太阳能发电并网系统研究综述
杨 浩
摘要：由于太阳电池的主要原料一一硅的储量十分丰富，随着太阳电池研究的快进程和转换效率的不断提高以及其与其相关之系统技术的进展，发电成本已经现快速下降趋势。可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。
关键词：太阳能；光伏并网；发电
1光伏发电并网系统的现状和研究意义
光伏发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。
光伏并网逆变技术经过近几年的研究和发展，在技术上己近成熟，在电力电子技术先进的德国、日本、美国和加拿大等发达国家己有成熟的、技术先进的、性能优秀的产品问世，从小功率几十瓦到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块，到高压大功率的光伏并网逆变电源，品种繁多，不仅如此，其功能也很完善，多机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等。
我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五”和“十五”的国家科技攻关，在基本理论和实用技术方面己经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面已有所突破，并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产品，但在并网逆变技术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。例如，并网逆变系统的电磁噪声和电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题在并网逆变系统中却相当重要，要良好地予以解决在技术上也相当困难。在并网逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然国内研究报道较多，原理也相当简单，但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功率跟踪还未能看见实际样机。在适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率控制方式还缺乏详细的实验研究和标准制定。此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较单一，适应面较窄。
光伏并网发电系统不仅仅涉及到太阳电池和并网逆变技术，还涉及到系统的控制和优化问题，太阳能发电系统的总体发电效率除与太阳电池效率、逆变器效率和功率控制方式有关外，同时也与当地的纬度、气候、日照、和太阳电池阵列的倾角、方位角有关，提高光伏系统的全年总体发电效率是一个复杂的系统工程，它涉及到现代工程数学、现代控制理论、仿真技术、建模技术等多学科领域，多学科相互交叉，国外在经过多年的大量的光伏应用研究和运行统计的基础上，己经建立了完善的全球各地区气象年均日照和月均日照统计数据库，为光伏系统的优化设计和配套提供充分的依据条件，并研制成功专门的光伏系统优化设计软件包，在风力资源统计数据的基础上，也同时研发了风光互补发电系统优化设计软件，为方便光伏系统的推广应用、节省设备投资、降低成本、提高系统的运行可靠性及供电的保证度等提供理论依据和优良设计工具。
国内在光伏系统的优化设计方面，己经有部分院校做了相关研究，但由于存在大量的气象数据统计据的获取、电站运行的数据统计、研制经费的缺乏等原因，系统的优化设计软件应用推广还有待时间和实践考验，也还有待于进一步的完善。相信随着光伏系统在我国的普及和推广应用的发展，光伏系统的优化设计问题会越来越受到人们的重视。
针对以上问题，光伏并网发电系统的研究具有重要的理论和现实意义。
2光伏并网发电系统的分类
目前常用的光伏并网发电系统可以为两类，一种为不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”;另一种为含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”。
不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。白天，当光伏系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给电网;其它时间，特别是夜间，当本地负载大于光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载提供补充电能。当电网故障或维修时，出于安全考虑，逆变器停止工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。
可调度式光伏并网发电系统和前者相比，最大的不同处是系统中配有储能环节(目前通常采用蓄电池组)，蓄电池组的容量大小按具体需要配置。可调度式光伏并网发电系统在功能和性能方面较之不可调度式有若干扩展和提高。但也带来了若干严重的弱点，正是这些弱点使可调度式并网系统的应用规模当前还难与不可调度式相比较，这是因为:
蓄电池组的寿命较短:目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为5年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在25一30年左右，因此只有为数较少的场合使用可调度式光伏并网系统;蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵;蓄电池组较为笨重，需占用较大空间，如有漏液，则会泄漏出腐蚀性液体，此外报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会造成“铅污染”;不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，其安装和调试相对方便，可靠性也高。
3太阳能电池和三相光伏并网发电系统的工作原理
太阳能电池阵列是太阳能光伏发电系统中的重要组成部分，它的好坏直接关系到整个光伏系统的性能和质量。由于太阳能电池阵列是由若干太阳能电池组件串、并联而成，为此，下面我们将介绍太阳能电池的工作原理。
太阳能电池工作原理的基础，是半导体P一N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其它光照射半导体P一N结时，就会在P一N结的两边出现电压，就叫光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使P一N结短路时就会产生电流。
众所周知，物体的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电，电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道围绕着原子核高速旋转。当在太阳光辐射时，电子就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它的原来地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴”。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。当太阳光照射P-N结时，在半导体内就会产生电子一空穴对，由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区。离开势垒区，结果使P型区电势升高，N型区电势降低，P-N结两端形成光生伏打电动势，这就是P-N结的光生伏打效应。由于光照产生的非平衡载流子各自向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生伏打电势差，这就是开路电压。如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是太阳能电池发电的基本工作原理。若把几十个、数百个太阳能电池串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光照射下，便可得相当可观功率的电能。
光伏并网的工作原理就是要把太阳能电池组件发出的直流电转换成交流电，并并入市电电网，可供正常的交流用电电器使用。目前广泛应用于太阳能并网发电系统中的方案原理是:首先将太阳光能转化成电能的形式，然后将电能调节成满足SPWM全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将太阳能回馈给交流电网。在整个系统最主要的环节(逆变器)中，采用的就是SPWM(正弦波脉宽调制)逆变技术。根据电力系统准周期并列的条件，采用SPWM全桥逆变电路的再生能源回馈电网系统并网时应同时满足以下3个条件:①再生能源回馈电网系统中逆变器的输出电压和市电电压接近相等，一般压差应在10%以内;②逆变输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.4Hz;③逆变输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过10度。
光伏并网控制目标是:控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。
参考文献
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