分布式光伏發電系統淺論

摘要：分布式光伏發電作為新興能源產業，分為獨立和并網兩種方式，由于光伏并網發電具有拓撲結構簡單、成本低、易控制、效率高等優點，已經逐步成為未來光伏發電的熱點。文章介紹了分布式光伏并網發電系統的主要構成、基本原理和關鍵技術以及對電網的影響、發展前景等內容，旨在對分布式并網發電技術的發展提供理論支撐。

關鍵詞：分布式；光伏發電系統；并網發電；電力生產；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）13-0090-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.043

分布式光伏發電是一種新興的、具有廣闊發展前景的技術，具有輸出功率較小、綠色環保等特點。該技術采取就近發電、就近并網、就近轉換、就近使用的原則，利用光伏組件將太陽能直接轉化為電能，既能緩解局部用電緊張狀況，又能解決長距離輸電的損耗問題，還能與大電網互為備用，提高供電可靠性，對于優化我國能源結構、促進節能減排、防治大氣污染具有重要意義。

1 分布式光伏并網發電系統的基本原理

分布式光伏并網發電系統是近年來提出的“微電網”的一部分，是一個能實現自我控制、保護和管理的自治系統。其核心問題是使系統充分利用太陽能資源，在安裝組件時應確保向陽光最充足的方向安裝。其基本原理是利用太陽能電池組的光生伏打效應，通過并網逆變器，將光伏電池產生的直流電轉換成與電網電壓同頻同相的交流電。太陽能轉換為電能，主要分三步：（1）太陽能電池吸收一定能量的光子后，半導體內產生電子-空穴對，電子帶負電，空穴帶正電；（2）電極性相反的光生載流子被太陽能電池產生的靜電場分離開；（3）光生載流子和空穴分別被太陽能電池的正負極收集，在外電路中產生電流，形成電能。

分布式光伏發電系統主要分為就近較低電壓等級并網和集中控制、高壓單點兩種并網方式。小型光伏發電系統對公共電網的影響相對較小，一般采用就近較低電壓等級并網方式。大中型光伏電站通常并網容量大，對電網潮流影響較大，一般采用集中控制、高壓單點并網方式。

2 分布式光伏并網發電系統的主要構成

分布式光伏并網發電系統主要由太陽能電池組件、光伏方陣支架、并網逆變器、蓄電池、直流匯流箱、直流配電柜、交流配電柜、系統監控和環境監測裝置等構成。其基本運行模式是，當太陽輻射時，太陽能電池組件將太陽能轉換成電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器轉換成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力由所接入的電網調節。

2.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件是分布式光伏發電系統的核心部件之一，目前應用最廣泛的太陽能電池組件是結晶硅組件，用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封而成，并加裝鋁合金邊框，具有抗風、抗冰雹、便于安裝等特點。太陽能電池通常由高純硅材料制成，是一種半導體PN結器件。按照發電效率由高至低的順序分為非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅電池、單晶硅電池和薄膜復合晶硅電池。其作用是將太陽能轉化為電能，存儲到蓄電池或推動負載工作。

2.2 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器是一種將直流電轉換為交流電的電子器件，具備自動穩頻和穩壓的功能，能夠確保光伏并網發電系統的供電質量。主要作用是將太陽能電池組件產生的直流電（12V、24V、48V）逆變成交流電，然后送入公共電網。主要性能指標是平均故障修復時間（MTTR）、故障率、可靠度、平均故障間隔時間（MTBF）。光伏并網逆變器分為電流源電流控制、電壓源電壓控制、電流源電壓控制、電壓源電流控制四種。為確保光伏并網發電系統具備良好的動態響應，光伏并網逆變器應選擇電壓源進行輸入。如采用電壓控制方式進行輸出，需要使用鎖相控制技術實現與電網同步的目的，但鎖相回路響應時間較長，很難對并網逆變器輸出電壓值進行準確控制，易造成噪聲環流現象，因此建議采用電流控制方式作為光伏并網逆變器的輸出方式。為提高并網電流質量，光伏并網逆變器電流輸出側需使用合適的濾波器。同時為確保公共電網的安全，并網逆變器還要考慮三相電壓、電流不平穩、欠壓、防雷接地保護、短路保護、防孤島效應等保護措施。

2.3 蓄電池

其作用是在有光照時儲存太陽能電池板的電能，供負載使用。蓄電池一般使用免維護鉛酸電池，也可使用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。主要性能指標包括額定容量、低溫放電和充電性能、充電效率以及深放電后的恢復性能、使用壽命等。

