分布式光伏發電系統綜述

摘 要：介紹了國內對分布式光伏并網的一般性規范要求；分析了分布式光伏電站的分類以及系統結構；總結了現有分布式光伏電站存在的系統方式、太陽能電池板、逆變器、并網方式，為以后分布式光伏電站的設計提供理論支持。

關鍵詞：光伏發電；逆變器；光伏并網；太陽能電池板

引言

近年來，受化石能源短缺、人類生態環境壓力的影響，大力發展綠色無污染的、可再生能源已顯得尤為重要[1]。太陽能光伏發電是一種新型的可再生能源發電方式，是一種綠色發電方式，不需要煤等燃料，對環境友好，沒有轉動式組件，維護簡單，模塊化設計，決定了其規模可大可小，可根據場地的要求調整系統容量等突出優點。

隨著光伏產業的快速發展，已有許多研究著對太陽能發電系統進行了研究。文獻[2-3]介紹了太陽能發電的工作原理、構成以及分類。逆變器是太陽能發電的核心部件，文獻[2-6]對逆變器的結構、工作原理以及市售產品進行了詳細的介紹。文獻[7-8]介紹了分布式光伏發電的發展趨勢以及在國內的應用，但未能提供對該分布式系統實現的支撐。文獻[9-10]中介紹了光伏發電系統的設計方法。文獻[11]提出了一種家用小型分布式光伏發電系統結構設計。文獻[12-18]介紹了分布式光伏發電系統的應用實例。文獻[19]對金太陽示范工程和光電建筑項目總結了經驗教訓，并分析了隨著光伏產業發展，我國出臺的一系列補助政策。

我國近三年來分布式光伏發電發展迅速，自從2009年開始了實施“金太陽”工程和光電建筑示范項目，截至到2011年年底，國家已公布的光電建筑示范項目規模約為30萬千瓦，“金太陽”工程已公布的規模約為117萬千瓦。國家公布的相關規劃提出，2015年分布式光伏發電要達到1000萬千瓦。同時，明確提出鼓勵在中東部地區建設與建筑結合的分布式光伏發電系統。因此，分布式光伏發電是未來的重要發展方向。在此背景下，文章先后介紹了光伏發電系統的分類、系統方案、主要組件結構以及并網方式。

1 系統分類

分布式發電系統主要是自產自用，必須接入公共電網，與公共電網一起為附近的負荷供電。如果沒有公共電網支撐，分布式系統就無法保證用戶的可靠性和質量。根據接入公共電網的電壓等級可將光伏發電系統分為可分為小型、中型、大型光伏發電系統，分布式發電系統一般建在負荷側，是中小型光伏發電系統。根據是否配備儲能環節，可將分布式光伏發電系統分為不可調度發電系統和可調度發電系統。

1.1 不可調度發電系統

不可調度發電系統由光伏電池陣列、控制器、并網逆變器、變壓器等組成，如圖1所示。在不可調度發電系統中，當公共電網沒有故障時，光伏發電系統產生的電能經過并網逆變器變為同相同頻的交流電送入公共電網；當公共電網發生故障或者無光照時，系統將自動停止向公共電網送電。

圖1 不可調度發電系統框圖

控制器包括光伏電池 MPPT 控制器和逆變單元控制器兩部分。其中 MPPT 控制器實現光伏電池的最大功率輸出的控制，保障光伏能源充分利用。

1.2 可調度發電系統

由于光伏電源的不穩定性，光伏并網對電網的線路潮流、系統保護、電能質量、運行調度、經濟性等帶來不良的影響。為并網光伏電站配置儲能裝置，是目前從電站的角度來解決電站并網對系統沖擊的唯一可行方案。可調度光伏電站的典型結構包括：光伏陣列、并網逆變器、蓄電池儲能環節、控制器、變壓器等，如圖2所示。

圖2 可調度發電系統框圖

儲能系統是光伏并網發電系統的調控環節，當光照比較充足的時候，光伏發電系統的發電量多于負荷的需求，此時儲能系統將多余的電能儲存起來；當光照不充足時，光伏發電系統的發電量不滿足負荷的需求，此時釋放儲能系統內儲存的能量，平衡負荷的需求，從而起到調節供用電平衡和平滑分布式發電系統能量輸出的作用，可調度發電系統將成為今后的一個重要研究方向。

