大型并网光伏电站的关键技术研究及应用

袁金钢

（中科恒源科技股份有限公司，湖南长沙 410000）

1 大型并网光伏电站的结构概述

并网光伏电站按规模，可分为适于本地供电的分布式电站和适于远距离供电的集中式电站；按结构功能划分，可分为含蓄电池的可调度式光伏电站和不含蓄电池的不可调度式光伏电站；按转换环节，划分可分为单级式结构、双级式结构、多级式结构；按接入相数，划分可分为单相并网电站、三相并网电站。从工作原理上分析，都是将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，通过一定的方式接入到公共电网之中供用户使用。系统运行所需构件有光伏阵列、汇流箱、直流配电柜、控制器、蓄电池、并网逆变器、交流配电柜、电网接入系统（升压、计量设备）、监控及通信设备等。

2 大型并网光伏发电系统的特点

2.1 清洁性

太阳能是现阶段已知的少数几个完全清洁的能源类型，具有突出的环保性特点。在发电系统中，不使用对环境造成污染的能源或物质。在电能的产生、转化及应用过程中，不会产生污染物及温室气体排放等问题，有利于促进生态和谐，实现我国的可持续发展战略。

2.2 灵活性

（1）由于并网光伏电站根据不同的应用环境和需求可以有多种分类方式，可以带蓄电池做成可调度发电系统，也可以不带蓄电池直接接入电网；可以作为大型地面电站接入中高压配电电网进行远距离供电，也可以直接送入本地用户侧供电电网。

（2）作为分布式电站应用时，电站发的电经过处理后并入供电电网，所发电能直接分配到负载上，系统与电网之间的电力交换可以是双向的。本地负载能够并行使用市电和光伏发电作为电源，当用电负荷过大或光伏电站供电不足时，负载可以从电网获得能源，而当光伏电站发电富余时，又可以向电网售电。

（3）作为不可调度发电系统应用时，还可以省掉昂贵的储能蓄电环节，大大节省了系统成本。

并网光伏电站的应用可以根据需要、成本、环境条件等做成不同的形式，具有相当的灵活性。

2.3 安全性

与传统发电相比较，光伏发电站不需要进行高热度的燃烧以及剧烈的反应，整个发电的过程反应非常小。从安全性的角度进行分析，既保证了管理人员进行管理操作的安全性，也保证了电站自身的安全性。

3 大型并网光伏电站的关键技术及应用现状

3.1 光伏阵列

（1）光伏阵列是由若干光伏组件经过串并联后，以达到设计电压、电流输出的一种光伏组件组合形式，是光伏电站系统之中最主要的部分。它对光伏电站的最大影响是在光伏电池的输出功率及转换效率上，其安装位置及角度、安装环境均直接影响光伏电池的输出功率。当前大型光伏电站的光伏阵列安装大多采用固定式安装，该安装方式要求对光伏阵列进行最佳倾角设计。由于其安装位置固定，受环境及气候影响，对光照的利用率受到限制。为达到设计容量，在加大光伏组件的使用量同时，也会导致占用更大的安装面积。为实现资源节约型社会的战略目标，未来光伏阵列的发展一定会朝着高效率、高功率密度的方向发展。解决这一问题的技术手段有，可采用太阳光追踪系统、新型光伏电池技术、最大功率跟踪技术等。

（2）通过对太阳光的自动追踪，可以大幅提高太阳光的利用率。目前，太阳光自动追踪系统结构复杂、成本较高，还未实现大量应用。未来太阳光自动追踪系统的成本降低、机构简化、跟踪精度提高等，都将成为研究的重点和必然的发展趋势。

（3）当前单晶硅、多晶硅光伏电池已得到广泛应用，但这类电池的理论转换上限约为30%。如何提高光伏电池的转换效率一直是业界研究的重点。通过新型光伏材料的研究以及新型光伏电池结构设计，可以在一定程度上提高光伏电池的转换效率，国外研究设计了一种基于锑化镓（GaSb）材料多结叠层结构光伏电池，这种电池堆叠成能捕获太阳光谱几乎所有能量的单个设备，可将44.5%的直射太阳光转化为电力。更有研究人员提出了一种基于新材料的新型太阳能电池结构，使用双光子上转换来实现高于50%的理论转换效率，新结构通过将两个低能光子转换成能被该电池吸收的一个较高能量的光子来产生光电流。理论上，电池的转换效率可以达到63%。新材料、新结构光伏电池把太阳能转换效率提高到了一个新的水平，但是这类电池还有材料环保性、材料稳定性、成本、制造工艺性等问题需要解决。当前，还有一种利用光学元件将太阳光汇聚后再进行发电的聚光太阳能技术，被认为是第三代太阳能发电技术。但是聚光光伏组件目前还存在散热、太阳光跟踪、成本高等方面的实际问题需要解决，但也开始了积极的实践与研究。

