电气工程新技术专题

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1、0 引言随着以新能源及可再生能源为代表的微型能源发电技术、分布式发电技术以 及储能技术的飞速发展，新能源并网发电正在逐渐成为研究的热点。而太阳能光 伏发电作为新能源并网发电的重要组成部分，对分布式发电技术的深入研究和发 展有着重要作用。本篇论文主要从系统和存在问题两个方面对太阳能光伏发电并 网系统进行研究总结，论文首先介绍了光伏发电的研究现状和基本组成和基本技 术，接着联系实际对光伏发电并网大电网面临的问题进行了总结并提出了对策， 从而引导其有序发展，充分发挥可再生能源的优势，实现大电网与光伏发电等分 布式可再生能源发电的协调发展。1 光伏并网发电系统简介分布式发电也称分散式发电或分布式供能，

2、一般指以新能源和可再生能源为 主的小型的发电装置就近布置在负荷附近的发电方式。 新能源想要向电力用户 提供优质的供电服务，主要依靠分布式发电技术和储能技术相结合。新能源和可 再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等，国内外在新 能源利用和开发方面，将风力发电、太阳能光伏发电和燃料电池技术作为当前电 气工程重要的研究领域和发展方向。光伏并网发电是太阳能利用的一种形式， 它可将光伏电池组件转换的直流 电经逆变器逆变后向电网输送能量，可在一定程度上能缓解能源紧张的问题。目 前， 我国的光伏产业还处于起步阶段，还有很多问题需要解决。 我国政府也高 度重视光伏并网发电， 并逐步推广 “

3、屋顶计划”。 太阳能光伏并网发电正在由 补充能源向替代能源方向迈进。2 太阳能光伏发电的研究现状和发展前景2.1 国内外研究的现状 太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业 之一。目前国际上对太阳能资源己经十分重视。20 世纪 70 年代以来，鉴于常规 能源供给的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生 能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至 航天器，下至儿童玩具，光伏电源无处不在。西方一些发达国家纷纷出台有关政 策和法规来扶持光伏并网产业。1990 年德国率先提出并实施“一千屋顶计划”， 在居民住宅屋顶上安装太阳

4、能并网发电系统。现在德国的太阳能发电市场己从探 索阶段发展成为繁荣的专业市场。日本从 20 世纪 70 年代开始连续制订和实施了 几个太阳能发电发展5年计划，到1996 年底己安装2700 套并网户用太阳能发电系统，每套容量平均为3MW。按美国国家可再生能源实验室的估计，到2015 年太阳能发电电价将可与常见能源电价相当。多数人认为到下世纪中叶，太阳能 发电量将占世界总发电量的 15 一 20%，必将超过核电成为人类的基本能源之一。世界光伏产业发展迅速，最近 10 年太阳电池组件生产的年平均增长率达到 33%，最近5 年的年平均增长率达到 43%。我国从1958 年起就进行光伏器件研 究， 7

5、0 年代初成功地制造出空间光伏电源。 70 年代中期后，中国自制的光伏航 标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使用，光伏应用逐渐扩大到地面并 形成了中国的光伏产业。 80 年代，先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅 太阳电池生产设备，是中国的光伏工业开始起步。目前我国大约有40多个研究 机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、 光伏系统和部件等。2.2 太阳能光伏发电的前景目前，国际上光伏发电已进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长 率高达30%左右。另外发达国家先后宣布的太阳能屋顶计划强有力地支持了光伏 产业的发展，预计今后10年内太阳电池将以平均2

6、0%的年增长率增长。估计我 国的光伏产业也将以此速度增长。单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池将在今后 20 年内各占相当市场，光伏电池会扩大到一定的产量。多晶硅薄膜及染料光敏 化电池目前预测其产量还为时过早。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶 硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。在未来几年，我国也将开始发 展并网式屋顶光伏系统，但预计其系统功率将远不如发达国家，市场份额将不超 过 5%，但在 2020 年后并网系统将会得到防范发展。3 光伏发电系统及并网特点3.1 光伏发电系统在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电 能。通常光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池、

7、控制器、直流配电柜、逆变器和 交流配电柜等设备组成，见图1。其中太阳能电池方阵和逆变器是光伏系统的基 本要素。通过太阳能电池组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到 系统输入电压的要求。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过直流监测配电 箱汇集至逆变器（有蓄电池组时，还经充放电控制器同时向蓄电池组充电），将 直流电能转化为交流电力。图11) 充放电控制器充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能 的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放 电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路 中的位置，可分为串联控制型

8、和分流控制型;按照控制方式，可分为普通开关控 制型(含单路和多路开关控制)和 PWM 脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。 开关器件，可以是继电器，也可以是 MOSFET 模块。但 PWM 脉宽调制控制器， 只能用MOSFET模块作为开关器件2) 太阳能电池方阵 由太阳能电池组件按照系统需求串、并联组成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能的输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。3) 直流/交流逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式， 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运

9、行的太阳能电 池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统， 将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变 器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对 谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远 看，SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。4) 蓄电池蓄电池将太阳电池组件产生的电能存储起来，当光照不足或晚上，或者负载 需求大于太阳电池组件所发的电量时，将存储的电能释放以满足负载的能量需求 它是太阳能光伏系统的储能部件。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要 求是：(1)自放电率低

