并网型太阳能发电系统：接入电网的最佳选择

并网型PV系统是今天市场上最常见的太阳能发电系统。如图5-1所示，并网型系统之所以这样命名，是因为它们直接接入电网——一个巨大的电力线路网络，遍布整个国家，在您的附近交叉往来。这些系统有时也叫做无蓄电池的并网型系统或者无蓄电池的接入市政供电型系统，因为它们不用蓄电池来存储多余的电力。从技术上讲，接入市政供电型这个说法更为确切，因为“电网”这个术语指的是高压输电系统，而不是地区的城市和乡镇配电系统。用户实际上是通过当地市政供电的配电系统接入电网，所以“接入市政供电”或者“并入市政供电”这两个词比“接入电网”和“并入电网”更确切，可再生能源社区通常都采用这些术语。但是，我们仍然还是采用“并网型”这个词，毕竟它是最常用的。

在并网型系统中，地区配电网（经过您家的电线）接受多余的电力——PV系统发出的超过房主或企业的需求的电力。当PV系统不发电的时候，比如晚上，市政电网为住宅或公司供电。于是，在某种意义上说，市政供电网是一个储能媒介。

如图5-1所示，并网型系统由五个主要元件组成：①PV阵列；②为并网专门设计的逆变器；③主接线板或开关箱；④安全隔离开关；⑤表计。

要理解无蓄电池的并网型系统是如何工作的，让我们先从PV阵列开始。PV阵列产生直流电，通过导线流到逆变器。逆变器把直流电转换成交流电（关于交流电和直流电的描述，请参见下文中的“交流电与直流电”）。

图5-1 并网型PV系统的原理图

a）整体图 b）系统接线和系统元件图

逆变器不光是把直流电转换为交流电，而且它是把直流电转换成与电网兼容的交流电，也就是说，每秒60个周波、120V（或240V）的电（关于此的更多信息，请参见下文中介绍的“频率和电压”）。由于逆变器产生与电网同步的电力，所以这些系统中的逆变器通常叫做同步逆变器。

交流电与直流电

电力表现为两种基本的形式：直流和交流。直流电是由电子在电路中只沿一个方向流动而形成的。闪光灯电池、手机电池、笔记本电脑以及汽车中的电气系统中产生的电都是直流电，光伏模块产生的电也是直流电。

而大多数其他的电源，包括风力发电机和传统的发电厂，产生的都是交流电。与直流电类似，交流电也是由电路中流动的电子形成的。不过，电子以交变电流的形式往返流动。也就是说，它们以很快的、连续的方式变换方向（交变），所以名字叫做“交流”，流动方向的每次变化（从左到右然后再回来），叫做一个周波。

在北美，电力公司发出的电每秒往复60个周波，这叫做每秒60周波交流或者60赫兹（Hz）交流。赫兹这个单位是为了纪念一位德国物理学家Heinrich Hertz，他在电磁辐射方面的研究奠定了无线电、电视和无线通信的基础。在欧洲和亚洲，电力公司发出的电为每秒50周波的交流。

频率和电压

交流电可以用一些参数来刻画其特征，最重要的两个是频率和电压。频率指的是电子每秒变换方向的次数，用每秒的周波数来计量（当电子向右流动，然后变成向左流动，然后再回到右边时，就是一个周波）。在北美，电网中电力的频率为每秒60周波（也叫做60Hz）。

电子在电线中的流动是由一个势来推动，科学家们把这个神秘的电动势称为电压。电压的测量单位为V（伏特）。

电压是一个较难理解的电气术语。您可以把它想象成电的压力，它是使得电子在导体（比如电线）中运动的推动力，没有这个力，电子就不会在电线中运动。闪光灯中的电池、太阳能发电模块、风力发电机和传统的发电厂都会产生电压。(www.xing528.com)

逆变器产生的120V或240V交流电流到主接线板，或称开关箱。从这里，它流向开着的负荷，也就是运行着的电力设备。如果PV系统产生的电力超过它们的需求（晴天往往发生这种情况），多余的电力自动流到电网中，或者按照专家所说，过剩的电力“回馈”到电网中。

如图5-1所示，过剩的电力从主接线板走到市政电表，电表通常安装在房子的外面。然后，这些电力再流过连接住宅或公司与市政供电线路的电线。从这里，这些电力沿着您家或者公司的电力线继续走，被附近的住宅和公司用掉。一旦这些电力回馈到电网，供电公司就当成自己的电来处理。终端用户用了您所发出的电力，但把钱直接支付给供电公司。

在大多数地方，电表会监测小型发电设备向电网发出的电能。当住宅或公司的PV系统发出的电不足以满足他们的需求或者PV系统停运的时候（比如夜晚），电表一直跟踪记录市政供电向他们提供的电力（要了解电力部门如何测量一个发电设备的出力以及如何为之付费，请查看下文介绍的“并网型系统中的计量和计费”）。

