太阳能光伏发电与并网技术的应用解析

宋山茂

摘要：在全面國家碳达峰碳中和目标达成的背景下，全面推进新型清洁能源广泛应用，成为完成绿色低碳转型的新方向，太阳能光伏发电系统的应用比例也因此大幅提升。但是由于并网技术未能得到全面提高，以至出现了电压波动、谐波干扰、孤岛效应等影响光伏发电并网效果的问题。文章结合当前光伏发电项目建设案例和发展趋势，对光伏发电并网技术类型进行分析，同时从储能系统组成结构、主设备选型、升压系统、保护措施与防雷接地等方面探讨了并网技术的应用方案，旨在提高光伏电池组效率，改善逆变器的转换效率，增强入网传输效率，提高光伏并网的应用可靠性与安全性。

关键词：光伏发电  储能方案  孤岛效应  并网技术  设备选型

中图分类号：TM615    文献标注码：A

Analysis of the Application of Solar Photovoltaic Power Generation and Grid-Connected Technology

SONG  Shanmao

（Qinghai Huanghe New Energy Engineering Construction Branch， Xining， Qinghai Province， 810000 China）

Abstract： Under the underground of the achievement of the goal of the comprehensive national carbon dioxide peaking and carbon neutrality， comprehensively promoting the wide application of new clean energy has become a new direction to complete the green and low-carbon transformation， and the application proportion of solar photovoltaic power generation systems has also been greatly increased. However， because the grid-connected technology has not been comprehensively improved， there are some problems affecting the grid-connected effect of photovoltaic power generation， such as the voltage fluctuation， harmonic interference and islanding effect. Combined with the current construction cases and development trends of photovoltaic power generation projects， this paper analyzes the types of grid-connected technologies of photovoltaic power generation， and discusses the application scheme of grid-connected technology from the aspects of structure of energy storage systems， main equipment selection， boost systems， protection measures and lightning protection grounding， aiming to improve the efficiency of photovoltaic cell packs， improve the conversion efficiency of inverters， enhance the transmission efficiency in the network， and improve the reliability and security of photovoltaic grid-connected applications.

Key Words： Photovoltaic power generation; Energy storage scheme; Island effect; Grid-connected technology; Equipment selection

光伏发电为终端用户提供了绿色节能的用电解决方案，同时剩余电量也可以合并电网提供能源补充，光伏发电并网及时逐渐成为当前清洁能源的重点研究方向[1]。然而光伏并网的应用层面上，还需解决压波动、谐波干扰、孤岛效应等关键问题，因而研究太阳能光伏发电与并网技术的应用方案具有重要意义。

1 太阳能光伏发电的并网技术分类

1.1 逆流型

逆流型太阳能并网发电系统是市场上较早的清洁能源解决方案。光伏电池在提供电能的同时也可能存有剩余，通过逆变器和并网保护装置来调节功率，可提高剩余存储电能的利用率，为其他负载所用，作为电力系统的电能补充。当太阳能电池难以满足负载用电量时，则从电力系统中获取电能供给，适用于工业及家庭用电等多种场景，是较为普遍的并网方案之一。

逆流型并网技术可以将电能直接输入电网，相当于节约了电能中转的存储设备，那么也将减少蓄电池再释放过程的消耗，故而投建成本相对较低，且能量消耗较小，间接降低了系统的运维和投资成本。这种不带蓄电池的逆流型并网发电系统更加适用于住宅家庭用户，但是对于用电量较大的商业体或工业产区并不实用。以中来县分布式光伏发电项目为例，其开发总量为300 MW，每年可提供3.88亿kW·h清洁电力，同比减排968万tC02，节能减排效益显著，但是也仅用于分布式发电的普通用户。

1.2 混合型

混合型并网系统是在光伏发电基础上引入其他电能，如燃料电池或风力发电等与电力系统并网，其中太阳能光伏发电利用风能进行补充是较为常见的共储能方案之一，以风能作为持续发电的主要供电设备时，光伏发电的共享能源则可以作为补充能源为供电设备提供协助电能的补充作业[2]。由于风能发电受到气候环境变化的影响更为严重，所以光伏发电的储能方案具有更加稳定的配电补充作业优势，可以为缓解电气设备弃风状态下的能源供给增加电能消纳，达到平滑风电输出的积极效果。

