第二節(jié)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

第二節(jié)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)2.1并網(wǎng)光伏系統(tǒng)概述大型并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)框圖光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電能，經(jīng)逆變器的直流和交流逆變后，根據(jù)光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定由光伏電站容量確定光伏電站接入電網(wǎng)的電壓等級，由變壓器升壓后，接入中壓或高壓電網(wǎng)。2.2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的構(gòu)成光伏方陣（固定或跟蹤）匯流箱直流配電柜并網(wǎng)逆變器交流配電柜電網(wǎng)接入系統(tǒng)（升壓、計量設(shè)備等）交/直流電纜監(jiān)控及通訊裝置防雷接地裝置大型電站設(shè)備配置太陽電池方陣接線箱直流配電逆變器交流配電箱式變壓器數(shù)據(jù)顯示和通信

1、光伏方陣光伏方陣分為兩類：固定式和跟蹤式

單軸跟蹤系統(tǒng)雙軸跟蹤系統(tǒng)固定式——鋼管埋地固定式——水泥基礎(chǔ)光伏組件常見分類

單晶硅組件多晶硅組件非晶硅組件不同輻照度下電流和功率與電壓的特性曲線（50%，80%，100%）功率隨輻照度（光強）增長而增長不同溫度下電流和功率與電壓的特性曲線（25℃，50℃，75℃）溫度升高，功率下降電流和功率與電壓的特性曲線光伏方陣由光伏組件通過串聯(lián)和并聯(lián)形成。下圖為太陽電池分別在串并聯(lián)時產(chǎn)生的“熱斑效應(yīng)”（即被遮擋的太陽電池組件會被當做負載同時發(fā)熱）。光伏組件串聯(lián)示意光伏組件并聯(lián)示意防止熱斑現(xiàn)象的辦法就是加裝旁路二極管和阻斷二極管。旁路二極管的作用是在被遮擋組件一側(cè)提供電流通路；阻斷二極管的作用是阻斷被遮擋組件上的反向電流。2、光伏陣列匯流箱八進一出匯流箱十六進一出匯流箱大型電站組串匯流箱3、直流防雷配電柜直流斷路器防反二極管光伏專用防雷器直流電壓表直流防雷配電柜原理接線圖直流配電柜4、并網(wǎng)逆變器逆變器作為太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，其主要任務(wù)是向電網(wǎng)注入有功電流。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相位，因此要將參考電流的相位、頻率與電網(wǎng)電壓設(shè)為一致，因此實際應(yīng)用中，需要使用鎖相技術(shù)使并網(wǎng)電流同步跟蹤電網(wǎng)電壓。按是否帶變壓器可分為無變壓器型和有變壓器型。按組件接入情況劃分單組串式、多組串式、集中式。集中式并網(wǎng)逆變器組串式并網(wǎng)逆變器多組串式并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)逆變器的要求逆變器轉(zhuǎn)換效率可靠性（元器件選擇、保護功能）輸出電流總諧波電子兼容技術(shù)（電磁干擾、防雷、接地、浪涌、漏電等）最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT）電網(wǎng)鎖相技術(shù)孤島檢測和防護并網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)并網(wǎng)系統(tǒng)的群控、監(jiān)控及調(diào)度技術(shù)SG500KTL無變壓器型并網(wǎng)逆變器主電路示意圖并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