除了电力部门的电表（一些电力部门需要两个或多个电表）用来监测流入和流出当地电网的电能，符合规定的并网型太阳能发电系统还包含两个安全隔离开关。安全隔离开关是手动操作的开关，能让服务人员断开系统的关键点，以防止在维护系统的时候触电。

如图5-1所示，第一个隔离开关位于太阳能阵列和逆变器之间，是一个直流隔离开关。直流隔离开关可以是单独的也可以置于逆变器内部。在逆变器需要维护的时候，操作人员可以用手动隔离开关停掉阵列流向逆变器的电能。也就是说，直流隔离开关将把逆变器与阵列分隔开来（下面有安全小贴士）。

虽然没在图5-1中画出来，但并网型系统还包含一个交流隔离开关，它往往就是一个断路器，装在开关箱或主接线板中。交流隔离开关用于终止交流电从电网向逆变器流动，或者相反。

地区电力部门往往要求安装另一个交流隔离开关。如图5-1所示，它必须装在住宅或者办公室的外面，一般离建筑物供电入口（电线进入建筑物的地方）很近，必须能让电力工人方便地够到。这个隔离开关也必须能锁上，也就是说，它必须有一个能够被电力工人锁定在打开状态的开关，从而不会有电能流向或来自电网。假如在一场冰雪中，您所在地区的一条线路发生故障了，那么这个隔离开关是必需的，工人用它就能把PV系统与电网分隔开来，从而在电线上作业的时候不用担心触电。

能够锁定交流隔离开关的状态，就保证了在电力工人完成修理工作之前不会出现家庭成员意外将系统重新投入的情况。电力工人用他们自己的锁，而且交流隔离开关也必须有明确的标牌“互联隔离开关”。

交流隔离开关也必须是可见的。这不是说它们要在一个容易看到的地方，虽说它们确实要在显眼的地方，“可见”的意思指的是交流隔离开关必须包含一个开关，它能让电力工人看到电路已经物理上被断开了。断路器做不到这一点，因为人们无法看到断路器内部的动作。

许多年来，可锁定的交流隔离开关对于电力人员的安全来说是至关重要的。逆变器发出的120V和240V的电通过配电变压器后，升至几千伏接入市政配电线路（配电变压器就是在您房子外面的杆上或平台上的变压器，它把回馈到电网的120V电压升至约12000V）。

安全小贴士

直流隔离开关只能在断开交流隔离开关后才能断掉。交流隔离开关往往是住宅负荷中心（就是开关箱或主接线板）的一个断路器。交流隔离开关会终止来自于市政供电网的电力，关闭逆变器。一旦交流隔离开关断开，直流隔离开关就能打开（断开）了。这样，逆变器就与所有电压源彻底分隔开了。

虽然许多电力公司都要求装设电力公司可及的、可锁定的、可见的交流隔离开关，但是加利福尼亚和科罗拉多的多数电力公司最近放弃了这项要求，虽然他们现在有几千套太阳能和风力发电系统在线运行。他们发现不需要交流隔离开关，因为当电网线路故障时，与电网兼容的（同步的）逆变器会自动关闭。安装正确的PV系统不会向一个停运的电网回馈电能。就是这么回事。

我们将在第6章讨论到，与电网兼容的逆变器监测线路的电压和频率（电网电能的频率和电压）。当检测到两者之一发生变化时，比如因电力中断导致的电压跌落，逆变器会自动关闭，并保持关闭状态直到电力恢复，然后在接续正常运行之前等待一小段时间，一般为5min。于是，当电网没有电的时候，不会有电流入电网。

可锁定的隔离开关是冗余的，因为UL所列的逆变器符合互联安全标准，而且在电网故障的时候能够用于隔离。虽然自动隔离的特征能够可靠的发挥作用，但是考虑安全性的时候，一些谨慎的人还是考虑了第二道防线。第二道防线就是刚才讲到的可锁定的隔离开关。当人的生命处于危险之中时，要求我们一定要小心谨慎，不能仅凭一套系统实现安全。可锁定的隔离开关是逆变器安全特征的后备。它也安装在建筑物的外面，能够让电力工人看到，以及看到它是开着的（断开的）。电力工人也能把他们自己的锁锁在上面，确保它一直打开（断开）。逆变器在建筑物里面，电力工人看不到它。电力工人怎么会知道里面有UL认证的逆变器呢？说不定房主已经随意改动了什么，直接接入了电网，失去了安全功能。市政供电系统的每一个电源、每一台发电机和每一台变压器都有一个可见的隔离开关。既然电力部门所有的设备都有后备的安全隔离开关，一些人就说，要求可再生能源系统的所有者也安装安全隔离开关是合情合理的。