第二节并网光伏系统

第二节并网光伏系统2.1并网光伏系统概述大型并网光伏电站系统框图光伏阵列将太阳能转变成直流电能，经逆变器的直流和交流逆变后，根据光伏电站接入电网技术规定由光伏电站容量确定光伏电站接入电网的电压等级，由变压器升压后，接入中压或高压电网。2.2并网光伏系统的构成光伏方阵（固定或跟踪）汇流箱直流配电柜并网逆变器交流配电柜电网接入系统（升压、计量设备等）交/直流电缆监控及通讯装置防雷接地装置大型电站设备配置太阳电池方阵接线箱直流配电逆变器交流配电箱式变压器数据显示和通信

1、光伏方阵光伏方阵分为两类：固定式和跟踪式

单轴跟踪系统双轴跟踪系统固定式——钢管埋地固定式——水泥基础光伏组件常见分类

单晶硅组件多晶硅组件非晶硅组件不同辐照度下电流和功率与电压的特性曲线（50%，80%，100%）功率随辐照度（光强）增长而增长不同温度下电流和功率与电压的特性曲线（25℃，50℃，75℃）温度升高，功率下降电流和功率与电压的特性曲线光伏方阵由光伏组件通过串联和并联形成。下图为太阳电池分别在串并联时产生的“热斑效应”（即被遮挡的太阳电池组件会被当做负载同时发热）。光伏组件串联示意光伏组件并联示意防止热斑现象的办法就是加装旁路二极管和阻断二极管。旁路二极管的作用是在被遮挡组件一侧提供电流通路；阻断二极管的作用是阻断被遮挡组件上的反向电流。2、光伏阵列汇流箱八进一出汇流箱十六进一出汇流箱大型电站组串汇流箱3、直流防雷配电柜直流断路器防反二极管光伏专用防雷器直流电压表直流防雷配电柜原理接线图直流配电柜4、并网逆变器逆变器作为太阳能光伏并网发电系统的核心部件，是将直流电转换为交流电的装置，其主要任务是向电网注入有功电流。并网光伏发电系统要求并网电流与电网电压同频同相位，因此要将参考电流的相位、频率与电网电压设为一致，因此实际应用中，需要使用锁相技术使并网电流同步跟踪电网电压。按是否带变压器可分为无变压器型和有变压器型。按组件接入情况划分单组串式、多组串式、集中式。集中式并网逆变器组串式并网逆变器多组串式并网逆变器并网逆变器的要求逆变器转换效率可靠性（元器件选择、保护功能）输出电流总谐波电子兼容技术（电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等）最大功率点跟踪技术（MPPT）电网锁相技术孤岛检测和防护并网电路拓扑结构并网系统的群控、监控及调度技术SG500KTL无变压器型并网逆变器主电路示意图并网逆变器的拓扑结构

（自身带有隔离变压器）并网逆变器的拓扑结构

（通过升压变压器并入高压电网）太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）通过对光伏阵列的输出电压进行实时调节，使其达到最大功率点工作电压而使光伏阵列的功率达到最大，这个过程就是最大功率点跟踪MPPT。由于光伏阵列装置成本比较高，光伏电池光电转换效率相对较低，这就需要使光伏阵列电能输出装置的转换效率最因此并网光伏发电系统就必须采取一定措施进行最大功率点跟踪控制。就P-V特线来说，最大功率点跟踪控制就是使光伏阵列的输出电压一直保持在最大功率点电压附近。最大功率点跟踪技术的控制方法最大功率点跟踪技术的控制方法多种多样，目前可分为非自寻优和自寻优算法两大类型。非自寻优法主要包括曲线拟合法、査表法；而自寻优方法主要包括恒定电压跟踪（CVT)方法、短路电流法、扰动观察法（P&0)、电导增量法（INV)等；在这些算基础上又产生了自适应、模糊控制、神经网络等人工智能算法。太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）要求：快速、准确和稳定孤岛现象和防护孤岛现象：当电网的部分线路因故障或检修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围的负载构成一个自给供电的孤岛。5、交流配电柜断路器光伏防雷器电压表电流表电能计量仪交流防雷配电柜原理接线图6、电网接入主要设备电网接入系统：低压配电网：0.4KV——即发即用、多余的电能送入电网中压电网：10KV、35KV——通过升压装置将电能馈入电网高压电网：110KV——通过升压装置将电能馈入电网，远距离传输23电压等级接入设备0.4KV低压配电柜10KV低压开关柜：提供并网接口，具有分断功能双绕组升压变压器：0.4/10KV双分裂升压变压器：0.27/0.27/10KV（TL逆变器）高压开关柜：计量、开关、保护及监控35KV低压开关柜：提供并网接口，具有分断功能双绕组升压变压器：0.4/10KV,10/35KV（二次升压）

