当前并网光伏发电系统技术分析

1.3.2.1 并网光伏发电系统结构概要

并网光伏发电系统由光伏阵列和逆变器组成，如图1-19所示。光伏阵列将太阳光能转换为电压和电流都可变的直流电能，逆变器则将变化的直流电能转换为频率和电压都恒定的交流电能馈入电网。

光伏阵列由光伏电池板组成。光伏电池依据其发展过程可分为三代。第一代光伏电池采用硅晶和砷化镓材料，其转换效率高、寿命长、稳定性好，但成本较高。第二代光伏电池基于薄膜技术，将很薄的光电材料铺在非硅材料衬底上，大大减小半导体自身的损耗，且降低了电池成本，但其转换效率较低，其典型产品包括多晶硅、非晶硅、碲化镉和铜铟硒电池板等。第三代光伏电池有多种发展思路，尚处于研发阶段。目前，大部分商用太阳电池仍为早期产品的单晶硅或多晶硅太阳电池。

图1-19 并网光伏发电系统的组成

根据光伏阵列的分布及功率等级的不同，可以把并网光伏发电系统的结构分为6种：集中式、交流模块式、串型式、多支路式、主从式和直流模块式。集中式并网光伏发电系统将光伏组件通过串并联构成光伏阵列，产生较高的直流电压，通过集中并网逆变器将直流电转换为交流电，并把能量馈入电网；交流模块式并网光伏发电系统将单个光伏组件通过并网逆变器直接并网；串型式并网光伏发电系统综合了集中式和交流模块式并网光伏发电系统两者的优点，光伏组件通过串联构成若干光伏阵列，各光伏阵列分别通过逆变器并网；多支路式并网光伏发电系统与串型式并网光伏发电系统类似，光伏组件通过串联构成若干光伏阵列，各光伏阵列连接至独立的DC/DC变换器形成光伏变换子系统，各子系统串联或并联后通过集中DC/AC逆变器并入电网；主从式光伏并网发电系统则通过控制一组协同开关，在不同的外部环境下动态决定光伏并网逆变系统的结构，以期达到最佳的光能利用率；直流模块式并网光伏发电系统中，光伏组件模块与DC/DC变换器构成光伏直流子模块，多个子模块并联在公共直流母线上，再经集中的逆变模块并网[25]。其中，集中式、交流模块式和直流模块式并网光伏发电系统的结构如图1-20所示。串型式与多支路式、主从式与交流模块式并网光伏发电系统分别类似，仅在电池单元组成结构上有所区别。

从电气结构上看，并网光伏发电系统属于非耦合型发电系统，光伏阵列与电网之间由并网逆变器相连。并网逆变器与电网的连接方式有两种：变压器隔离型和非隔离型。

图1-20 并网光伏发电系统结构

1.变压器隔离型并网逆变器

变压器隔离型并网逆变器可依据变压器的工作频率分为工频和高频两类。工频变压器隔离型并网逆变器是光伏并网逆变器最早发展和应用的主电路结构，采用了工频变压器实现输入和输出的隔离以及电压变换，其拓扑如图1-21所示。该结构下，主电路和控制电路相对简单，抗冲击性能好，光伏阵列直流输入电压的匹配范围较大。采用变压器隔离，一方面提高了系统的安全性，另一方面保证了光伏发电系统不会向电网注入直流分量，有效防止电网内配电变压器的饱和。然而，工频变压器体积大、重量重，约占逆变器总重量的50%左右，这使得逆变器的整体尺寸较大。此外，工频变压器增加了系统损耗、噪声、成本以及运输安装的难度。SMA公司早期的产品SC 400HE/500HE/630HE型光伏逆变器采用了这种结构。

图1-21 工频变压器隔离型并网逆变器拓扑

高频变压器隔离型并网逆变器拓扑如图1-22所示。为克服工频变压器隔离型并网逆变器的主要缺点，高频变压器隔离型并网逆变器中，光伏阵列的直流输出经前级DC/AC变换器转换为高频交流电压输入高频变压器，高频变压器的输出经后级AC/AC变换或AC/DC-DC/AC变换转换为工频电压与电网相连。高频变压器具有体积小、重量轻的优点，但相对于工频变压器隔离型并网逆变器，高频变压器隔离型并网逆变器的主电路和控制电路较复杂，功率容量有限，因此常用于中小功率等级。SMA公司的SB 2000HF/2500HF/3000HF光伏并网逆变器采用了这种结构。