光伏阵列是由若干光伏组件串并联组成的，由于环境以及组件本身的差异会造成光伏阵列具有多极值的突出特点，为最大限度的利用光伏阵列的功率，还应设计出能获得全局最大功率点的MPPT（Maximum Power Point Tracking，太阳能控制器）技术。在光伏阵列应用过程中，热斑效应是造成光伏电池损害的最主要原因。因此，需要做好热斑效应的控制工作，目前对热斑效应进行控制的主要方式就是并联旁路二极管。从技术层面分析，未来的光伏组件形式可以向光伏发电与DC/DC转换器一体化方向发展。在这一结构之中，任何一个组件，都可以集成为小型的变换器，并形成智能控制模块。使每个光伏组件实现单独的保护控制及MPPT，每个光伏组件既可以对全局MPPT进行匹配，又能解决热斑保护问题。此外，光伏阵列在抗高温以及抗风沙方面，还存在一些际问题需要研究解决。

3.2 高性能并网逆变器

并网逆变器组合是光伏电站的重要构成部分，主要的技术重点就是协调运行与集群，通过技术手段有效的降低并网逆变器之间的不利影响，使逆变器集群作为一个整体稳定运行。在这一过程中需要解决的问题，如多机孤岛检测的冲突、内部环流、谐波等。要达到逆变器的集群协调效果，还要实现电网通信、功率调节、低电压穿越、机组投切、运行优化、综合保护、故障冗余等多方面的实际功能效果。

除了以上的功能需求外，逆变器本身的转换效率也是重要的指标，提高逆变器效率最主要的研究方向就是拓扑结构选择与运用，开关频率、开关器件研究与运用、控制算法等。逆变器对系统并网的电能质量产生重要影响，大型并网光伏电站向电网发送的电能质量应满足相应的国家标准，并网逆变器需要在谐波、电压偏差、电压不平衡度、直流分量、电压波动与闪变等方面进行研究与控制。同时还要考虑电网对逆变器、逆变器对电网、逆变器对其控制部分的电磁兼容问题。

3.3 最大功率跟踪技术

光伏发电系统最大功率跟踪策略，是指通过一定的控制方法调节负载阻抗，以使光伏系统输出最大功率。实现方式有基于采样数据的直接控制法，基于参数选择方式的间接控制法，基于现代控制理论的智能控制法。

基于采样数据的直接控制法包括扰动观察法、电导增量法、实际测量法、寄生电容法等，该方法跟踪精度较高，目前应用广泛；基于参数选择方式的间接控制法，包括恒定电压法、开路电压比例系数法、短路电流比例系数法、曲线拟合法、查表法等。该方法需要拟定一个初始值作为控制的基础，跟踪误差相对较大；基于现代控制理论的智能控制法，该方法主要有模糊逻辑控制法、人工神经元网络控制法等，该方法跟踪精度高但实现过程复杂，对被控对象的数学模型准确性要求较低，适合情况复杂的大型光伏发电系统。以上各种最大功率跟踪技术各有优缺点，在实践应用中应根据成本、应用环境等综合选择。

3.4 孤岛效应检测技术

（1）孤岛效应检测技术是并网光伏电站必须具备的保护功能之一。当电力供电电网因故障原因停电或需要停电检修时，各用户端的光伏并网系统必须对供电电网的停电状态进行检测，并能及时从电网中切离。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响。由此可见，作为一个安全可靠的并网逆变装置，必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。

（2）孤岛效应的检测技术主要分为主动式及被动式。主动式检测法包括电压扰动法、功率扰动法、频率扰动法。被动式检测法主要有电压频率检测法、电压谐波检测法、相位跳变检测法。

（3）主动式检测方法检测精度高，非检测区小，但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量；而被动式检测法的实现比较容易，该方法的经济性较好。但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡时，则被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域。因此使用被动式检测法时要求非检测区尽量小，并且要避免多逆变器并联时多机检测的相互影响。

（4）主动式、被动式检测技术都存在各自的优点和局限性。在实践应用中为较好地解决孤岛检测问题，并网逆变器的反孤岛策略可以采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合的方式。

4 结语

综上所述，大型并网光伏电站是现阶段太阳能应用的最主要形式之一。随着现代技术水平的不断发展，电站的技术结构也更加复杂。因此，必须对电站的关键技术内容进行持续的研究。