0.4KV/35KV（一次升压）双分裂升压变压器：0.27/0.27/10KV,10KV/35KV

（TL逆变器）高压开关柜：计量、开关、保护及监控电网接入主要设备7、交/直流电缆直流电缆：（1）直流电缆包括汇流箱——直流防雷配电柜直流防雷配电柜——并网逆变器（2）直流电缆选择电缆的线径，一般要求损耗小于2%耐压1KV、单芯/双芯电缆阻燃、铠装低烟无卤（对于建筑光伏发电系统）桥架（对于建筑光伏发电系统）；直埋/电缆沟（对于大型光伏电站）（1）交流电缆包括并网逆变器——交流防雷配电柜交流防雷配电柜——升压变压器升压变压器——电网接入点（2）交流电缆选择电缆的线径，一般要求损耗小于2%根据电压等级选择相对应的耐压等级桥架（对于建筑光伏发电系统）；直埋/电缆沟（对于大型光伏电站）交流电缆：8、监控及通讯装置实现发电设备运行控制、电站故障保护和数据采集维护等功能，并与电网调度协调配合，提高电站自动化水平和安全可靠性，有利于减小光伏对电网影响。

在监控系统架构方面，采用与常规厂站综合自动化系统相同架构，即分层分布式结构。

站级控制层能量管理系统过程层间隔层底层设备层各电源控制并网逆变器常见的通讯方式光伏并网发电的主界面并网逆变器的运行界面光伏并网发电节能减排值9、防雷接地装置相关标准：目前没有颁布明确的相关设计标准参考标准：《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994(2000)

《交流电气装置的接地》

DL/T6211997SJ/T11127-1997光伏(PV)发电系统过电压保护－导则IEC60364-7-712-2002、IEC61557-4-2007大型光伏电站典型防雷方案防雷和接地2.3并网光伏系统的分类

太阳能光伏发电系统除独立光伏系统外，并网系统也是太阳能光伏发电的一种重要形式。独立光伏系统因不需要与公用电网相连接，所以必须增加储能元件，从而增加了系统的成本，而并网光伏系统接入国家电网，在系统发电量过剩时，将剩余电量输入国家电网，系统发电量不足时，将从国家电网购买电能，以供负载使用。并网光伏系统因为不需要专门的储能元件，所以建设和维护成本相对较低。并网光伏系统根据不同的构成，使用目的等可以进行各种分类，如根据光伏发电系统所产生的电能是否送到电力系统可分为有逆流型并网系统，无逆流型并网系统，切换型并网系统，直、交流型并网系统和地域型并网系统。

1、有逆流型并网系统有逆流型并网光伏系统示意图

有逆流型并网系统如上图所示，太阳电池方阵输出的电能供给负载后，因为这类系统中没有储能元件，所以当有剩余电能时剩余电能将流向电网，以免在发电量剩余时造成浪费，充分发挥太阳电池的发电能力，使电能得到充分利用。当太阳能电池方阵发出的电力达不到用户负载要求时，系统又可以从国家电网中得到负载所需要的电能，所以系统的效能比达到最高。有逆流型并网系统一般省去蓄电池，这对系统成本的减少，系统维护和检修费用的降低有重要意义。有逆流并网发电系统在住宅用，屋顶用以及BIPV光伏建筑一体化等光伏发电系统中，正得到越来越广泛的应用。目前国内外普遍采用的并网光伏系统就是有逆流型并网系统。2、

无逆流型并网系统无逆流型并网光伏系统示意图

无逆流型并网系统如上图所示，太阳电池方阵输出的电能供给负载，即使有剩余电能也不流向电网，此系统称为无逆流型并网系统。当太阳电池方阵的输出不能满足负载的需要时，则从国家电网获得电能以满足系统的要求。由于无逆流型系统中的太阳电池的输出不流入国家电网，因此无逆流型系统要对负载功率进行非常精确的估算，否则当太阳电池方阵所产生的电能过剩时既无法储存也无法输入国家电网，对资源是一种极大的浪费。3、

切换型并网系统切换型并网光伏系统示意图

切换型并网系统如上图所示，该系统主要由太阳电池、蓄电池、逆变器、切换器以及负载等构成。正常情况下，太阳能光伏系统与国家电网分离，直接向负载供电。而当日照不足或连续雨天，太阳能光伏系统的输出不足时，切换器自动切向国家电网一边，由电网向负载供电。这种系统特点是在设计蓄电池的容量时可选择较小容量的蓄电池，以节省投资。4、直、交流型并网系统左图（a）所示为直流并网型太阳能光伏系统。由于情报通信用电源为直流电源，因此，太阳能光伏系统所产生的直流电可以直接供给情报通讯设备使用。为了提高供电的可靠性和自立性，太阳能光伏系统也可同时与商用电力系统并用。