10、；(2)使用寿命长;(3)深放电能力强;充电效率高;(5)少维护或 免维护:(6)工作温度范围宽:(7)价格低廉。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸电池 对于较高要求的系统，通常是采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池等。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组 件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或在满足负载需求的情况下直接 给负载供电，如果日照不足或者是在夜间则是由蓄电池在控制器的控制下给直流 负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转 换成交流电。光伏系统的应用具有多种样式，但是其基本的原理大同小异。对于 其他类型的光伏系统只是在控制机理和系

11、统的部件上根据实际的需要有所不同 而略有不同3.2 光伏发电系统并网特点光伏发电系统并网的基本必要条件是，逆变器输出之正弦波电流的频率和相 位与电网电压的频率和相位相同。光伏发电系统并网有 2 种形式：集中式并网和 分散式并网。集中式并网：特点是所发电能被直接输送到大电网，由大电网统一调配向用 户供电，与大电网之间的电力交换是单向的。逆变器后380 V 三相交流电，接至 升压变前380 V母线，升压后上网，升压变比0.4/10.5 kV,示意图如图2所示。 适于大型光伏电站并网，通常离负荷点比较远，荒漠光伏电站采用这种方式并网。分散式并网：特点是所发的电能直接分配到用电负载上，多余或不足的电力

12、 通过联接大电网来调节，与大电网之间的电力交换可能是双向的，如图 3 所示。适于小规模光伏发电系统，通常城区光伏发电系统采用这种方式，特别是与建筑结合的光伏系统。3SQ V迪童器 AAJLI0 410 5 kVft-7j AillM23Q VjJcTnTV224) V 或180 V貼山呻；加山乖铳辿夬阳&RI电池一 m荷HVIldkV图2图34 光伏发电并网技术4.1 光伏发电并网功率变换技术设计一个高性能的太阳能功率变换器，电路拓扑的选择相当重要，因为电路 拓扑主要关系着效率、成本、安全以及可靠性。常用的电路结构按有无变压器分 为变压器隔离型与无变压器隔离型两类；按功率变换器的级数又可分为单

13、级式与 多级式两类，基本的电路如图 1.6 所示：W）多级无隔离式/DCDCX%DC/%（町单级无隔离式（b）单级隔离式2）乡级阳离式光伏发电变换器主要用于长期发电，因此效率也是一个相当重要的性能指针， 光伏发电变换器不可能像一般电源系统那样把最高效率点设计工作在某一个工 作点，于是定义了“欧洲效率”来评估光伏发电变换器转换器的效率。由于最高 效率的提升已经没有多大的空间，所以现在更加关注的是如何提高在低功率时变 换器的效率。多级式变换器必然带来多次的能量损耗，变压器的存在也加大的损 耗，在低功率时对效率的影响更大，于是电路拓扑朝着单级无隔离式发展。无隔 离式的变换器提高了效率、降低了成本，但

14、这使得太阳能电池将直接与电网相连， 这会在太阳能电池与地之间产生波动电压，不但使得在太阳能电池周围产生一个 电磁场，而且在太阳能电池表面形成一个电容，波动电流给此电容充电，如果有 人碰到太阳能电池时，就有触电的隐患。对于这两个影响的严重性，学术界争论一直没停止过，介于此危害的可能性， 欧洲一些国家（如英国和意大利）明确禁用无变压器隔离的光伏并网发电系统， 然而一些研究表明无变压器隔离而引起的影响是可以忽略不计的也不会导致危 险，不过还是推荐：电容电流不要超过“危险电流”（大约 10mA）。4.2 光伏发电并网控制技术关于并网型光伏系统相关的研究，国内外已有相当的发展，这些研究包括最 大功率跟踪

15、控制技术（Maximum Power Point Tracking, MPPT）、并网控制技术、并 网功率因数矫正、市电并联控制、孤岛效应侦测与保护技术、检测技术等等。这 些研究对于并网型太阳光变换器的商品化已奠定了相当的基础，然而目前销售的 光伏系统仍然有相当多的技术问题有待改善。本论文的研究内容为并网光伏发电 的三个关键技术：并网控制技术、最大功率跟踪技术和孤岛检测及保护技术，这 些将在后面的章节中做详细的研究讨论。由于目前的光伏产业向着光伏建筑集成发展，随着微电子控制技术、电力电 子技术将更加广泛深入的应用于光伏发电并网，日后必将形成一个智能型分布式 光伏电力网络。分布式发电系统，必须具

16、备良好的系统整合与监控功能，以确保 电网质量与安全，目前已有多项网络技术可应用于电力系统的实时监控，未来将 发展出利用现有电力网络整合通讯网路的技术，届时智能型分布式发电系统、网 络电表、电力网络交易将进入日常生活，借助因特网可进行远程监控以及提供用 户发电纪录与管理，未来甚至可进行电力的自由交易，电力将如信息一般可下载 与上传。5 光伏发电所面临的问题光伏发电功率输出受环境因素影响很大，在微网中运行，通过中低压配电网 接入互联特/超高压大电网，大规模并网将给整个电网带来深刻的影响，大电网 在研究与实验验证手段、对光伏发电系统影响大电网机理的认识、新型配电系统 的规划、电网运行控制、电网监测保护与控制装备、技术标准与规范等方面面临 新的问题。1）仿真分析研究与实验验证的技术装备