（自身帶有隔離變壓器）并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

（通過升壓變壓器并入高壓電網(wǎng)）太陽電池的最大功率跟蹤（MPPT）通過對光伏陣列的輸出電壓進行實時調(diào)節(jié)，使其達到最大功率點工作電壓而使光伏陣列的功率達到最大，這個過程就是最大功率點跟蹤MPPT。由于光伏陣列裝置成本比較高，光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，這就需要使光伏陣列電能輸出裝置的轉(zhuǎn)換效率最因此并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就必須采取一定措施進行最大功率點跟蹤控制。就P-V特線來說，最大功率點跟蹤控制就是使光伏陣列的輸出電壓一直保持在最大功率點電壓附近。最大功率點跟蹤技術(shù)的控制方法最大功率點跟蹤技術(shù)的控制方法多種多樣，目前可分為非自尋優(yōu)和自尋優(yōu)算法兩大類型。非自尋優(yōu)法主要包括曲線擬合法、査表法；而自尋優(yōu)方法主要包括恒定電壓跟蹤（CVT)方法、短路電流法、擾動觀察法（P&0)、電導增量法（INV)等；在這些算基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了自適應(yīng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法。太陽電池的最大功率跟蹤（MPPT）要求：快速、準確和穩(wěn)定孤島現(xiàn)象和防護孤島現(xiàn)象：當電網(wǎng)的部分線路因故障或檢修而停電時，停電線路由所連的并網(wǎng)發(fā)電裝置繼續(xù)供電，并連同周圍的負載構(gòu)成一個自給供電的孤島。5、交流配電柜斷路器光伏防雷器電壓表電流表電能計量儀交流防雷配電柜原理接線圖6、電網(wǎng)接入主要設(shè)備電網(wǎng)接入系統(tǒng)：低壓配電網(wǎng)：0.4KV——即發(fā)即用、多余的電能送入電網(wǎng)中壓電網(wǎng)：10KV、35KV——通過升壓裝置將電能饋入電網(wǎng)高壓電網(wǎng)：110KV——通過升壓裝置將電能饋入電網(wǎng)，遠距離傳輸23電壓等級接入設(shè)備0.4KV低壓配電柜10KV低壓開關(guān)柜：提供并網(wǎng)接口，具有分斷功能雙繞組升壓變壓器：0.4/10KV雙分裂升壓變壓器：0.27/0.27/10KV（TL逆變器）高壓開關(guān)柜：計量、開關(guān)、保護及監(jiān)控35KV低壓開關(guān)柜：提供并網(wǎng)接口，具有分斷功能雙繞組升壓變壓器：0.4/10KV,10/35KV（二次升壓）

0.4KV/35KV（一次升壓）雙分裂升壓變壓器：0.27/0.27/10KV,10KV/35KV

（TL逆變器）高壓開關(guān)柜：計量、開關(guān)、保護及監(jiān)控電網(wǎng)接入主要設(shè)備7、交/直流電纜直流電纜：（1）直流電纜包括匯流箱——直流防雷配電柜直流防雷配電柜——并網(wǎng)逆變器（2）直流電纜選擇電纜的線徑，一般要求損耗小于2%耐壓1KV、單芯/雙芯電纜阻燃、鎧裝低煙無鹵（對于建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)）橋架（對于建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)）；直埋/電纜溝（對于大型光伏電站）（1）交流電纜包括并網(wǎng)逆變器——交流防雷配電柜交流防雷配電柜——升壓變壓器升壓變壓器——電網(wǎng)接入點（2）交流電纜選擇電纜的線徑，一般要求損耗小于2%根據(jù)電壓等級選擇相對應(yīng)的耐壓等級橋架（對于建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)）；直埋/電纜溝（對于大型光伏電站）交流電纜：8、監(jiān)控及通訊裝置實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備運行控制、電站故障保護和數(shù)據(jù)采集維護等功能，并與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)配合，提高電站自動化水平和安全可靠性，有利于減小光伏對電網(wǎng)影響。

在監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)方面，采用與常規(guī)廠站綜合自動化系統(tǒng)相同架構(gòu)，即分層分布式結(jié)構(gòu)。

站級控制層能量管理系統(tǒng)過程層間隔層底層設(shè)備層各電源控制并網(wǎng)逆變器常見的通訊方式光伏并網(wǎng)發(fā)電的主界面并網(wǎng)逆變器的運行界面光伏并網(wǎng)發(fā)電節(jié)能減排值9、防雷接地裝置相關(guān)標準：目前沒有頒布明確的相關(guān)設(shè)計標準參考標準：《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-1994(2000)

《交流電氣裝置的接地》

DL/T6211997SJ/T11127-1997光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護－導則IEC60364-7-712-2002、IEC61557-4-2007大型光伏電站典型防雷方案防雷和接地2.3并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)除獨立光伏系統(tǒng)外，并網(wǎng)系統(tǒng)也是太陽能光伏發(fā)電的一種重要形式。獨立光伏系統(tǒng)因不需要與公用電網(wǎng)相連接，所以必須增加儲能元件，從而增加了系統(tǒng)的成本，而并網(wǎng)光伏系統(tǒng)接入國家電網(wǎng)，在系統(tǒng)發(fā)電量過剩時，將剩余電量輸入國家電網(wǎng)，系統(tǒng)發(fā)電量不足時，將從國家電網(wǎng)購買電能，以供負載使用。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)因為不需要專門的儲能元件，所以建設(shè)和維護成本相對較低。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)不同的構(gòu)成，使用目的等可以進行各種分類，如根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能是否送到電力系統(tǒng)可分為有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)，無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)，切換型并網(wǎng)系統(tǒng)，直、交流型并網(wǎng)系統(tǒng)和地域型并網(wǎng)系統(tǒng)。