图（b）为交流并网型太阳能光伏系统，它可以为交流负载提供电能。图中，实线为通常情况下的电能流向，虚线为特殊（灾害）情况下的电流流向。5、

地域型并网系统传统的太阳能光伏系统示意图

传统的太阳能光伏系统如上图所示，该系统主要由太阳电池、逆变器、控制器、自动保护系统、负荷等构成。其特点是太阳能光伏系统分别与电力系统的配电线相连。各太阳能光伏系统的剩余电能直接送往电力系统（卖电）；各负荷的所需电能不足时，直接从电力系统得到电能（买电）。传统的太阳能光伏系统存在如下的问题：

1.逆充电问题所谓逆充电问题，是指当电力系统的某处出现事故时，尽管将此处电力系统的其他线路断开，但此处如果接有太阳能光伏系统的话，太阳能光伏系统的电能会流向该处，有可能导致事故处理人员触电，严重的会造成人身伤亡。

2.电压上升问题由于大量的太阳能光伏系统与电力系统并网，晴天时太阳能光伏系统的剩余电能会同时送往电力系统，使电力系统的电压上升，导致供电质量下降。3.太阳能发电的成本问题目前，太阳能发电的价格太高是制约太阳能发电普及的重要因素，如何降低成本是人们最为关注的问题。

4.负荷均衡问题为了满足最大负荷的需要，必须相应地增加发电设备的容量，但这样会使设备投资增加，不经济。

为了解决上述的问题，因此提出了地域并网型太阳能光伏系统。如下图所示，图中的虚线部分为地域并网光伏系统的核心部分。各负荷、太阳能发电站以及电能存储系统与地域配电线相连，然后与电力系统的高压配电线相连。太阳能发电站可以设在某地域的建筑物的壁面，学校、住宅等的屋顶、空地等处，太阳能发电站、电能储存系统以及地域配电线等设备由独立于电力系统的第三者（公司）建造并经营。地域型并网光伏系统示意图

该系统的特点是：

1.太阳能发电站发出的电能首先向地域内的负荷供电，有剩余电能时，电能存储系统先将其存储起来，若仍有剩余的电能时则卖给电力系统；当太阳能发电站的输出不能满足负荷的需要时，先由电能储存系统供电，仍不足时则从电力系统买电。这种并网系统与传统的并网系统相比，可以减少买、卖电量。太阳能发电站发出的电能可以在地域内得到有效地利用，可提高电能的利用率。

2.地域并网太阳能光伏系统通过系统并网装置（内设有开关）与电力系统相连。当电力系统的某处出现故障时，系统并网装置检测出故障，并自动断开开关，使得太阳能光伏系统与电力系统脱离，防止太阳能光伏系统的电能流向电力系统，有利用检修与维护，因此这种并网系统可以很好地解决逆充电问题；

3.地域并网太阳能光伏系统通过系统并网装置与电力系统相连，所以只需在并网处安装电压调整装置或使用其他方法，就可解决由于太阳能光伏系统同时向电力系统送电时所造成的系统电压上升问题；

4.由特点1可知，与传统的并网系统相比，太阳能光伏系统的电能首先供给给地域内的负荷，若仍有剩余电能则由电能储存系统储存，因此，剩余电能可以得到有效利用，可以大大降低成本，有助于太阳能发电的应用和普及；

5.负荷均衡问题。由于设置了电能储存装置，可以将太阳能发电的剩余电能储存起来，可以在最大负荷时向负荷提供电能，因此可以起到均衡负荷的作用，从而大大减少调峰设备，节约投资。

2.4

太阳能光伏并网发电对电网的影响

由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。至于有多大的影响尚不清楚，因为目前尚未见到光伏发电系统在电网潮流和稳定计算中的数学模型。我们知道目前电能是不能大规模低成本储存的，在可以预见的将来也不能大规模低成本储存。这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约，同时也受到地理上的限制。但是随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂，水电，核电等电厂的发电量处于可比较的数量级和成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策和环境效益带来如下问题：

1.负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。因为光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少电力系统发电机组的拥有量或冗余，所以电网必须为光伏发电系统准备相应的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的。这当然是发电商所不愿意看到的。

2.昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。

3.气象条件的变化。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时，如果地理气象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行