太阳能光伏系统中的并网型应用

在有电网的地区，可以把太阳电池发的直流电由逆变装置转换成标准的50／60Hz正弦交流电，再通过接入装置与电网并接，形成并网型光伏系统。光伏系统通过并网的形式向负载供电是光伏系统技术的主流发展趋势。光伏并网技术是20世纪80年代以后随着社会发展、能源短缺、太阳电池生产成本下降、光伏技术向民用推广的条件已初步具备而发展起来的，经过近30年的演变，并网型光伏系统技术日益完善，系统形式也越来越多样化。目前应用的主要有无蓄电池无逆流系统、有蓄电池无逆流系统、有逆流系统等。

1）无蓄电池无逆流并网型光伏系统

无蓄电池无逆流并网型光伏系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器和防逆流配电柜等组成。无逆流系统是指光伏系统的功率始终小于或等于负载，不存在剩余电力，反之电力不够时则由电网提供，也即光伏系统与电网形成并联向负载供电。由于不会出现光伏系统向电网输电的现象，因此称为无逆流并网。对于无蓄电池无逆流系统，即使光伏系统因某种原因（比如负载侧某用电器停止用电等）产生剩余电力时也只能通过某种手段放弃，比如部分切断或全部切断太阳电池方阵的直流输出。这种系统对充分利用光伏设备不利，因此应用较少。

浙江某公司计划在厂房屋顶安装并网型光伏系统，与电网公司协商后，电网公司支持并网，但希望所发太阳能电力最好在厂区内全部消耗掉。考虑到厂区负载功率大于太阳能光伏系统的功率，且蓄电池成本较高，因此设计了无蓄电池无逆流并网型光伏系统，通过监测逆流信息控制逆变器的输出以防止多余电力溢出到电网。该系统的主要构成和原理如图11．14所示。

图11．14　无蓄电池无逆流并网型光伏系统的主要构成和原理

2）有蓄电池无逆流并网型光伏系统

有蓄电池无逆流并网型光伏系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组和带有充放电控制及电源自动切换装置的控制逆变器等组成，与电网形成并联向负载供电，如图11．15所示。光伏系统的发电量受气象影响很大，且白昼发电，晚间不发电，用户要获得稳定的电力供应并在用电时间段方面不受限制，可以采用适量的蓄电池蓄电。对于这种系统，在负载侧负荷下降、光伏发电侧电力剩余的情况下，蓄电池可以贮存剩余的光伏电能，在光伏系统电力供应不足时释放，起到调衡系统供电的作用。由于并网逆变器通常都是单向的，因此不会出现电网给蓄电池充电的情况。在设计上往往考虑光伏系统优先供电，在蓄电池电压下降到一定值时控制器把光伏系统切换到商业电网供电状态。对照图11．13和图11．15可以看出，这种光伏系统实际上是在有电网地区对离网型光伏系统的优化，本质上仍然是给一个用电参数可知的负载群供电。因此在设计系统时，从发电设备利用率和投资效率考虑，一般以当天的发电量能被负载当天完全消耗为宜，不需要把太阳电池容量和蓄电池容量设计过大，当可安装太阳电池方阵的空间足够时，以所需为准；不够时，以可安装空间的大小为准。这样，光伏系统利用率一般可达100%，投资效率高。

图11．15　有蓄电池无逆流并网型光伏系统的主要构成和原理

2003年在上海市卢湾区复兴公园公厕屋顶上安装了一套这一形式的系统，如图11．16所示。该系统由1．02kWp太阳电池、200Ah×12V×4个蓄电池、1．5kW含充放电控制的控制逆变器1台等构成。太阳电池方阵采用了6块170Wp的太阳电池，每3块组成1串，共2串，直接接入到控制逆变器，逆变器输出端与公厕的220V配电盘相接，与电网一起给厕所照明和冲洗提供电能。

图11．16　上海市卢湾区复兴公园公厕屋顶的太阳电池方阵

3）有逆流并网型光伏系统

图11．17　有逆流并网型光伏系统的主要构成和原理（低压并网方式）

光伏系统的剩余电力可以向电网倒送并由电力部门回购的系统称为有逆流并网系统，其基本构成和原理如图11．17所示。这种系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器组成，系统规模较大的情况下还要追加一些必要的配套设备，如直流和交流汇流箱、直流和交流配电柜以及升压装置等。系统的用户在电力使用上可通过电网来调节，系统有剩余电力时向电网传送电力，电力不足时从电网输入电力，因此大多数系统不配备蓄电池。有逆流光伏系统小到kWp级的家庭光伏系统，大到MWp级、10MWp级乃至将来用于沙漠发电的GWp级光伏系统，大小不一，灵活多变，但是系统的基本构成相差不大。根据就近接入的电网电压高低可以分为低压并网系统和高压并网系统，前者的特点在于光伏系统发的电直接被分配到安装户的负载上，多余的电力可供给区域变压器二次侧以内的其他用电户，而不足的电力可通过所连接的低压电网来调节，电能使用效率较高；后者的特点在于光伏系统发的电直接通过升压装置输送到高压电网上，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位。由于光伏系统所发电力到达负载前要经过升压和降压两次电压转变，电能使用效率会下降一些。通常家庭光伏系统和几十千瓦级的楼宇光伏系统都采用低压并网方式，以发挥小型光伏系统就地发电就地使用的优点。对于上百千瓦级以上的大系统，通常多数采用高压并网方式，由于要追加升压、无功补偿和运行监控等装置，工程设计会稍微复杂一些。总的来说有逆流并网型光伏系统结构简洁，故障率低，维护简单，系统的总体效率高。