2.4 充電控制器

蓄電池因日照影響頻繁充放電會出現過充電和過放電現象，縮短使用壽命。充電控制器能為蓄電池提供穩定的充電電流和電壓，起到過充電（放電）保護的作用。

2.5 監測系統

監測系統由數據采集系統、數據傳輸系統和數據中心組成。其中，數據采集系統包括環境監測、電參數監測等設備，主要功能是從電壓傳感器、電流傳感器、智能傳感器、溫度傳感器等被測單元中采集數據，送至上位機進行分析處理；數據傳輸系統主要用于電站數據監測系統中監測裝置與數據采集裝置之間、數據采集裝置與數據中心之間的數據傳輸；數據中心是指集中多個光伏電站數據的環境，將傳感器采集的信息在數據中心進行處理和顯示。

3 分布式光伏并網發電的關鍵技術

3.1 網絡拓撲技術

分布式光伏系統的網絡拓撲結構與傳統的集中式發電系統相比，存在較大差異。研究設計分布式光伏發電系統的網絡拓撲結構，關鍵要充分考慮當地太陽能的分布預測和負荷水平，在可用性、隨機性方面給予正確評估。

3.2 分布式發電系統并網控制技術

分布式光伏系統具有多并網逆變器和多能量來源等特點，必須注重在并網運行中的相互耦合影響以及并網協調的控制問題。為實現負荷穩態的合理動態分配，必須注重多個逆變器在獨立運行中的協調控制問題，同時還要深入研究能夠適合于并網逆變器的無盲區孤島檢測問題。

3.3 鎖相環控制技術

鎖相環是控制光伏發電系統并網輸出的交流電與市電同頻共相的一項技術，它作為一種反饋控制電路，接受外部信號后，與自身系統信號比較，再通過其內部的相關環節控制內部環路信號的相位和頻率，然后發出信號。

其中鑒相器主要負責檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將相位差轉化成電壓信號的形式。當輸入信號出現波動時，鑒相器的輸出電壓信號將產生紋波。環路濾波器主要負責將這些電壓信號平均化，并去除紋波，得到較為穩定的電壓信號。壓控振蕩器主要負責接受穩定的電壓信號，并產生一定頻率的輸出信號，輸出信號傳到開關管的控制電路，控制開關管的開關，使逆變器的輸出電能與市電同頻共相。

4 分布式光伏并網發電對電網的影響

我國中低壓配電網大多采用中性點不接地系統，屬于單側電源輻射性供電網絡，而分布式發電系統接入配電網，使配電系統從放射性結構變為多電源結構，潮流和短路電流大小、流向以及分布特性均會產生變化，對電網造成不良影響。

4.1 對電壓調節的影響

接入分布式光伏電源后，會造成局部配電線路的電壓波動和閃變，既定的電壓方案不能滿足配電網電壓調節的要求。

4.2 對電流保護的影響

接入分布式電源后，當電路發生故障時，主要對繼電保護、重合閘等動作產生影響。比如：降低本線路保護的靈敏度，甚至出現本線路保護的誤動和拒動；導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動，失去選擇性；重合閘不能正常運行等。

4.3 出現非正常孤島現象

孤島效應是指當電網出現電氣故障或其他原因中斷供電時，并網發電系統仍然向周圍的負載供電，從而形成無法控制的自給供電孤島。盡管當前絕大多數光伏逆變器采用了預測孤島現象和切斷電路的設計，但分布式光伏發電系統在多個逆變器并聯且相互影響的情況下，仍會出現無法預測的孤島現象，進而損壞用電設備，甚至威脅到電網檢修人員的安全。

4.4 對電能質量的影響

分布式光伏發電系統的逆變器使用了大量的電力電子元件，逆變器并網易產生諧波、三相電流不平衡，造成電網電壓波動和閃變。

5 分布式光伏并網發電的發展前景

近年來，為解決能源問題和環境問題，國外許多發達國家十分重視分布式光伏系統的研發，光伏發電產業發展很快。我國也加大了分布式光伏發電的支持力度，國家和地方政府相繼出臺了一系列促進光伏產業發展的相關政策。目前分布式光伏發電已在發電站、交通監控、景觀照明、道路照明等領域得到廣泛應用，越來越多的居民開始使用家用太陽能電源產品。當前應用最廣泛的分布式光伏發電系統是居民自建房屋、城市居民小區、產業聚集區廠房等建筑屋頂上的規模較小的光伏發電項目，其顯著優點是日照輻射好，不占專用地，光伏組件安裝相對自由，系統效率高，便于大規模推廣應用。據有關資料統計，2014年，分布式光伏發電建設規模占800萬千瓦，超過建設規?？傤~的一半。國家公布的相關規劃明確提出，鼓勵在中東部地區建設與建筑結合的分布式光伏發電系統，鼓勵單位、社區和家庭安裝和使用分布式光伏發電系統，同時，屋頂問題、接入問題和貸款問題也將逐步得到解決。另外，國家將在每個省建設500MW分布式光伏發電應用示范區，分布式光伏發電將會在國內迎來更為廣闊的前景。

參考文獻

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作者簡介：吳亞瓊（1984-），女，河北石家莊人，石家莊科林電氣股份有限公司初級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

（責任編輯：王 波）