并网光伏系统的运行和优化

顾名思义，并网光伏系统就是与电网并联的光伏系统。这里的电网，可以是传统的大电网，也可以是基于可再生能源的分布式电网；既可以是交流电网，也可以是直流电网。一个满足并网光伏系统定义的最小系统如图2-26所示。

在最小并网光伏系统中，只有一个光伏阵列。光伏阵列发出的电能经具有能量优化控制功能的逆变器变换为交流电，再与交流电网并联，共同向负载供电。这也是传统的并网光伏系统的基本构成。在这里，光伏阵列只是作为补充能源，为负载供电的主要是大电网，因而光伏阵列的输出能力不必与负载匹配，也无需由储能组件优化能量分配。

图2-26 最小并网光伏系统原理示意图

随着光伏发电技术的不断成熟和推广应用，光伏系统的容量等级也不断提升。大型光伏电站的容量等级已经达到20～400kW，最高的甚至已经达到兆瓦级。这种容量等级下，光伏系统已经与小型热电厂的输出能力不相上下，因而图2-26所示的并网光伏系统已经不能满足需要。

另外，光伏系统与分布式发电系统的关系密切，也使得并网光伏系统的构成多样化起来。前面已经提到，分布式发电系统是指由多能量来源、多能源种类构成的混合式发电系统。所谓多能量来源，是指分布式发电系统与传统电厂的集中供电不同，是由多个容量等级不一的发电设备联合在一起发电。所谓多能源种类，是指分布式发电系统中包含各种能源形式。目前主要是包括光伏发电、风力发电、燃料电池和潮汐发电等。因此即使是能源类型相同，比如都是光伏系统，只要具备多来源的性质，就都属于分布式发电系统。

根据以上光伏系统与分布式发电系统的新进展，本书将按新的分类方法描述并网光伏系统。这个新的分类方法就是按公共母线的性质来划分并网光伏系统。具体而言，本书把并网光伏系统分为三类：①直流母线式并网光伏系统；②交流母线式并网光伏系统；③交直流混合母线式并网光伏系统。

2.6.2.1 直流母线式并网光伏系统

随着光伏系统的不断发展，许多屋顶光伏发电系统的容量已超过3kW。如果采用传统结构，直接将多路光伏阵列串联、并联，会由于各阵列之间的特性存在差异，光照和温度条件也不相同，最终导致各阵列的不匹配。同时，这种方式也无法实现各阵列的最大功率点跟踪。因此，可对各光伏阵列分别进行能量优化控制，输出并入公共直流母线，然后再提供给负载。这种方式可称为直流母线式并网光伏系统，如图2-27所示。在该系统中，由于各支路都需要实现最大功率点跟踪，又要同时保持直流母线电压稳定，因此需要配备储能组件。在直流系统中，各能量优化控制器均需采用DC-DC变换器。

直流母线式并网光伏系统尤其适用于对远离交流电网的偏远地区供电，也可以应用于封闭式小区自供电系统。直流母线式并网光伏系统也可以通过逆变器并入交流电网，这就构成交直流混合母线式并网光伏系统。直流母线式并网光伏系统中的电网是低压直流电网，与传统的交流电网和高压直流电网不同，与其相关的能量分配方案、稳定性分析等方面，还在进一步研究中。

图2-27 直流母线式并网光伏系统示意图

2.6.2.2 交流母线式并网光伏系统

交流母线式并网光伏系统是目前应用最多的并网光伏系统结构。交流母线式并网光伏系统的种类很多，主要有集中式并网光伏系统、支路式并网光伏系统和交流模块三种。

1.集中式并网光伏系统

集中式并网光伏系统一般用于大型光伏电站，是由多组串联的光伏阵列并联在逆变器的直流输入端，再通过逆变器转换为交流电并入交流电网，功率等级一般为20～400kW，最近的报道中出现了兆瓦级的集中式并网光伏系统。这种集中式并网光伏系统需要采用大容量的电力电子器件（如IGBT等），同时引入数字信号处理器（DSP），构成数字化控制并网逆变器。这种系统有望于将来大量应用到超大规模光伏沙漠电站中。集中式并网光伏系统的结构如图2-28所示。(www.xing528.com)

图2-28 集中式并网光伏系统

2.支路式并网光伏系统

支路式并网光伏系统的概念是在1995年首先在欧洲建立起来的。它是将光伏组件串联起来，接到并网逆变器的输入端，通过逆变器并入低压电网。这种逆变器通常采用单相逆变器，功率等级在1～3kW之间。这种系统非常适用于城市分布式发电和家庭用户并网发电，也是目前市场上应用最多的光伏系统。多台支路式并网光伏系统在交流侧并联，可以很容易地构成兆瓦级并网光伏电站。图2-29所示就是这种支路式并网光伏系统的示意图。

图2-29 支路式并网光伏系统

3.交流模块

交流模块是将小型逆变器和光伏组件直接结合起来，交流侧并联到低压电网。这种模块的功率等级在50～400W之间，这种系统被认为是未来光伏并网逆变器的重要发展方向之一。交流模块面临的挑战是如何实现低价和高可靠性的统一。图2-30所示就是交流模块的示意图。

图2-30 交流模块

2.6.2.3 交直流混合母线式并网光伏系统

集中式并网光伏系统和支路式并网光伏系统中都有多个光伏阵列直接串联在一起的情况，但光伏阵列的串联受到电压等级的限制，许多光伏阵列制造时就规定了最高系统电压不能超过600V或800V。如果需要继续扩充发电容量，就必须在直流侧再增加并联支路。研究表明，不同特性的光伏阵列的串并联对整个系统的输出影响很大。多个不同性能的光伏阵列串联在一起，输出电流将会被限制到略高于电流最小的阵列的电流值；并联在一起时，输出电压为各并联支路电压平均值。这种失配严重降低了系统的整体效率。此外，由于光伏系统与建筑的结合，使得光伏阵列安装的方式更加多样化，光伏阵列可以和墙壁以及窗户、阳台相结合，这种多样化的安装方式使得各个支路的不一致性加剧。传统的交流母线式并网光伏系统难以实现效率优化。

为此，可以采用交直流混合母线的方式；也就是将直流母线式并网光伏系统和交流母线式并网光伏系统结合起来，如图2-31所示。

采用交直流混合母线方案，保留了交流母线式并网光伏系统的全部优点，同时各光伏阵列都可以利用自己的DC-DC变换器实现最大功率点跟踪，而直流侧电压的稳定则由储能组件和公共电网提供支持。交直流混合母线式并网光伏系统是光伏阵列利用效率最高的系统结构，具有广阔的应用前景。