2.2　并網光伏發電系統

并網光伏發電系統（Grid-connected PV System）是指將太陽能光伏發電系統與電力系統并網的系統，它可分為無逆流并網系統、有逆流并網系統、自立運行切換型系統、直流并網光伏發電系統、交流并網光伏發電系統、地域并網型系統以及小規模電源系統等。

2.2.1　無逆流并網系統

在正常情況下，相關負載由太陽能電池提供電能；而當太陽能電池所提供的電能不能滿足負載需要時，則負載從電力系統得到電能；如果太陽能電池所提供的電能除滿足負載要求外，還有剩余電能，但系統并不把剩余電能流向電網。人們將此類光伏系統稱之為無逆流并網系統,如圖2-6所示。

由上述分析可知，在無逆流并網系統中，當太陽能電池的發電量超過用電負載量時，只有通過某種手段讓太陽能光伏系統少發一部分電，從而避免白白損失了一部分太陽能，為了克服上述缺點，有逆流并網系統應運而生。

2.2.2　有逆流并網系統

在正常情況下，相關負載由太陽能電池提供電能；而當太陽能電池所提供的電能不能滿足負載需要時，則負載從電力系統得到電能；如果太陽能電池所提供的電能除滿足負載要求外，還有剩余電能且把剩余電能流向電網。人們將此類光伏系統稱之為有逆流并網系統（如圖2-7所示）。對于有逆流并網系統來說，由于太陽能電池產生的剩余電能可以供給其他負載使用，因此可以充分發揮太陽能電池的發電能力，使電能得到最大化利用。

并網式系統的最大優點是：可省去蓄電池。這不僅可節省投資，使太陽能光伏系統的成本大大降低，有利于太陽能光伏系統的普及，而且可省去蓄電池的維護、檢修等費用，所以該系統是一種十分經濟的系統。目前，不帶蓄電池、有逆流的并網式屋頂太陽能光伏系統正得到越來越廣泛的應用。

2.2.3　切換式并網系統

切換式光伏并網系統如圖2-8所示，該系統主要由太陽能電池、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、自動轉換開關電器（ATSE，Automatic Transfer Switching Equipment——自動轉換開關電器，是由一個或幾個轉換開關電器和其他必需的電器組成，主要用于監測電源電路過壓、欠壓、斷相、頻率偏差等，并將一個或幾個負載電路從一個電源自動轉換到另一個電源的電器。如市電與發電的轉換，兩路市電的轉換；主要適用于低壓供電系統，即額定電壓交流不超過1000V 或直流不超過1200V，在轉換電源期間中斷向負載供電）以及負載等構成。正常情況下，太陽能光伏系統與電網分離，直接向負載供電。而當日照不足或連續雨天，太陽能光伏系統出力不足時，自動轉換開關電器自動切向電網一邊，由電網向負載供電。

不難看出，切換式并網系統是在獨立發電系統的基礎上，在用電負載側增加一路交流市電供電，與太陽能光伏發電經逆變的交流供電回路組成ATSE雙電源自動切換，供電給交流用電負載。對于直流用電負荷，把交流市電整流同樣可組成ATSE雙電源自動切換直流供電系統。這種并聯光伏發電系統的供配電方式，顯然比獨立發電系統優越得多。它除了具有獨立光伏發電系統的靈活、簡單，適用于分散供電場所和應用普遍的特點外，其最大的優點是一旦太陽能光伏系統供電不足或中斷，可借助于ATSE自動切換由市電供電，從而提高了供電的可靠性，同時也可使系統減少配置蓄電池組的容量，節約一定投資。

切換式并網系統可以解決太陽能光伏發電系統發電量不足或中斷時負載的供電保障問題，此時用電負載可以改由市電供電，滿足用電需要。但是，ATSE自動切換裝置的切換時間是毫秒到秒量級，在切換期間負載供電是要中斷的，這可能導致許多用電設備不能正常工作，甚至可能造成相關設備數據丟失或設備損壞，所以必須要注意，切換式并網系統并不是一種不間斷供電系統。

