分布式光伏发电系统综述

分布式光伏发电系统综述

介绍了国内对分布式光伏并网的一般性规范要求；分析了分布式光伏电站的分类以及系统结构；总结了现有分布式光伏电站存在的系统方式、太阳能电池板、逆变器、并网方式，为以后分布式光伏电站的设计提供理论支持。

标签：光伏发电；逆变器；光伏并网；太阳能电池板

引言

近年来，受化石能源短缺、人类生态环境压力的影响，大力发展绿色无污染的、可再生能源已显得尤为重要[1]。太阳能光伏发电是一种新型的可再生能源发电方式，是一种绿色发电方式，不需要煤等燃料，对环境友好，没有转动式组件，维护简单，模块化设计，决定了其规模可大可小，可根据场地的要求调整系统容量等突出优点。

随着光伏产业的快速发展，已有许多研究着对太阳能发电系统进行了研究。文献[2-3]介绍了太阳能发电的工作原理、构成以及分类。逆变器是太阳能发电的核心部件，文献[2-6]对逆变器的结构、工作原理以及市售产品进行了详细的介绍。文献[7-8]介绍了分布式光伏发电的发展趋势以及在国内的应用，但未能提供对该分布式系统实现的支撑。文献[9-10]中介绍了光伏发电系统的设计方法。文献[11]提出了一种家用小型分布式光伏发电系统结构设计。文献[12-18]介绍了分布式光伏发电系统的应用实例。文献[19]对金太阳示范工程和光电建筑项目总结了经验教训，并分析了随着光伏产业发展，我国出台的一系列补助政策。

我国近三年来分布式光伏发电发展迅速，自从2009年开始了实施“金太阳”工程和光电建筑示范项目，截至到2011年年底，国家已公布的光电建筑示范项目规模约为30万千瓦，“金太阳”工程已公布的规模约为117万千瓦。国家公布的相关规划提出，2015年分布式光伏发电要达到1000万千瓦。同时，明确提出鼓励在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电系统。因此，分布式光伏发电是未来的重要发展方向。在此背景下，文章先后介绍了光伏发电系统的分类、系统方案、主要组件结构以及并网方式。

1 系统分类

分布式发电系统主要是自产自用，必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的负荷供电。如果没有公共电网支撑，分布式系统就无法保证用户的可靠性和质量。根据接入公共电网的电压等级可将光伏发电系统分为可分为小型、中型、大型光伏发电系统，分布式发电系统一般建在负荷侧，是中小型光伏发电系统。根据是否配备储能环节，可将分布式光伏发电系统分为不可调度发电系统和可调度发电系统。

1.1 不可调度发电系统

不可调度发电系统由光伏电池阵列、控制器、并网逆变器、变压器等组成，如图1所示。在不可调度发电系统中，当公共电网没有故障时，光伏发电系统产生的电能经过并网逆变器变为同相同频的交流电送入公共电网；当公共电网发生故障或者无光照时，系统将自动停止向公共电网送电。

图1 不可调度发电系统框图

控制器包括光伏电池MPPT 控制器和逆变单元控制器两部分。其中MPPT 控制器实现光伏电池的最大功率输出的控制，保障光伏能源充分利用。

1.2 可调度发电系统

由于光伏电源的不稳定性，光伏并网对电网的线路潮流、系统保护、电能质量、运行调度、经济性等带来不良的影响。为并网光伏电站配置储能装置，是目前从电站的角度来解决电站并网对系统冲击的唯一可行方案。可调度光伏电站的典型结构包括：光伏阵列、并网逆变器、蓄电池储能环节、控制器、变压器等，如图2所示。

图2 可调度发电系统框图

储能系统是光伏并网发电系统的调控环节，当光照比较充足的时候，光伏发电系统的发电量多于负荷的需求，此时储能系统将多余的电能储存起来；当光照不充足时，光伏发电系统的发电量不满足负荷的需求，此时释放储能系统内储存的能量，平衡负荷的需求，从而起到调节供用电平衡和平滑分布式发电系统能量输出的作用，可调度发电系统将成为今后的一个重要研究方向。

虽然，相对于不可调度发电系统来说，可调度发电系统在电能质量、经济性、系统保护等方面的性能更优越；但是，由于可调度发电系统增加了储能环节，储能系统本身存在寿命低、价格贵、体积笨重等缺点，使得可调度发电系统的应用不及于不可调度发电系统，日前，大部分分布式光伏系统仍采用不可调度发电系统式结构。

2 系统方案

目前上网型太阳能光伏发电工程的形式主要有：光伏建筑一体化（BIPV）、地面太阳能发电场、屋顶太阳能发电系统（BAPV）：（1）光伏建筑一体化是光伏发电系统以建筑材料的形式作为建筑的一部分，通常为建筑屋顶和光照条件较好的建筑立面。（2）面太阳能发电场是利用地面专门的场地建设光伏发电系统，需要占地面积较大，一般用于大型集中式并网系统，在我国一般建设在西部地区较多。（3）屋顶太阳能发电系统则是利用现有建筑的闲置屋顶建设光伏发电系统，所需条件是有较大面积且朝向较好的建筑物屋顶。

目前，我国的小型光伏发电站主要采用屋顶太阳能发电（BAPV）。其显著

优点在于：受日照辐射条件好，不占用专门的用地面积，符合建设条件的建筑量大，可大规模推广应用，而且建设改造成本低，发电并网条件好，光伏组件安装方式比较自由，系统效率高，可实现较大规模装机，适合在工商业发达且缺乏可供开发利用空地的地区大规模推广应用。

3 系统设备

分布式光伏发电系统的基本设备有太阳能电池组件、光伏方阵支架、并网逆变器、直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜等，另外还有系统监控装置和环境监测装置。其中，最重要的两个设备是太阳能电池组件和并网逆变器，这两个设备的质量直接影响整个分布式光伏系统的性能。

3.1 太阳能电池组件

太阳能电池组件是分布式光伏发电系统的核心部分之一，也是分布式光伏发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池组件由进口（或国产）单晶（或多晶）硅太阳能电池片串并联，用钢化玻璃、EV A及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹能力强、安装方便等特性。3.2 并网逆变器

光伏并网逆变器是分布式光伏发电系统中核心部件之一，其主要功能是将太阳能电池组件产生的直流电逆变成交流电，并送入公共电网，其效率、可靠性会直接影响整个分布式光伏发电系统的性能。根据逆变器的内部结构可分为带隔离变压器的逆变器（低频工频变压器、高频变压器）和不带变压器的逆变器。具体比较见表1：

由于带隔离变压器的可靠性较高，因此国内光伏电站并网逆变器多采用带有隔离变压器的逆变器。但是，由于去掉变压器不仅可以降低系统的成本，减小系统体积和重量，而且还可以提高光伏发电系统的发电效率，因此无隔离变压器光伏发电并网逆变器成为近年来研究的重点和热点。

太阳能发电并网方案中，为保障公共电网的安全，并网逆变器还需要考虑三相电压、电流不平衡，欠压，防雷接地保护，短路保护，防孤岛效应等保护措施。

4 并网方式

分布式光伏系统主要有两种并网方式：就近较低电压等级并网方式和集中控制，高压单点并网方式。小型光伏发电系统由于容量比较小，对公共电网的潮流影响可以忽略不计，一般选择就近较低电压等级并网方式，且优先选择用电负荷多于并网容量的线路并网；大中型光伏电站由于并网容量较大，对电网系统潮流影响较大，采用集中控制，高压单点并网。

目前，分布式太阳能发电并网方案中，根据光伏电站容量和周边电网的实际