以安徽风储交流耦合“平滑与消纳”共享发电应用场景为例，风力发电机组采集能源后传输到“风光互补”控制器中，光伏矩阵发电机组同时将采集能源汇总后传入储能设备，再通过电网逆变器支持并网供电需求，以中央调控的核心系统作为分配组织单位，在风能不足供给不足的情况下补充光伏能源供给。当超出“共享”电池最大承受范围的能源供给时，再次启用风能发电持续供电。安徽风储交流耦合“平滑与消纳”共享发电项目中，配置了20 MW/20 MW·h的储能设备，阳光电源为该项目提供整套储能系统解决方案，支持35 kV交流侧耦合储能的共享电能需求，可以在极大程度上缓解弃风状态下的电能补充需要，满足电能供给的消纳需求，实现平滑风电输出的积极效果，进而增强了电网持续供电的稳定性。

1.3 切换型

切换型并网发电系统由光伏电池、并网逆变器、切换器等设备组成。正常运行状态下，电力系统与光伏发电系统各自独立运行，当光照不足、阴雨天气、夜间、电池储能消耗殆尽等情况下，则切换器选择以电力系统作为负载供电。那么切换型并网发电系统的蓄电池容量则可以适当下调，初期建设成本也可以适当压缩。还有一种是自运行模式下的切换型并网系统，适用于灾害状态下调节光伏发电系统的供给负载。系统自带并网保护装置，可以对供电功率进行调节。当某地区遇到自然灾害而无法适用常规电网系统供电时，带有蓄电池的切换型并网设备可以为临时通信、道路指示、加油站等设施提供电源。

在横滨商用光储项目中，选择了73.7 kW·h电池容量、30 kW/73.7 kW·h的储能设备、50 kW的光伏并网逆变器等设备，可满足居民社区、大型商业区，以及大规模工业区的并/离网储能，适合在事故灾害中提供紧急供电。切换型并网发电系统同时适用于微电网系统和光伏自发自用等应用场景，是提高光伏能源利用率的主要并网发电措施之一。

2 光伏发电并网技术主要应用问题

2.1 电压波动

光伏发电在自然环境受到影响时，因光照条件不足而造成输出功率降低的问题较为普遍。《电网若干技术原则的规定》中明确规定，电力系统输出电压应在±7%的可接受范围内。光伏发电的并网技术中，对于电压稳定性要求也是对输电性能的重大考验。分布式光伏发电被广泛应用之后，电力主网的供电质量往往会超过输出电压上限，从而产生巨大的电压波动，供电质量很难得到真正保障。电压波动会直接造成传输功率锐减，符合节点上的电压容易出现激增现象，而电源接入位置则需要利用变压器调节，控制昼夜电压尽量保持平衡状态。

2.2 谐波干扰

光伏发电并网系统中，逆流型、切换型、混合型3种技术都需要使用逆变器来完成并网供电。但是在光伏电能不稳定的情况下主网被迫频繁切换输出方式，因而开关频率周围产生了谐波分量，也因此对电网造成谐波污染[3]。若并网环境下的谐波过大，则会造成电器损伤，而光伏并网的逆变器相当于造成电流谐波的浮动因素。电网总谐波要求低于15%，但是大量逆变器频繁使用造成了谐波指数级增长，同时谐波敏感负荷增多，造成电网波形中谐波占比过高，电力设备的平均使用寿命严重缩短。

2.3 孤岛效应

伴随分布式光伏设备应用比例大幅增长，大批光伏并网后公共电网接收光伏电能的比例随之增加，与此同时也增加了孤岛效应的发生率。孤岛效应是指当电网因故障事故或停电维修等多种原因跳脱时，用户端光伏并网发电的末端系统未能发现电网的停电状态，也因此未能檢测出自身切离市电，电网系统也未能及时发现离网状态下的少数自给供电孤岛，造成了独立负载运行的光伏设备孤立。并网发电系统很难完全规避孤岛效应，而且对末端用户电气设备损耗具有较大危害性，甚至可能会破坏整个配电系统，更有甚者将威胁到输电线路维修工作人员的生命安全。

