大型并網(wǎng)光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

袁金鋼

（中科恒源科技股份有限公司，湖南長沙 410000）

1 大型并網(wǎng)光伏電站的結(jié)構(gòu)概述

并網(wǎng)光伏電站按規(guī)模，可分為適于本地供電的分布式電站和適于遠(yuǎn)距離供電的集中式電站；按結(jié)構(gòu)功能劃分，可分為含蓄電池的可調(diào)度式光伏電站和不含蓄電池的不可調(diào)度式光伏電站；按轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，劃分可分為單級式結(jié)構(gòu)、雙級式結(jié)構(gòu)、多級式結(jié)構(gòu)；按接入相數(shù)，劃分可分為單相并網(wǎng)電站、三相并網(wǎng)電站。從工作原理上分析，都是將太陽能電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過一定的方式接入到公共電網(wǎng)之中供用戶使用。系統(tǒng)運(yùn)行所需構(gòu)件有光伏陣列、匯流箱、直流配電柜、控制器、蓄電池、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、電網(wǎng)接入系統(tǒng)（升壓、計量設(shè)備）、監(jiān)控及通信設(shè)備等。

2 大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 清潔性

太陽能是現(xiàn)階段已知的少數(shù)幾個完全清潔的能源類型，具有突出的環(huán)保性特點(diǎn)。在發(fā)電系統(tǒng)中，不使用對環(huán)境造成污染的能源或物質(zhì)。在電能的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用過程中，不會產(chǎn)生污染物及溫室氣體排放等問題，有利于促進(jìn)生態(tài)和諧，實現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2.2 靈活性

（1）由于并網(wǎng)光伏電站根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和需求可以有多種分類方式，可以帶蓄電池做成可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)，也可以不帶蓄電池直接接入電網(wǎng)；可以作為大型地面電站接入中高壓配電電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離供電，也可以直接送入本地用戶側(cè)供電電網(wǎng)。

（2）作為分布式電站應(yīng)用時，電站發(fā)的電經(jīng)過處理后并入供電電網(wǎng)，所發(fā)電能直接分配到負(fù)載上，系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的電力交換可以是雙向的。本地負(fù)載能夠并行使用市電和光伏發(fā)電作為電源，當(dāng)用電負(fù)荷過大或光伏電站供電不足時，負(fù)載可以從電網(wǎng)獲得能源，而當(dāng)光伏電站發(fā)電富余時，又可以向電網(wǎng)售電。

（3）作為不可調(diào)度發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用時，還可以省掉昂貴的儲能蓄電環(huán)節(jié)，大大節(jié)省了系統(tǒng)成本。

并網(wǎng)光伏電站的應(yīng)用可以根據(jù)需要、成本、環(huán)境條件等做成不同的形式，具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

2.3 安全性

與傳統(tǒng)發(fā)電相比較，光伏發(fā)電站不需要進(jìn)行高熱度的燃燒以及劇烈的反應(yīng)，整個發(fā)電的過程反應(yīng)非常小。從安全性的角度進(jìn)行分析，既保證了管理人員進(jìn)行管理操作的安全性，也保證了電站自身的安全性。

3 大型并網(wǎng)光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 光伏陣列

（1）光伏陣列是由若干光伏組件經(jīng)過串并聯(lián)后，以達(dá)到設(shè)計電壓、電流輸出的一種光伏組件組合形式，是光伏電站系統(tǒng)之中最主要的部分。它對光伏電站的最大影響是在光伏電池的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率上，其安裝位置及角度、安裝環(huán)境均直接影響光伏電池的輸出功率。當(dāng)前大型光伏電站的光伏陣列安裝大多采用固定式安裝，該安裝方式要求對光伏陣列進(jìn)行最佳傾角設(shè)計。由于其安裝位置固定，受環(huán)境及氣候影響，對光照的利用率受到限制。為達(dá)到設(shè)計容量，在加大光伏組件的使用量同時，也會導(dǎo)致占用更大的安裝面積。為實現(xiàn)資源節(jié)約型社會的戰(zhàn)略目標(biāo)，未來光伏陣列的發(fā)展一定會朝著高效率、高功率密度的方向發(fā)展。解決這一問題的技術(shù)手段有，可采用太陽光追蹤系統(tǒng)、新型光伏電池技術(shù)、最大功率跟蹤技術(shù)等。

