2.2　并网光伏发电系统

并网光伏发电系统（Grid-connected PV System）是指将太阳能光伏发电系统与电力系统并网的系统，它可分为无逆流并网系统、有逆流并网系统、自立运行切换型系统、直流并网光伏发电系统、交流并网光伏发电系统、地域并网型系统以及小规模电源系统等。

2.2.1　无逆流并网系统

在正常情况下，相关负载由太阳能电池提供电能；而当太阳能电池所提供的电能不能满足负载需要时，则负载从电力系统得到电能；如果太阳能电池所提供的电能除满足负载要求外，还有剩余电能，但系统并不把剩余电能流向电网。人们将此类光伏系统称之为无逆流并网系统,如图2-6所示。

由上述分析可知，在无逆流并网系统中，当太阳能电池的发电量超过用电负载量时，只有通过某种手段让太阳能光伏系统少发一部分电，从而避免白白损失了一部分太阳能，为了克服上述缺点，有逆流并网系统应运而生。

2.2.2　有逆流并网系统

在正常情况下，相关负载由太阳能电池提供电能；而当太阳能电池所提供的电能不能满足负载需要时，则负载从电力系统得到电能；如果太阳能电池所提供的电能除满足负载要求外，还有剩余电能且把剩余电能流向电网。人们将此类光伏系统称之为有逆流并网系统（如图2-7所示）。对于有逆流并网系统来说，由于太阳能电池产生的剩余电能可以供给其他负载使用，因此可以充分发挥太阳能电池的发电能力，使电能得到最大化利用。

并网式系统的最大优点是：可省去蓄电池。这不仅可节省投资，使太阳能光伏系统的成本大大降低，有利于太阳能光伏系统的普及，而且可省去蓄电池的维护、检修等费用，所以该系统是一种十分经济的系统。目前，不带蓄电池、有逆流的并网式屋顶太阳能光伏系统正得到越来越广泛的应用。

2.2.3　切换式并网系统

切换式光伏并网系统如图2-8所示，该系统主要由太阳能电池、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、自动转换开关电器（ATSE，Automatic Transfer Switching Equipment——自动转换开关电器，是由一个或几个转换开关电器和其他必需的电器组成，主要用于监测电源电路过压、欠压、断相、频率偏差等，并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。如市电与发电的转换，两路市电的转换；主要适用于低压供电系统，即额定电压交流不超过1000V 或直流不超过1200V，在转换电源期间中断向负载供电）以及负载等构成。正常情况下，太阳能光伏系统与电网分离，直接向负载供电。而当日照不足或连续雨天，太阳能光伏系统出力不足时，自动转换开关电器自动切向电网一边，由电网向负载供电。

不难看出，切换式并网系统是在独立发电系统的基础上，在用电负载侧增加一路交流市电供电，与太阳能光伏发电经逆变的交流供电回路组成ATSE双电源自动切换，供电给交流用电负载。对于直流用电负荷，把交流市电整流同样可组成ATSE双电源自动切换直流供电系统。这种并联光伏发电系统的供配电方式，显然比独立发电系统优越得多。它除了具有独立光伏发电系统的灵活、简单，适用于分散供电场所和应用普遍的特点外，其最大的优点是一旦太阳能光伏系统供电不足或中断，可借助于ATSE自动切换由市电供电，从而提高了供电的可靠性，同时也可使系统减少配置蓄电池组的容量，节约一定投资。

切换式并网系统可以解决太阳能光伏发电系统发电量不足或中断时负载的供电保障问题，此时用电负载可以改由市电供电，满足用电需要。但是，ATSE自动切换装置的切换时间是毫秒到秒量级，在切换期间负载供电是要中断的，这可能导致许多用电设备不能正常工作，甚至可能造成相关设备数据丢失或设备损坏，所以必须要注意，切换式并网系统并不是一种不间断供电系统。

2.2.4　自立运行切换型太阳能光伏系统

自立运行切换型太阳能光伏系统一般用于灾害、救灾等特殊情况。图2-9所示为自立运行切换型（防灾型）太阳能光伏系统。通常，该系统通过系统并网保护装置与电力系统连接，太阳能光伏系统所产生的电能供给负荷；当灾害发生时，系统并网保护装置动作使太阳能光伏系统与电力系统分离；带有蓄电池的自立运行切换型太阳能光伏系统可作为紧急通信电源、避难所、医疗设备、加油站、道路指示、避难场所指示以及照明等的电源，当灾害发生时向灾区的紧急负荷供电。

2.2.5　地域并网型太阳能光伏系统

传统的太阳能光伏并网系统结构如图2-10所示，系统主要由太阳能电池、逆变器、控制器、自动保护系统以及负荷等构成。其特点是太阳能光伏系统分别与电力系统的配电线相连。各太阳能光伏系统的剩余电能直接送往电力系统（称为卖电）；当各负荷所需电能不足时，直接从电力系统得到电能（称为买电）。