1、有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)有逆流型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)如上圖所示，太陽電池方陣輸出的電能供給負載后，因為這類系統(tǒng)中沒有儲能元件，所以當有剩余電能時剩余電能將流向電網(wǎng)，以免在發(fā)電量剩余時造成浪費，充分發(fā)揮太陽電池的發(fā)電能力，使電能得到充分利用。當太陽能電池方陣發(fā)出的電力達不到用戶負載要求時，系統(tǒng)又可以從國家電網(wǎng)中得到負載所需要的電能，所以系統(tǒng)的效能比達到最高。有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)一般省去蓄電池，這對系統(tǒng)成本的減少，系統(tǒng)維護和檢修費用的降低有重要意義。有逆流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在住宅用，屋頂用以及BIPV光伏建筑一體化等光伏發(fā)電系統(tǒng)中，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外普遍采用的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)就是有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)。2、

無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)無逆流型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)如上圖所示，太陽電池方陣輸出的電能供給負載，即使有剩余電能也不流向電網(wǎng)，此系統(tǒng)稱為無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)。當太陽電池方陣的輸出不能滿足負載的需要時，則從國家電網(wǎng)獲得電能以滿足系統(tǒng)的要求。由于無逆流型系統(tǒng)中的太陽電池的輸出不流入國家電網(wǎng)，因此無逆流型系統(tǒng)要對負載功率進行非常精確的估算，否則當太陽電池方陣所產(chǎn)生的電能過剩時既無法儲存也無法輸入國家電網(wǎng)，對資源是一種極大的浪費。3、

切換型并網(wǎng)系統(tǒng)切換型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

切換型并網(wǎng)系統(tǒng)如上圖所示，該系統(tǒng)主要由太陽電池、蓄電池、逆變器、切換器以及負載等構(gòu)成。正常情況下，太陽能光伏系統(tǒng)與國家電網(wǎng)分離，直接向負載供電。而當日照不足或連續(xù)雨天，太陽能光伏系統(tǒng)的輸出不足時，切換器自動切向國家電網(wǎng)一邊，由電網(wǎng)向負載供電。這種系統(tǒng)特點是在設(shè)計蓄電池的容量時可選擇較小容量的蓄電池，以節(jié)省投資。4、直、交流型并網(wǎng)系統(tǒng)左圖（a）所示為直流并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)。由于情報通信用電源為直流電源，因此，太陽能光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電可以直接供給情報通訊設(shè)備使用。為了提高供電的可靠性和自立性，太陽能光伏系統(tǒng)也可同時與商用電力系統(tǒng)并用。

圖（b）為交流并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)，它可以為交流負載提供電能。圖中，實線為通常情況下的電能流向，虛線為特殊（災(zāi)害）情況下的電流流向。5、

地域型并網(wǎng)系統(tǒng)傳統(tǒng)的太陽能光伏系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)的太陽能光伏系統(tǒng)如上圖所示，該系統(tǒng)主要由太陽電池、逆變器、控制器、自動保護系統(tǒng)、負荷等構(gòu)成。其特點是太陽能光伏系統(tǒng)分別與電力系統(tǒng)的配電線相連。各太陽能光伏系統(tǒng)的剩余電能直接送往電力系統(tǒng)（賣電）；各負荷的所需電能不足時，直接從電力系統(tǒng)得到電能（買電）。傳統(tǒng)的太陽能光伏系統(tǒng)存在如下的問題：

1.逆充電問題所謂逆充電問題，是指當電力系統(tǒng)的某處出現(xiàn)事故時，盡管將此處電力系統(tǒng)的其他線路斷開，但此處如果接有太陽能光伏系統(tǒng)的話，太陽能光伏系統(tǒng)的電能會流向該處，有可能導致事故處理人員觸電，嚴重的會造成人身傷亡。

2.電壓上升問題由于大量的太陽能光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)，晴天時太陽能光伏系統(tǒng)的剩余電能會同時送往電力系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)的電壓上升，導致供電質(zhì)量下降。3.太陽能發(fā)電的成本問題目前，太陽能發(fā)電的價格太高是制約太陽能發(fā)電普及的重要因素，如何降低成本是人們最為關(guān)注的問題。