（2）通過對太陽光的自動追蹤，可以大幅提高太陽光的利用率。目前，太陽光自動追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，還未實現(xiàn)大量應(yīng)用。未來太陽光自動追蹤系統(tǒng)的成本降低、機(jī)構(gòu)簡化、跟蹤精度提高等，都將成為研究的重點(diǎn)和必然的發(fā)展趨勢。

（3）當(dāng)前單晶硅、多晶硅光伏電池已得到廣泛應(yīng)用，但這類電池的理論轉(zhuǎn)換上限約為30%。如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)。通過新型光伏材料的研究以及新型光伏電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在一定程度上提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，國外研究設(shè)計了一種基于銻化鎵（GaSb）材料多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)光伏電池，這種電池堆疊成能捕獲太陽光譜幾乎所有能量的單個設(shè)備，可將44.5%的直射太陽光轉(zhuǎn)化為電力。更有研究人員提出了一種基于新材料的新型太陽能電池結(jié)構(gòu)，使用雙光子上轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)高于50%的理論轉(zhuǎn)換效率，新結(jié)構(gòu)通過將兩個低能光子轉(zhuǎn)換成能被該電池吸收的一個較高能量的光子來產(chǎn)生光電流。理論上，電池的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到63%。新材料、新結(jié)構(gòu)光伏電池把太陽能轉(zhuǎn)換效率提高到了一個新的水平，但是這類電池還有材料環(huán)保性、材料穩(wěn)定性、成本、制造工藝性等問題需要解決。當(dāng)前，還有一種利用光學(xué)元件將太陽光匯聚后再進(jìn)行發(fā)電的聚光太陽能技術(shù)，被認(rèn)為是第三代太陽能發(fā)電技術(shù)。但是聚光光伏組件目前還存在散熱、太陽光跟蹤、成本高等方面的實際問題需要解決，但也開始了積極的實踐與研究。

光伏陣列是由若干光伏組件串并聯(lián)組成的，由于環(huán)境以及組件本身的差異會造成光伏陣列具有多極值的突出特點(diǎn)，為最大限度的利用光伏陣列的功率，還應(yīng)設(shè)計出能獲得全局最大功率點(diǎn)的MPPT（Maximum Power Point Tracking，太陽能控制器）技術(shù)。在光伏陣列應(yīng)用過程中，熱斑效應(yīng)是造成光伏電池?fù)p害的最主要原因。因此，需要做好熱斑效應(yīng)的控制工作，目前對熱斑效應(yīng)進(jìn)行控制的主要方式就是并聯(lián)旁路二極管。從技術(shù)層面分析，未來的光伏組件形式可以向光伏發(fā)電與DC/DC轉(zhuǎn)換器一體化方向發(fā)展。在這一結(jié)構(gòu)之中，任何一個組件，都可以集成為小型的變換器，并形成智能控制模塊。使每個光伏組件實現(xiàn)單獨(dú)的保護(hù)控制及MPPT，每個光伏組件既可以對全局MPPT進(jìn)行匹配，又能解決熱斑保護(hù)問題。此外，光伏陣列在抗高溫以及抗風(fēng)沙方面，還存在一些際問題需要研究解決。

3.2 高性能并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器組合是光伏電站的重要構(gòu)成部分，主要的技術(shù)重點(diǎn)就是協(xié)調(diào)運(yùn)行與集群，通過技術(shù)手段有效的降低并網(wǎng)逆變器之間的不利影響，使逆變器集群作為一個整體穩(wěn)定運(yùn)行。在這一過程中需要解決的問題，如多機(jī)孤島檢測的沖突、內(nèi)部環(huán)流、諧波等。要達(dá)到逆變器的集群協(xié)調(diào)效果，還要實現(xiàn)電網(wǎng)通信、功率調(diào)節(jié)、低電壓穿越、機(jī)組投切、運(yùn)行優(yōu)化、綜合保護(hù)、故障冗余等多方面的實際功能效果。