雖然，相對于不可調度發電系統來說，可調度發電系統在電能質量、經濟性、系統保護等方面的性能更優越；但是，由于可調度發電系統增加了儲能環節，儲能系統本身存在壽命低、價格貴、體積笨重等缺點，使得可調度發電系統的應用不及于不可調度發電系統，日前，大部分分布式光伏系統仍采用不可調度發電系統式結構。

2 系統方案

目前上網型太陽能光伏發電工程的形式主要有：光伏建筑一體化（BIPV）、地面太陽能發電場、屋頂太陽能發電系統（BAPV）：（1）光伏建筑一體化是光伏發電系統以建筑材料的形式作為建筑的一部分，通常為建筑屋頂和光照條件較好的建筑立面。（2）面太陽能發電場是利用地面專門的場地建設光伏發電系統，需要占地面積較大，一般用于大型集中式并網系統，在我國一般建設在西部地區較多。（3）屋頂太陽能發電系統則是利用現有建筑的閑置屋頂建設光伏發電系統，所需條件是有較大面積且朝向較好的建筑物屋頂。

目前，我國的小型光伏發電站主要采用屋頂太陽能發電（BAPV）。其顯著優點在于：受日照輻射條件好，不占用專門的用地面積，符合建設條件的建筑量大，可大規模推廣應用，而且建設改造成本低，發電并網條件好，光伏組件安裝方式比較自由，系統效率高，可實現較大規模裝機，適合在工商業發達且缺乏可供開發利用空地的地區大規模推廣應用。

3 系統設備

分布式光伏發電系統的基本設備有太陽能電池組件、光伏方陣支架、并網逆變器、直流匯流箱、直流配電柜、交流配電柜等，另外還有系統監控裝置和環境監測裝置。其中，最重要的兩個設備是太陽能電池組件和并網逆變器，這兩個設備的質量直接影響整個分布式光伏系統的性能。

3.1 太陽能電池組件

太陽能電池組件是分布式光伏發電系統的核心部分之一，也是分布式光伏發電系統中最重要的部分。其作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池組件的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。太陽能電池組件由進口（或國產）單晶（或多晶）硅太陽能電池片串并聯，用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封而成，周邊加裝鋁合金邊框，具有抗風、抗冰雹能力強、安裝方便等特性。

3.2 并網逆變器

光伏并網逆變器是分布式光伏發電系統中核心部件之一，其主要功能是將太陽能電池組件產生的直流電逆變成交流電，并送入公共電網，其效率、可靠性會直接影響整個分布式光伏發電系統的性能。根據逆變器的內部結構可分為帶隔離變壓器的逆變器（低頻工頻變壓器、高頻變壓器）和不帶變壓器的逆變器。具體比較見表1：

由于帶隔離變壓器的可靠性較高，因此國內光伏電站并網逆變器多采用帶有隔離變壓器的逆變器。但是，由于去掉變壓器不僅可以降低系統的成本，減小系統體積和重量，而且還可以提高光伏發電系統的發電效率，因此無隔離變壓器光伏發電并網逆變器成為近年來研究的重點和熱點。

太陽能發電并網方案中，為保障公共電網的安全，并網逆變器還需要考慮三相電壓、電流不平衡，欠壓，防雷接地保護，短路保護，防孤島效應等保護措施。

4 并網方式

分布式光伏系統主要有兩種并網方式：就近較低電壓等級并網方式和集中控制，高壓單點并網方式。小型光伏發電系統由于容量比較小，對公共電網的潮流影響可以忽略不計，一般選擇就近較低電壓等級并網方式，且優先選擇用電負荷多于并網容量的線路并網；大中型光伏電站由于并網容量較大，對電網系統潮流影響較大，采用集中控制，高壓單點并網。

目前，分布式太陽能發電并網方案中，根據光伏電站容量和周邊電網的實際情況綜合選擇，小容量光伏電站采用分散發電，分散控制，低壓就地上網；中大容量的光伏電站，采用分散發電，光伏電池串并聯后接入逆變器（配置多臺并網逆變器）后集中控制，高壓并網，或者采用分散發電，就地升壓，集中控制，高壓單點并網，低壓就近并網的原則。

5 結束語

在國內大力鼓勵發展分布式光伏發電的背景下，文章對分布式光伏并網發電系統進行了綜述性的描述，分別介紹了我國對光伏發電站并網的一般規范要求，分布式光伏電站的分類及結構框圖，以及具體介紹了我國目前常用的分布式光伏電站工藝方案中系統方式、太陽能電池板、逆變器、并網方式，為以后分布式光伏系統的設計提供了理論支持。

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