2.2.4　自立運行切換型太陽能光伏系統

自立運行切換型太陽能光伏系統一般用于災害、救災等特殊情況。圖2-9所示為自立運行切換型（防災型）太陽能光伏系統。通常，該系統通過系統并網保護裝置與電力系統連接，太陽能光伏系統所產生的電能供給負荷；當災害發生時，系統并網保護裝置動作使太陽能光伏系統與電力系統分離；帶有蓄電池的自立運行切換型太陽能光伏系統可作為緊急通信電源、避難所、醫療設備、加油站、道路指示、避難場所指示以及照明等的電源，當災害發生時向災區的緊急負荷供電。

2.2.5　地域并網型太陽能光伏系統

傳統的太陽能光伏并網系統結構如圖2-10所示，系統主要由太陽能電池、逆變器、控制器、自動保護系統以及負荷等構成。其特點是太陽能光伏系統分別與電力系統的配電線相連。各太陽能光伏系統的剩余電能直接送往電力系統（稱為賣電）；當各負荷所需電能不足時，直接從電力系統得到電能（稱為買電）。

I—民用負荷；L—公用負荷；PV—太陽能電池

傳統的太陽能光伏系統存在如下的問題。

（1）成本問題

目前，太陽能光伏系統的發電成本較高是制約太陽能光伏發電普及的重要因素，如何降低成本是人們最為關注的問題。

（2）逆充電問題

所謂逆充電問題，是指當電力系統的某處出現事故時，盡管將此處與電力系統的其他線路斷開，但此處如果接有太陽能光伏系統的話，太陽能光伏系統的電能會流向該處，有可能導致事故處理人員觸電，嚴重的會造成人身傷亡。

（3）電壓上升問題

由于大量的太陽能光伏系統與電力系統并網，晴天時太陽能光伏系統的剩余電能會同時送往電力系統，使電力系統的電壓上升，導致供電質量下降。

（4）負荷均衡問題

為了滿足最大負荷的需要，必須相應地增加發電設備的容量，但這樣就會使設備投資額增加，不經濟。

地域并網型太陽能光伏系統，在一定程度上解決了上述問題（如圖2-11所示），圖中的虛線部分為地域并網太陽能光伏系統的核心部分。各負荷、太陽能光伏電站以及電能儲存系統與地域配電線相連，然后與電力系統的高壓配電線相連。

太陽能光伏電站可以設在某地域的建筑物的壁面，學校、住宅等的屋頂、空地等處，太陽能光伏電站、電能存儲系統以及地域配電線等相關設備可由獨立于電力系統的第三者（公司）建造并經營。

地域并網型太陽能光伏系統的特點如下。

① 太陽能光伏電站（系統）發出的電能首先向地域內的負荷供電，有剩余電能時，電能存儲系統先將其儲存起來，若仍有剩余電能則賣給電力系統；當太陽能光伏電站的出力不能滿足負荷需要時，先由電能儲存系統供電，仍不足時則從電力系統買電。這種并網系統與傳統的并網系統相比，可以減少買、賣電量。太陽能光伏電站發出的電能可以在地域內得到有效利用，可提高電能的利用率，降低成本，有利于光伏發電的應用與普及。

② 地域并網太陽能光伏系統通過系統的并網裝置（內設有開關）與電力系統相連。當電力系統的某處出現故障時，系統并網裝置檢測出故障，并自動斷開開關，使太陽能光伏系統與電力系統脫離，防止太陽能光伏系統的電能流向電力系統，有利于系統檢修與維護。因此這種并網系統可以很好地解決逆充電問題。

③ 地域并網太陽能光伏系統通過系統并網裝置與電力系統相連，所以只需在并網處安裝電壓調整裝置或使用其他方法，就可解決由于太陽能光伏系統同時向電力系統送電時所造成的系統電壓上升問題。