除了以上的功能需求外，逆變器本身的轉(zhuǎn)換效率也是重要的指標(biāo)，提高逆變器效率最主要的研究方向就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇與運(yùn)用，開關(guān)頻率、開關(guān)器件研究與運(yùn)用、控制算法等。逆變器對系統(tǒng)并網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，大型并網(wǎng)光伏電站向電網(wǎng)發(fā)送的電能質(zhì)量應(yīng)滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)逆變器需要在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直流分量、電壓波動與閃變等方面進(jìn)行研究與控制。同時還要考慮電網(wǎng)對逆變器、逆變器對電網(wǎng)、逆變器對其控制部分的電磁兼容問題。

3.3 最大功率跟蹤技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤策略，是指通過一定的控制方法調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗，以使光伏系統(tǒng)輸出最大功率。實現(xiàn)方式有基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法，基于參數(shù)選擇方式的間接控制法，基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法。

基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法包括擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、實際測量法、寄生電容法等，該方法跟蹤精度較高，目前應(yīng)用廣泛；基于參數(shù)選擇方式的間接控制法，包括恒定電壓法、開路電壓比例系數(shù)法、短路電流比例系數(shù)法、曲線擬合法、查表法等。該方法需要擬定一個初始值作為控制的基礎(chǔ)，跟蹤誤差相對較大；基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法，該方法主要有模糊邏輯控制法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法等，該方法跟蹤精度高但實現(xiàn)過程復(fù)雜，對被控對象的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性要求較低，適合情況復(fù)雜的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)。以上各種最大功率跟蹤技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實踐應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)成本、應(yīng)用環(huán)境等綜合選擇。

3.4 孤島效應(yīng)檢測技術(shù)

（1）孤島效應(yīng)檢測技術(shù)是并網(wǎng)光伏電站必須具備的保護(hù)功能之一。當(dāng)電力供電電網(wǎng)因故障原因停電或需要停電檢修時，各用戶端的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須對供電電網(wǎng)的停電狀態(tài)進(jìn)行檢測，并能及時從電網(wǎng)中切離。一般來說，孤島效應(yīng)可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響。由此可見，作為一個安全可靠的并網(wǎng)逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應(yīng)并避免所帶來的危害。

（2）孤島效應(yīng)的檢測技術(shù)主要分為主動式及被動式。主動式檢測法包括電壓擾動法、功率擾動法、頻率擾動法。被動式檢測法主要有電壓頻率檢測法、電壓諧波檢測法、相位跳變檢測法。

（3）主動式檢測方法檢測精度高，非檢測區(qū)小，但是控制較復(fù)雜，且降低了逆變器輸出電能的質(zhì)量；而被動式檢測法的實現(xiàn)比較容易，該方法的經(jīng)濟(jì)性較好。但當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡時，則被動式檢測方法將失去孤島效應(yīng)檢測能力，存在較大的非檢測區(qū)域。因此使用被動式檢測法時要求非檢測區(qū)盡量小，并且要避免多逆變器并聯(lián)時多機(jī)檢測的相互影響。

（4）主動式、被動式檢測技術(shù)都存在各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。在實踐應(yīng)用中為較好地解決孤島檢測問題，并網(wǎng)逆變器的反孤島策略可以采用被動式檢測方案加上一種主動式檢測方案相結(jié)合的方式。

4 結(jié)語

綜上所述，大型并網(wǎng)光伏電站是現(xiàn)階段太陽能應(yīng)用的最主要形式之一。隨著現(xiàn)代技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電站的技術(shù)結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。因此，必須對電站的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)的研究。