I—民用负荷；L—公用负荷；PV—太阳能电池

传统的太阳能光伏系统存在如下的问题。

（1）成本问题

目前，太阳能光伏系统的发电成本较高是制约太阳能光伏发电普及的重要因素，如何降低成本是人们最为关注的问题。

（2）逆充电问题

所谓逆充电问题，是指当电力系统的某处出现事故时，尽管将此处与电力系统的其他线路断开，但此处如果接有太阳能光伏系统的话，太阳能光伏系统的电能会流向该处，有可能导致事故处理人员触电，严重的会造成人身伤亡。

（3）电压上升问题

由于大量的太阳能光伏系统与电力系统并网，晴天时太阳能光伏系统的剩余电能会同时送往电力系统，使电力系统的电压上升，导致供电质量下降。

（4）负荷均衡问题

为了满足最大负荷的需要，必须相应地增加发电设备的容量，但这样就会使设备投资额增加，不经济。

地域并网型太阳能光伏系统，在一定程度上解决了上述问题（如图2-11所示），图中的虚线部分为地域并网太阳能光伏系统的核心部分。各负荷、太阳能光伏电站以及电能储存系统与地域配电线相连，然后与电力系统的高压配电线相连。

太阳能光伏电站可以设在某地域的建筑物的壁面，学校、住宅等的屋顶、空地等处，太阳能光伏电站、电能存储系统以及地域配电线等相关设备可由独立于电力系统的第三者（公司）建造并经营。

地域并网型太阳能光伏系统的特点如下。

① 太阳能光伏电站（系统）发出的电能首先向地域内的负荷供电，有剩余电能时，电能存储系统先将其储存起来，若仍有剩余电能则卖给电力系统；当太阳能光伏电站的出力不能满足负荷需要时，先由电能储存系统供电，仍不足时则从电力系统买电。这种并网系统与传统的并网系统相比，可以减少买、卖电量。太阳能光伏电站发出的电能可以在地域内得到有效利用，可提高电能的利用率，降低成本，有利于光伏发电的应用与普及。

② 地域并网太阳能光伏系统通过系统的并网装置（内设有开关）与电力系统相连。当电力系统的某处出现故障时，系统并网装置检测出故障，并自动断开开关，使太阳能光伏系统与电力系统脱离，防止太阳能光伏系统的电能流向电力系统，有利于系统检修与维护。因此这种并网系统可以很好地解决逆充电问题。

③ 地域并网太阳能光伏系统通过系统并网装置与电力系统相连，所以只需在并网处安装电压调整装置或使用其他方法，就可解决由于太阳能光伏系统同时向电力系统送电时所造成的系统电压上升问题。

④ 负荷均衡问题。由于设置了电能储存装置，可以将太阳能光伏发电的剩余电能储存起来，可在最大负荷（用电高峰期）时向负载提供电能，因此可以起到均衡负荷的作用，从而大大减少调峰设备，节约投资。

2.2.6　直流并网光伏发电系统

太阳能光伏发电系统要与城市电力系统并网运行，由于前者是直流电，而后者通常是交流电，因此只有两种方法：一是把太阳能光伏发电系统的直流电逆变成交流电，再与交流电并网运行；二是把城市电力系统的交流电整流成直流电，再与太阳能光伏发电系统的直流电并网运行。从实际运用看，并网系统也可以分为直流并网系统和交流并网系统。

直流并网光伏发电系统的接线原理图如图2-12所示。对于中小型光伏发电系统，采用交流变直流再并网的运行方式有许多可取之处，主要表现在以下几方面。

（1）并网简单易行

众所周知，交流并网需要两交流系统的电压、频率、相位相同或相近，然后采用准同期或自同期进行并网。而直流并网只需两系统的正负极性相同、电压相等就可以并网运行。图2-12中的太阳能光伏发电系统输出直流电压，光伏电池板、蓄电池组按一定电压值配置，经充放电控制器控制，数值基本上是稳定的。交流系统经晶闸管整流直流调压，其技术成熟稳定，可达到无级直流调压。因此直流并网系统相对交流并网系统简单易行。

（2）投入主要设备简单经济，技术成熟可靠

直流并网投入的主要设备是大功率晶闸管整流设备，交流并网投入的主要设备是大功率晶闸管变压、变频逆变器，前者仅整流和调压，一般只需要采用三相桥式半控（或可控）整流，仅控制晶闸管触发回路脉冲信号的控制角，从而改变晶闸管导通角大小，达到整流和无级调压，输出一定值的直流电源电压。

后者是从直流变交流，为了关断晶闸管，一般采用与负载并联或串联的电容器，所需晶闸管数量是半控整流电路的2倍。晶闸管触发回路不仅要像整流一样控制晶闸管导通角的大小，达到一定的交流电压值，还需要控制其触发频率，控制三相交流输出按50Hz正弦函数规律周期性地改变输出电压值的大小和正负，控制三相电压相位互差120°等，最后达到输出50Hz、平衡对称、有一定大小电压值、按正弦函数变化的交流电源电压。不难看出，前者过程相对简单、设备经济，技术相对容易、成熟可靠。