④ 負荷均衡問題。由于設置了電能儲存裝置，可以將太陽能光伏發電的剩余電能儲存起來，可在最大負荷（用電高峰期）時向負載提供電能，因此可以起到均衡負荷的作用，從而大大減少調峰設備，節約投資。

2.2.6　直流并網光伏發電系統

太陽能光伏發電系統要與城市電力系統并網運行，由于前者是直流電，而后者通常是交流電，因此只有兩種方法：一是把太陽能光伏發電系統的直流電逆變成交流電，再與交流電并網運行；二是把城市電力系統的交流電整流成直流電，再與太陽能光伏發電系統的直流電并網運行。從實際運用看，并網系統也可以分為直流并網系統和交流并網系統。

直流并網光伏發電系統的接線原理圖如圖2-12所示。對于中小型光伏發電系統，采用交流變直流再并網的運行方式有許多可取之處，主要表現在以下幾方面。

（1）并網簡單易行

眾所周知，交流并網需要兩交流系統的電壓、頻率、相位相同或相近，然后采用準同期或自同期進行并網。而直流并網只需兩系統的正負極性相同、電壓相等就可以并網運行。圖2-12中的太陽能光伏發電系統輸出直流電壓，光伏電池板、蓄電池組按一定電壓值配置，經充放電控制器控制，數值基本上是穩定的。交流系統經晶閘管整流直流調壓，其技術成熟穩定，可達到無級直流調壓。因此直流并網系統相對交流并網系統簡單易行。

（2）投入主要設備簡單經濟，技術成熟可靠

直流并網投入的主要設備是大功率晶閘管整流設備，交流并網投入的主要設備是大功率晶閘管變壓、變頻逆變器，前者僅整流和調壓，一般只需要采用三相橋式半控（或可控）整流，僅控制晶閘管觸發回路脈沖信號的控制角，從而改變晶閘管導通角大小，達到整流和無級調壓，輸出一定值的直流電源電壓。

后者是從直流變交流，為了關斷晶閘管，一般采用與負載并聯或串聯的電容器，所需晶閘管數量是半控整流電路的2倍。晶閘管觸發回路不僅要像整流一樣控制晶閘管導通角的大小，達到一定的交流電壓值，還需要控制其觸發頻率，控制三相交流輸出按50Hz正弦函數規律周期性地改變輸出電壓值的大小和正負，控制三相電壓相位互差120°等，最后達到輸出50Hz、平衡對稱、有一定大小電壓值、按正弦函數變化的交流電源電壓。不難看出，前者過程相對簡單、設備經濟，技術相對容易、成熟可靠。

（3）電源功率輸出的調節、控制方便

從圖2-12看出，直流母線經2V二極管分成Ⅰ、Ⅱ兩段，Ⅰ段是市電直流電源段，Ⅱ段是共用的直流負載輸出段。對于中小型太陽能光伏發電系統，發電能力不大，為達到一定程度的穩定和連續性發、供電，宜根據發電容量大小，適配一定容量的蓄電池，作為積累光伏發電的功率能量，但它不同于作為存儲、備用的蓄電池配置。

該并網發電系統正常運行方式應當是讓太陽能光伏發電系統發出的全部功率，經Ⅱ段母線配電輸出給負載供電。只有當光伏發電功率不足或中斷，才由市電通過2V二極管向Ⅱ段用電負荷供電，補充或全部供給負載用電需要，達到最經濟的運行方式。但是，要達到這種最經濟的運行方式，只有合理控制Ⅰ、Ⅱ段的母線電壓正負差值大小方可實現。

