备用发电机组供并网系统无法发电时使用，在并网发电系统正常工作时，要做好相应的发电波动记录，进行实施跟踪，出现异常及时排查。

3.2 孤岛效应

光伏并网发电系统容易产生孤岛效应。通俗的讲就是断电后，供电系统仍然会带电，这对维修人员的生命安全带来一定威胁。同时这种孤岛效应还会给用电设备带来损害。因此在检修或者设备出现异常时，或检测到孤岛效应存在时，要切断并网逆变器。

3.3 短路保护问题

供电系统接入多个分散并网发电系统后，短路电流会突然增大，长期不稳定的输电，容易使过流保护出现配合失误。因此，需要安装具有方向性的保护装置来替代传统的熔断器保护装置。

3.4 对电能质量的影响

太阳能光伏并网发电系统主要通过对分散低压电源进线转换为高压然后通过逆变器最终并入电网的。太阳能光伏电池板组件将太阳能转变为直流电能，再通过逆变器将直流电转变为与电网本身同频率和相位的正弦波电流。在电流转换过程中，容易产生噪音和谐波，容易对电能的质量产生影响。因此，在最终并入网的电流前要对光伏所发的电进行谐波检测，确保电流符合相应标准才能批准入网，如果不符合，需要安装滤波装置来提升电能质量。

4 结语

独立供电系统在历史长河中发挥了至关重要的作用，在如今许多地方仍发挥余热。并网发电系统是当前太阳能发电技术中节能、成本低的太阳能利用方式之一。随着光伏电池成本、气候等因素制约，并网发电系统逐步取代独立供电系统，在当前的能源市场上发挥更大的作用与价值。随着科学技术不断发展，不断突破，并网发电系统在未来会更加高效、低廉，从而得到广泛应用。

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