隔离型并网逆变器中，变压器将电能转化为磁能，再将磁能转化为电能的过程必然增加系统能量损耗。采用无变压器的非隔离型并网逆变器可有效提高系统运行效率，并且其体积小、重量轻、成本也较低。然而，由于光伏组件存在对地分布电容，光伏阵列不经隔离直接与电网相连时会产生共模漏电流，这将增加系统的传导损耗，降低电磁兼容性，并向电网注入谐波分量。另外，系统也因缺少隔离变压器而更容易向电网注入直流电流分量。

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图1-22 高频变压器隔离型并网逆变器拓扑

2.非隔离型并网逆变器

非隔离型并网逆变器依据拓扑可分为单级和多级两类。

常规的单级非隔离型并网逆变器拓扑如图1-23所示。光伏阵列发出的直流电通过工作在工频模式的逆变器直接并网。由于无变压器实现电压匹配，光伏阵列输出的直流电压应达到可直接并网逆变的电压等级。这一方面缩小了光伏阵列直流输出电压的匹配范围，另一方面也要求光伏组件及整个系统具有较高的绝缘等级。合肥阳光电源股份有限公司生产的SG500MX无变压器电站型光伏并网逆变器采用了这种结构。实际应用中，单级非隔离型并网逆变器在网侧均设有滤波电感，其体积和重量较大。

图1-23 单级非隔离型并网逆变器拓扑

多级非隔离型并网逆变器一般由前级DC/DC变换器和后级DC/AC变换器级联而成，如图1-24所示。DC/DC变换器的存在使得光伏阵列可工作在一个较为宽广的电压范围内，直流侧光伏组件电压配置更灵活。直流电压无需高于电网峰值电压，因而不要求光伏组件串联使用。合肥阳光电源股份有限公司生产的SG 20KTL无变压器组串型光伏并网逆变器采用了这种结构。

尽管在上述结构中，逆变器与电网的连接方式各不相同，从并网的静动态特性上来看，隔离型和非隔离型拓扑都属于非耦合型并网光伏发电系统。

图1-24 多级非隔离型并网逆变器拓扑

1.3.2.2 技术标准

尽管并网光伏发电系统具备大规模发展的潜力，但由于发展基数较小，世界各国并未针对并网光伏发电系统制定专门的并网导则，但根据系统并网的电压等级，各国电网运营商都有适用于该电压等级光伏并网发电系统的通用导则可供参考，例如：德国E.ON公司输电系统（运行商）的《中压电网规范2008》、《输电网导则2007》和美国风能协会的并网导则等。与风电系统的并网导则相似，上述导则同样包括有功和无功功率控制、电压和频率调节、故障穿越能力及电能质量等方面的技术要求。

我国专门针对光伏并网发电系统制定了若干技术规定。例如，GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》和GB/T 20046—2006《光伏（PV）系统电网接口特性》（等同于IEC61727标准），规定了低压光伏并网发电系统的接口特性，包括电能质量和安全性等；GB/T 19964—2005《光伏发电站接入电力系统的技术规定》针对大型中高压光伏并网发电系统，规定其功率调节、通信及电能质量方面的技术要求。上述规定都未涉及试验方法，为指导性文件，并非强制性标准。为适应大规模光伏电站的发展需求，2009年7月，国家电网公司颁布企业标准《国家电网光伏电站接入电网技术规定（试行）》（国家电网发展[2009]747号），规定了并网光伏电站的相关技术要求，如有功和无功功率控制、电压频率调节范围、低电压穿越能力和测试标准等。在此基础上，我国并网光伏发电技术最新的国家标准GB/T19964—2012《光伏发电站接入电力系统的技术规定》^[25]已于2012年底正式颁布，并于2013年6月正式实施。关于光伏系统并网导则的进一步介绍详见本书第2章。

1.3.2.3 我国太阳能光伏发电检测认证体系

目前我国光伏发电产业规模较小，未涉及重要的安全性问题，因此国内在光伏发电领域还没有正式开展认证工作。然而，随着光伏发电产业的发展，开展太阳能光伏发电检测认证工作将成为必然趋势。目前，国家电网公司已建立初步认证体系，经国家认证认可监督管理委员会批准成立的认证机构——北京鉴衡认证中心，现已开始光伏发电产品的认证工作；国内也已建成若干光伏发电产品的检测实验机构，如天津电源研究所（18所）、上海空间电源研究所（811所）、中科院太阳发电系统和风力发电系统质量检测中心、江苏无锡光伏发电检测中心，可按照相关国家或国际标准对光伏发电产品进行检测和资质鉴定。