當Ⅱ段電壓高于Ⅰ段，電壓差值為正，光伏發電系統輸出功率，反之，市電輸出部分或全部用電功率。由于太陽能光伏發電系統最終是靠蓄電池組的充放電來實現發供電的。每種蓄電池都有最佳的充電電壓和允許的放電終止電壓值，由充放電控制器控制。只要設定當Ⅱ段電壓低于蓄電池組允許的放電終止電壓值時，此時意味著太陽能光伏發電系統輸出功率滿足不了負載需要，這時調節市電系統整流器的輸出電壓值以及2V二極管的節數，使Ⅰ段電壓克服2V壓降后，恰好大于Ⅱ段的電壓值，達到Ⅰ段向Ⅱ段補充供電，滿足負載用電的需要，又維持Ⅱ段電壓在蓄電池允許的放電終止電壓值。當太陽能光伏發電系統輸出功率增加時，蓄電池放電電壓克服1V二極管壓降后又大于這時Ⅱ段的電壓，太陽能光伏發電系統加大供電，直到Ⅱ段電壓高于Ⅰ段，市電又停止供電。以上控制過程，最終只需要控制和維持Ⅰ、Ⅱ段的電壓值和電壓差，就能達到調節和控制功率輸出的目的，其過程比較簡單和方便，而且可完全實現自動化控制。

（4）能有效防止逆功率反送

防止功率反送包括兩個方面：一方面要防止光伏系統向市電系統反送功率，另一方面也要防止后者向前者反送功率。裝2V多節二極管的目的，一是調節控制Ⅰ、Ⅱ段母線的電壓差值，二是防止太陽能光伏發電系統向市電系統反送電。此外，在隔離變壓器T1的市電側，裝設帶有逆變功率保護的空氣斷路器QF，以便更加可靠地保證光伏系統不會向市電系統逆功率反送。同理，裝設1V二極管，是為了防止市電系統向光伏系統倒送電。

（5）用電負載形式多樣化

由于是直流供電系統，所以可直接向直流負載供電，如直流電動機、LED燈、直流電源等，工業上還有直流電鍍、電解等。可以直接向變頻調速的交流電機負載供電，減少交流供電變頻調速過程的交-直-交中的交-直環節。可以借助于逆變器向交流負載供電。由于是單獨的用電負載，逆變器功率小，不會像大功率電源逆變器影響面大。直流供電沒有無功的傳遞，損耗小，單相輸送，選用的電纜根數少。

（6）采用防止諧波對市電系統影響的措施

在市電供電系統中，配置1∶1電壓變比的變壓器T1，并按照（Dd12）方式接線，就是為了有效地防止直流系統產生的多次諧波，主要是三次諧波竄入市電系統，影響市電供電電能的質量。

直流并網光伏發電系統具體的供配電方式，應根據用電負荷的重要性、容量大小、分布情況、負荷特性等具體情況，靈活合理地選用。

2.2.7　交流并網光伏發電系統

交流并網光伏發電系統主要由太陽能電池方陣和并網逆變器等組成，如圖2-13所示。白天有日照時，太陽能電池方陣發出的電經并網逆變器將電能直接輸送到交流電網上，或將太陽能所發出的電經并網逆變器直接為交流負載供電。

圖2-14所示為某10kW交流并網光伏系統圖，主要由光伏陣列、并網逆變器以及交直流配電柜等構成。系統采用13串3并陣列組合以最終構成3個獨立單相并網逆變系統連入三相四線電網，每塊電池板的功率為85Wp。這種設計的優點在于系統運行可靠性高、容易維護，而且即使某相發生故障，其他兩相仍可繼續發電。

從圖2-14可以看出，該交流并網系統的并網逆變器與交直流配電柜分開配置。其中交直流配電柜內主要包括交、直流保護開關，防雷器件，直流電壓表，直流電流表，交流電壓表以及三相電度表等。在光伏陣列輸出端以及三相四線制市電輸入端均加裝防雷器，以確保系統安全可靠運行。圖2-15所示為深圳國際園林花卉博覽園1MW BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一體化）并網光伏系統實景圖。