（3）电源功率输出的调节、控制方便

从图2-12看出，直流母线经2V二极管分成Ⅰ、Ⅱ两段，Ⅰ段是市电直流电源段，Ⅱ段是共用的直流负载输出段。对于中小型太阳能光伏发电系统，发电能力不大，为达到一定程度的稳定和连续性发、供电，宜根据发电容量大小，适配一定容量的蓄电池，作为积累光伏发电的功率能量，但它不同于作为存储、备用的蓄电池配置。

该并网发电系统正常运行方式应当是让太阳能光伏发电系统发出的全部功率，经Ⅱ段母线配电输出给负载供电。只有当光伏发电功率不足或中断，才由市电通过2V二极管向Ⅱ段用电负荷供电，补充或全部供给负载用电需要，达到最经济的运行方式。但是，要达到这种最经济的运行方式，只有合理控制Ⅰ、Ⅱ段的母线电压正负差值大小方可实现。

当Ⅱ段电压高于Ⅰ段，电压差值为正，光伏发电系统输出功率，反之，市电输出部分或全部用电功率。由于太阳能光伏发电系统最终是靠蓄电池组的充放电来实现发供电的。每种蓄电池都有最佳的充电电压和允许的放电终止电压值，由充放电控制器控制。只要设定当Ⅱ段电压低于蓄电池组允许的放电终止电压值时，此时意味着太阳能光伏发电系统输出功率满足不了负载需要，这时调节市电系统整流器的输出电压值以及2V二极管的节数，使Ⅰ段电压克服2V压降后，恰好大于Ⅱ段的电压值，达到Ⅰ段向Ⅱ段补充供电，满足负载用电的需要，又维持Ⅱ段电压在蓄电池允许的放电终止电压值。当太阳能光伏发电系统输出功率增加时，蓄电池放电电压克服1V二极管压降后又大于这时Ⅱ段的电压，太阳能光伏发电系统加大供电，直到Ⅱ段电压高于Ⅰ段，市电又停止供电。以上控制过程，最终只需要控制和维持Ⅰ、Ⅱ段的电压值和电压差，就能达到调节和控制功率输出的目的，其过程比较简单和方便，而且可完全实现自动化控制。

（4）能有效防止逆功率反送

防止功率反送包括两个方面：一方面要防止光伏系统向市电系统反送功率，另一方面也要防止后者向前者反送功率。装2V多节二极管的目的，一是调节控制Ⅰ、Ⅱ段母线的电压差值，二是防止太阳能光伏发电系统向市电系统反送电。此外，在隔离变压器T1的市电侧，装设带有逆变功率保护的空气断路器QF，以便更加可靠地保证光伏系统不会向市电系统逆功率反送。同理，装设1V二极管，是为了防止市电系统向光伏系统倒送电。

（5）用电负载形式多样化

由于是直流供电系统，所以可直接向直流负载供电，如直流电动机、LED灯、直流电源等，工业上还有直流电镀、电解等。可以直接向变频调速的交流电机负载供电，减少交流供电变频调速过程的交-直-交中的交-直环节。可以借助于逆变器向交流负载供电。由于是单独的用电负载，逆变器功率小，不会像大功率电源逆变器影响面大。直流供电没有无功的传递，损耗小，单相输送，选用的电缆根数少。

（6）采用防止谐波对市电系统影响的措施

在市电供电系统中，配置1∶1电压变比的变压器T1，并按照（Dd12）方式接线，就是为了有效地防止直流系统产生的多次谐波，主要是三次谐波窜入市电系统，影响市电供电电能的质量。

直流并网光伏发电系统具体的供配电方式，应根据用电负荷的重要性、容量大小、分布情况、负荷特性等具体情况，灵活合理地选用。

2.2.7　交流并网光伏发电系统

交流并网光伏发电系统主要由太阳能电池方阵和并网逆变器等组成，如图2-13所示。白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经并网逆变器直接为交流负载供电。

图2-14所示为某10kW交流并网光伏系统图，主要由光伏阵列、并网逆变器以及交直流配电柜等构成。系统采用13串3并阵列组合以最终构成3个独立单相并网逆变系统连入三相四线电网，每块电池板的功率为85Wp。这种设计的优点在于系统运行可靠性高、容易维护，而且即使某相发生故障，其他两相仍可继续发电。

从图2-14可以看出，该交流并网系统的并网逆变器与交直流配电柜分开配置。其中交直流配电柜内主要包括交、直流保护开关，防雷器件，直流电压表，直流电流表，交流电压表以及三相电度表等。在光伏阵列输出端以及三相四线制市电输入端均加装防雷器，以确保系统安全可靠运行。图2-15所示为深圳国际园林花卉博览园1MW BIPV（Building Integrated Photovoltaic，光伏建筑一体化）并网光伏系统实景图。