日本能源资源贫乏，又是自然灾害频繁的国家，因此日本政府对可再生能源发电的支持力度较大，在各项扶持政策的刺激及电力公司的通力合作下，家用并网型光伏系统的推广应用已经持续了十多年。2009年11月日本政府出台绿电回购政策后，家用光伏系统获得了加速推广，截止2012年4月底，家用光伏系统的普及数已超过100万套。日本政府计划在2030年以前使家用光伏系统普及数达到1 600万套以上。日本的并网型家用光伏系统几乎都采用有逆流低压并网方式，其模式如图11．18所示。

事实上把光伏技术推广应用到普通家庭，发挥家用光伏系统不占地、就地发电就地使用、减少输电损耗、故障就地解决的优点，将更能体现光伏技术的综合经济效益。大城市的电网四通八达，如能充分利用家用光伏系统的优点，大力推广并网型家用光伏系统，则对建设资源节约型和环境友好型社会具有极大的价值和社会效益。

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图11．18　日本并网型家用光伏系统的主要构成和原理

2006年在上海市闵行区的一幢13层住宅楼的屋顶上安装了一套有逆流并网型家用光伏系统［4］，直接为安装户提供电力，多余电力输给电网，如图11．19所示。该楼顶屋面朝南，周围无遮阳建筑，视野开阔。太阳电池方阵面向正南，倾角设计为适合于上海地区的25°。系统主要由2．992kWp太阳电池、1台2．5kW并网逆变器、1个保护开关箱和1块计量电表构成。太阳电池方阵采用了22块136Wp的多晶硅太阳电池，每11块组成1串，共2串，直接接入到逆变器，逆变器输出端与家庭的220V配电盘相接，如图11．20所示。

图11．19　上海第一套家用光伏系统的太阳电池方阵

系统于2006年12月中旬并网发电，截止2013年6月中旬，无故障安全运行6年半，其间未进行维护和清扫，光伏组件表面完全靠雨水自洁。根据电表计量，累计发电20 100kWh，按测得的25°倾斜面太阳能辐照量计算，系统效率达到约78%。

图11．20　上海第一套家用光伏系统的主要构成和原理

光伏系统的并网点通常是三相电源，对于5kWp以下的家用光伏系统，逆变器的输出端可以接在三相中的任意一相上，因功率小，对三相失衡的影响不大，而且普及推广家用光伏系统后，左邻右舍的光伏系统可以分别接在ABC三相上，以保持三相基本平衡。对于5～10kWp的小型光伏系统，应尽可能采用三相逆变器，当采购不到对应的三相逆变器时，可大体上把太阳电池方阵的功率分成三等分，并采用三台同功率的逆变器与之对应，逆变器的输出分别与电网的ABC三相连接，这种方式也能保证三相平衡。上海电力学院南汇校区学生多功能生态活动中心的光伏系统即采用了这种方式，如图11．21所示。

图11．21　三相平衡设计的光伏系统

对于百千瓦级以上的大型光伏系统，如果所发电力不准备就地消耗，且附近有高压电网，则应该采取高压并网的方式。国家电网浙江省电力公司生产调度大楼光伏系统就是一个高压并网的范例。该系统由总容量为244．11kWp的太阳电池方阵、8个直流汇流箱、1台50kW和2台100kW的并网逆变器、3台交流配电柜、1台400kVA升压变压器等构成。太阳电池方阵由62组太阳电池组件串并联组成，所发直流电经汇流箱汇流后输入到逆变器，逆变器输出的400V三相交流电经由配电柜接入到400V／10kV升压变压器，升压至10kV后再接入当地公共电网，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位。系统主要构成和原理如图11．22所示。

图11．22　浙江省电力公司生产调度大楼250kWp光伏系统的主要构成和原理（高压并网方式）

随着国家在新能源方面投资的扩大，MWp级和10MWp级的光伏电站也已出现。图11．23表示的是徐州协鑫光伏电力有限公司20MWp光伏电站坐落在山麓上的太阳电池方阵。该太阳电池方阵由98 684块多晶硅太阳电池组件组成，并整合成38个子系统，所发电力经由38台500kVA的并网逆变中压变压器和1台20MVA高压变压器通过400V→10kV→110kV梯级升压后与商业电网高压并网。

图11．23　徐州协鑫光伏电力有限公司20MWp光伏电站的太阳电池方阵

4）接入系统

接入电力系统也即并网。当光伏系统并入电网时，在光伏系统与电网之间就需要有一个接口环节，如何衔接也即光伏系统如何接入到电力系统，需要有个方案设计。对于小型的或家用光伏系统，由于接入电网的方式比较简单，不需要进行特别的设计。对于大型的光伏系统，接入方式要求较高，牵涉的设备也多，比如交流配电装置、升压器、无功补偿装置和运行监控装置等，因此需要进行周密的设计。

通常接入系统的方案由电网部门指定电力设计单位负责设计或工程承担单位根据电网部门的许可和要求进行设计。