3 太阳能光伏系统并网技术的应用方案

3.1 储能系统优化方案

储能系统是太阳能光伏系统最为重要的子系统之一，目前应用最为广泛的是电化学储能技术，运行寿命可以达到15年左右，额定功率可以保持在0～0.8万kW，放电时间可以维持在10 h以内，单瓦投资在11元/w以下，转化效率能够达到65%～85%，建设周期仅为0.25～1年。综合使用规模、便利程度、研发及发展潜力等关键性指标来看，电化学储能优势更为突出。化学储能中锂离子电池储能原理见图1所示。

综合电池安全性、循环次数、充放电倍率、度电成本等关键性指标，锂离子电池更适用于储能市场应用。以磷酸铁锂电池为例，充放电循环次数可以达到6 000次以上，电芯成本不超过0.7W·h/元，充放电深度（DOD）能够达到95%以上，充/放电效率接近95%，充放电倍率≤2C，能量密度较高且安全性较好，全系统成本≤1.3W·h/元，度电成本仅为0.5元/kW·h。截至2020年底，我国投运光伏储能项目总规模达到了35.6GW，其中电化学储能达到了3 269.2MW，锂离子电池的累计装机规模达到了2 902.4MW，总体占比达到了88%，成为当前最为主要的光伏储能解决方案。太阳能光伏系统并网技术应用中，应持续开发锂离子电池技术，从而提高储能设备性能，进一步增强光伏电池组效率。

3.2 主设备选型

光伏电站主设备基本组成结构是光伏列阵、控制器、蓄电池，以及逆变器，见图2所示。其中，并网逆变器是最为核心的设备之一。在并网逆变器主设备选型方面，应根据当前区域的用电量和太阳能光伏发电设备的投产量来确定[4]。比如，在浙江金晟光伏电站并网发电项目中，总装机容量达到了2.1 MW，采用自发自用结合余电上网的应用模式。此项光伏发电的并网项目中，主设备选用了固德威GW120K-HT和GW100K-HT大功率逆变器设备。主设备120 kW低压并网逆变器性能优越，380 V低电压并网模式对于配备变压器的性能要求不高，其他电气设备的投建费用也相对较低。380V低电压并网单瓦费用可以节约0.2元/W左右，可以在很大程度上节约光伏电站的初期投资成本。

与此同时，主设备选型还需依据光伏电站匹配的供电需求，设计主设备型号的组合方案。比如：美国光储直流侧耦合项目中，主设备组合方案为“5MW储能变流器+1.5MW直流变换器+3.836MWh锂电池”，主设备组合方案适应更高的容配比。此项目为中国1 500V光储直流侧耦合方案首次在美国成功投运，高容配比方案DC/AC=1.8，主设备组合以“PCS+DC/DC+锂电池系统”的一体化方案，结合先进的光储直流耦合控制算法和直流侧能量，提高了太阳能光伏系统的总体管理效率，解决了光伏系统超配和限发等诸多难点，对提高逆变器的转换效率同样具有重要支持作用，实现了平滑并网的高标准要求，同时最大限度地改善了光伏发电的经济效益。

3.3 升压系统

由于电压波动始终存在，低压状态下对光伏系统并网后的稳定性和安全性造成严重干扰。所以，多数情况下光伏电站选择运用升压系统来维持电站供电的稳定性[5]。比如：山东半岛光伏电站并网发电项目中，100 MW/200 MW·h储能项目全部冲击送电。光伏电站通过PCS储能变流器系统对光伏电能进行控制，同时附加了40套1 500 V、2.5 MW储能变流升压机。升压机可以对光伏矩阵电能完成电压调节，每个单元由独立的5 MW·h电池集成，同时依靠2.5 MW升压机协调电压稳定性，光伏电站安全可靠性大幅提升，对提高供电降本增效起到了重要的支持作用。

2.5 MW储能变流升压一体机，主要是以1 500 V集成系统设计方案来稳定电压，占地面积相对较小并不会影响光伏系统的建设方案调整，也更加便于后期调试和维护。LCOS成本相对更低，故而持续供电的成本效益有所提高。同时PCS采用两组电池接口设计，可独立进行充放电管理，兼具智能强制风冷散热设计，环境温度低于50℃的情况下仍然可以额定满载运行，更加适合在沿海地区极为复杂的自然环境下运行，确保光伏电站运行可靠稳定和增值创收。再如，珠海南方电网储能项目具有电网侧调峰调频功能，总容量达到了5 MW/15.889 MW·h，交流侧使用了两套迈格瑞能20尺的MEGA2500升压一体机，可以大幅提升光伏电站的供电稳定性，支持有功及无功输出等多种供电方案，能够实现对有功、无功功率的独立解耦控制，极大地改善了入网传输效率。