4.負荷均衡問題為了滿足最大負荷的需要，必須相應(yīng)地增加發(fā)電設(shè)備的容量，但這樣會使設(shè)備投資增加，不經(jīng)濟。

為了解決上述的問題，因此提出了地域并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)。如下圖所示，圖中的虛線部分為地域并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心部分。各負荷、太陽能發(fā)電站以及電能存儲系統(tǒng)與地域配電線相連，然后與電力系統(tǒng)的高壓配電線相連。太陽能發(fā)電站可以設(shè)在某地域的建筑物的壁面，學校、住宅等的屋頂、空地等處，太陽能發(fā)電站、電能儲存系統(tǒng)以及地域配電線等設(shè)備由獨立于電力系統(tǒng)的第三者（公司）建造并經(jīng)營。地域型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)的特點是：

1.太陽能發(fā)電站發(fā)出的電能首先向地域內(nèi)的負荷供電，有剩余電能時，電能存儲系統(tǒng)先將其存儲起來，若仍有剩余的電能時則賣給電力系統(tǒng)；當太陽能發(fā)電站的輸出不能滿足負荷的需要時，先由電能儲存系統(tǒng)供電，仍不足時則從電力系統(tǒng)買電。這種并網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)相比，可以減少買、賣電量。太陽能發(fā)電站發(fā)出的電能可以在地域內(nèi)得到有效地利用，可提高電能的利用率。

2.地域并網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)通過系統(tǒng)并網(wǎng)裝置（內(nèi)設(shè)有開關(guān)）與電力系統(tǒng)相連。當電力系統(tǒng)的某處出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)并網(wǎng)裝置檢測出故障，并自動斷開開關(guān)，使得太陽能光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)脫離，防止太陽能光伏系統(tǒng)的電能流向電力系統(tǒng)，有利用檢修與維護，因此這種并網(wǎng)系統(tǒng)可以很好地解決逆充電問題；

3.地域并網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)通過系統(tǒng)并網(wǎng)裝置與電力系統(tǒng)相連，所以只需在并網(wǎng)處安裝電壓調(diào)整裝置或使用其他方法，就可解決由于太陽能光伏系統(tǒng)同時向電力系統(tǒng)送電時所造成的系統(tǒng)電壓上升問題；

4.由特點1可知，與傳統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)相比，太陽能光伏系統(tǒng)的電能首先供給給地域內(nèi)的負荷，若仍有剩余電能則由電能儲存系統(tǒng)儲存，因此，剩余電能可以得到有效利用，可以大大降低成本，有助于太陽能發(fā)電的應(yīng)用和普及；

5.負荷均衡問題。由于設(shè)置了電能儲存裝置，可以將太陽能發(fā)電的剩余電能儲存起來，可以在最大負荷時向負荷提供電能，因此可以起到均衡負荷的作用，從而大大減少調(diào)峰設(shè)備，節(jié)約投資。

2.4

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響

由于太陽能光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩(wěn)定差，調(diào)節(jié)能力差的能源，發(fā)電量受天氣及地域的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后會對電網(wǎng)安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟運行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成一定影響。至于有多大的影響尚不清楚，因為目前尚未見到光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)潮流和穩(wěn)定計算中的數(shù)學模型。我們知道目前電能是不能大規(guī)模低成本儲存的，在可以預見的將來也不能大規(guī)模低成本儲存。這就使得光伏發(fā)電的應(yīng)用受到物理因素的制約，同時也受到地理上的限制。但是隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，當光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中與火電廠，水電，核電等電廠的發(fā)電量處于可比較的數(shù)量級和成為不可忽略的一部分時，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對現(xiàn)有發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術(shù)、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益帶來如下問題：

1.負荷峰谷對電網(wǎng)的影響。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調(diào)峰和調(diào)頻能力，這將對電網(wǎng)的早峰負荷和晚峰負荷造成沖擊。因為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加的發(fā)電能力并不能減少電力系統(tǒng)發(fā)電機組的擁有量或冗余，所以電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準備相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用機組來解決早峰和晚峰的調(diào)峰問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機組利用小時數(shù)下降為代價的。這當然是發(fā)電商所不愿意看到的。

2.晝夜變化，東西部時差以及季節(jié)的變化對電網(wǎng)的影響。由于陽光和負荷出現(xiàn)的周期性，光伏并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對電網(wǎng)裝機容量的需求。

3.氣象條件的變化。當一個城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達到一定規(guī)模時，如果地理氣象出現(xiàn)大幅變化，電網(wǎng)將為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的區(qū)域性旋轉(zhuǎn)備用機組和無功補償容量，來控制和調(diào)整系統(tǒng)的頻率和電壓。在這種情況下，電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟運行方式為代價來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行