光伏并网系统

Grid-Connected Photovoltaic Power

光伏并网的种类

与电力网相连接的太阳能光伏系统称为光伏并网系统，光伏并网发电系统有分布式并网与集中式并网。

分布式并网

分布式光伏发电装置是用户自行安装在用户侧的发电装置，主要是就近解决用户用电问题，减少对电网供电的依赖，再通过并网实现供电差额的补偿与外送，也就是说在阳光充足时发出的电除了自用还向电网输出；在自发电（含蓄电池存储电）不够用时再从电网引入电补充使用。有些分布式光伏发电装置没有蓄电池，在光伏发电不够用是直接使用电网供电。图1是分布式并网光伏发电系统组成示意图。

图1 分布式并网光伏发电系统

分布式光伏发电装置的光伏组件通常建在建筑物表面，有效减少光伏电站的占地面积。分布式光伏发电装置容量一般不大（10kW至20kW），故运行灵活，必要时也可以脱离电网独立运行。

集中式并网

集中式光伏并网发电系统是指利用荒漠地区和相对稳定的太阳能资源建设的大型光伏电站，由许多光伏组件与逆变器组合后输出380V三相交流电，再通过电力变压器升压后接入高压输电网。图2是集中式并网光伏发电系统组成示意图。

图2 集中式并网光伏发电系统

集中式光伏并网发电系统规模大、输出相对稳定、发电效率较高，在白天用电高峰期正好是光伏发电能力强的时候，可为电网调峰，集中控制可较方便地进行无功控制、电压控制和电网频率调节。

缺点是可能需要长距离输电线路接入电入网；多台变换装置的组合与管理的技术尚不成熟。

并网的条件

实现并网首先要保证并网两侧的相序相同，保证电压，相位、波形等要尽量一致，主要有：并网逆变器输出电压和市电电压值相等，压差应在 10% 以内； 并网逆变器输出频率与市电频率相同，频差不超过 0.3Hz ；并网逆变器输出电压和市电电压波形相同，各相位差尽量一致。

并联合闸瞬间，并网逆变器输出与电网对应相的电位相同、相位相同，即并网逆变器输出与电网的回路电势为零。

并网逆变器

光伏并网系统的输出装置是并网逆变器，并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件和技术关键。它将光伏阵列发出的直流电转换为与电力网相同的交流电，在“SPWM逆变器原理”一节介绍了直流电转换为交流电的原理。与离网逆变器不同的是，并网逆变器对转换输出交流电的频率、电压、电流、相位有严格要求，还要控制输出交流电的有功与无功、电能品质（电压波动、高次谐波），使转换后的交流电的电压、相位、频率与电网的交流电一致。

并网逆变器包括控制器、变换器与逆变器，并网逆变器除了直流到交流电的转换外还必须有如下主要功能：

根据日出到日落的日照条件，根据不同的外界温度和太阳光照强度条件下，使光伏阵列尽量保持最大功率输出的工作状态；并网时抑制高次谐波电流流入电网，减少对电网的影响。排解异常情况，保障系统安全运行。

逆变器的并网组合

单块太阳电池组件工作电压一般为十几伏到四十几伏，输出电流也有限，把一定数量的太阳电池组件串联成太阳电池组件串（简称组串），再根据现场条件和太阳电池方阵输出的电流、电压、功率和并网需求对太阳电池组件串与逆变器进行连接。连接方式多种多样，归纳起来主要有3种连接方式。

集中逆变器

将多个规格相同的太阳电池组件串并联后再接入逆变器的直流输入侧，通过逆变器输出交流电并入单相或三相电网。由于只有一个逆变器，系统成本较低；但各太阳电池组串的输出会有差别，特别是各太阳电池组件串光照不同时，许多太阳电池组串不是工作在最佳工作点附近，转换效率较低。这种系统主要应用在大规模的沙漠光伏电站。图3是集中逆变器连接示意图。

图3  集中逆变器连接示意图

组串逆变器

每个太阳电池组件串单独连接一台逆变器，组成“组串逆变器”，多个规格相同的组串逆变器在在交流侧与电网并接。由于每个组串逆变器都有独立的最大功率跟踪单元，在各组件串光照不同时也可保证工作在最佳工作点，提高了系统效率。这种组合方式主要应用于中大型光伏电站、大型屋顶光伏并网发电系统。图4是组串逆变器连接示意图。

图4  组串逆变器连接示意图

组件逆变器

每个组件连接一台逆变器，组成一个AC光伏模块，多个AC光伏模块的交流侧并入低压电网，由于每AC光伏模块都有独立的最大功率跟踪单元，可得到较高的效率，模块化结构使系统组成方便，扩展容易；但成本较高，主要应用在小型光伏发电系统。图5是组件逆变器连接示意图。

图5  组件逆变器连接示意图

并网逆变器与电网绝缘隔离

为了防止太阳能光伏阵列的直流电流向电力系统的配电线，给电力系统造成不良影响，为了防止交流电网电压影响太阳电池对地电压，为了系统的安全性，要求并网逆变器与电网绝缘隔离，并网逆变器电路结构常用三种隔离方式：

工频变压器隔离

将光伏阵列的直流输出逆变为交流电后，通过工频变压器实现并网。工频变压器的体积与重量大，现在已较少应用。图6是工频变压器隔离的逆变器示意图。

图6 工频变压器隔离示意图

高频变压器隔离

高频变压器隔离方式主电路由太阳电池阵列直流输入，经过高频逆变器转换成高频交流电压，经高频变压器提升电压后，再经高频整流电路转换成直流电，最终经过工频逆变器输出工频交流电。高频PWM方波频率达20kHz以上，故高频变压器体积小重量轻，整流后的滤波电容也小很多，可使装置小型化、集成化。但与工频变压器隔离相比，电路构成、控制方式均比较复杂，由于经过两级转换，系统的效率也有所下降。

由于高频PWM逆变电路、高频变压器、高频整流滤波组成了DC-DC变换电路，输出的直流电到工频SPWM逆变电路生成工频交流电，故也称为两级式逆变器。图7是高频变压器隔离的逆变器示意图。

图7 高频变压器隔离的示意图

无变压器隔离

在无变压器绝缘方式的主电路中，光伏阵列的直流输出经过直流变换器升压至合适的电压值，再通过工频逆变器实现交流输出。没有变压器使体积减小、质量减轻，还具有效率高、成本较低的特点。

无变压器形式主电路没有变压器对输入和输出隔离绝缘，整个太阳电池阵列必须对地浮空，电路任何地方都不可接地。由于太阳电池组件与电路存在对地电压，必须有绝缘保护，有对地的漏电流保护开关。只要采用保护措施，是可以保证主电路和控制电路运行的安全性。无变压器形式已成为目前主流的并网逆变器主电路结构。无变压器隔离绝缘的光伏系统输出电压不能太高，一般输出电压为单相220V（民用电压）或三相380V（工业低压用电），若要并入高压电网还得使用电力变压器升压，见图2。