3.4 保护措施与防雷接地

升压设备在高温环境下往往容易出现跳闸保护情况，电压过载状态下自动保护装置的重要性更为突出。光伏保护装置主要是用来防止电网出现孤岛效应，光伏并网脱离主电网时，自动保护装置可以及时检测末端用户配电状态，检测孤岛现象的末端用户数量。这种装置适用于10 kV及低压400 V光伏电站的小电源并网供电系统，若光伏电站遭遇孤岛现象，则可以及时切除与并网点连接，使光伏电站与电网侧迅速脱离，那么也就不会造成严重的用电风险或维修风险。保护措施对逆功率、过/低电压、频率突变、高/低频率、外部联跳等检测速度更快，可以对光伏电站的并网安全性起到重要保护作用[6]。除此之外，FA馈线自动化技术也是一种保护光伏电站良好运行的有效措施，全自愈FA功能对并网点线路故障信息可自动研判，故障区域的锁定速度更快。系统自动远程遥控并网点开关，实现了故障区域光伏电站的快速隔离，同时可以及时恢复非故障区域的快速供电。

光伏系统作为带电设备在极端雷雨天气环境下，极易受到外部环境干扰，裸露在外太阳能板遭遇雷击，整个光伏发电并网系统各处组件均会遭受不同程度的重创。故而，太阳能光伏发电系统的避雷接地设计尤为重要，应在升压电站或光伏電池组件等重要位置安装避雷带，以环形避雷带的防雷效果最为突出，可以独立设置为引下线，从而保护重要设备组件在雷雨恶劣天气下保护终端用户使用安全。而针对变压器等电气设备所设计的防雷装置，应当采取外壳接地的架构方案，这对提高太阳能光伏发电系统安全性能具有重要支持作用。

4 结语

目前应用于太阳能光伏发电的并网技术主要有逆流型、混合型、切换型3种类型。然而这些并网技术并未真正解决电压波动、谐波干扰、孤岛效应等关键问题。进一步构建太阳能光伏系统并网技术的应用方案，还需重视储能系统优化方案，以电化学储能技术为先导，进一步从使用规模、便利程度、研发及发展潜力等关键性指标方面进行优化，同时提高光伏电池的安全性、循环次数、充放电倍率、度电成本，为光伏系统并网优化储能方案。与此同时应注重光伏系统的主设备选型，应根据当前区域的用电量和太阳能光伏发电设备的投产量来确定选型方向，同时依据光伏电站匹配的供电需求确定主设备所配备的各项组件，达到提高供电效率和能源转化率的最佳效果，同时最大限度地提高光伏发电的经济效益。除此之外，应合理运用升压系统来维持电站供电的稳定性，通过相应的保护措施与防雷接地设计提高安全性能，确保光伏发电系统并网后能够全面提高供电质量，为清洁能源的广泛应用创造良好市场环境和技术支持，全面提升光伏发电系统并网后的应用可靠性与安全性。

参考文献

[1] 王茂春，陈春萌，杨凯璇，等.电网电压不平衡跌落下两级式光伏并网系统直压控制策略[J].武汉大学学报（工学版），2022，55（3）：283-291.

[2] 魏祥林，杨维满，王晗，等.储能型准Z源光伏发电系統级联模型预测控制[J].华中科技大学学报（自然科学版），2021，49（12）：76-82.

[3] 严旭，王东文.基于准比例谐振控制的光伏并网电流控制方法[J].冶金自动化，2022，46（S1）：491-494.

[4] 万佳鹏.光伏并网对配电网电压质量影响的研究[D].汉中：陕西理工大学，2022.

[5] 杨思为，张兴，毛旺，等.弱电网下级联H桥光伏并网逆变器稳定性分析[J].太阳能学报，2022，43（1）：398-405.

[6] 庞宇琦，马刚，刘勋宇，等.计及三相短路故障的MMC光伏并网系统电压补偿方法[J].电气自动化，2022，44（2）：18-20，24.