牛美英 渠基磊

摘要：現(xiàn)階段的能源危機(jī)弊病逐漸浮現(xiàn)在人們視野中，同時(shí)加上資源的過(guò)度開(kāi)采，全世界各個(gè)國(guó)家地區(qū)對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)重視程度也在不斷增強(qiáng)。在眾多可再生能源中，太陽(yáng)能這種清潔、無(wú)污染公害的新能源普遍受到各界的青睞與關(guān)注。同時(shí)，對(duì)于太陽(yáng)能的利用，研究其發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)早已成為太陽(yáng)能研究領(lǐng)域的主要難題，是我們?cè)诒疚闹嘘U述的重點(diǎn)。

Abstract： At present， the shortcomings of the energy crisis are gradually emerging. At the same time， with the over-exploitation of resources， the importance of renewable energy development in various countries and regions around the world is also increasing. Among many renewable energy sources， solar energy， a clean， pollution-free new energy source， has been widely favored and concerned. At the same time， for the utilization of solar energy， research on its power generation grid-connected system has long been a major problem in the field of solar energy research， and it is the focus of this paper.

關(guān)鍵詞：能源危機(jī);可再生能源;太陽(yáng)能;發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

Key words： energy crisis;renewable energy;solar energy;power generation grid-connected system

中圖分類號(hào)：TM61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0248-02

0? 引言

眾所周知，現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源的開(kāi)發(fā)與利用，但是顯然眾多化石能源的利用使全球環(huán)境日漸變暖。同時(shí)這些不可再生能源終歸是有限的，種種矛盾現(xiàn)象下，開(kāi)發(fā)利用可再生能源早已成為世界發(fā)展趨勢(shì)。尤其是各種可再生能源，無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是利用均符合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。太陽(yáng)能在其中便是一種十分優(yōu)秀的可再生能源之一，研究太陽(yáng)能離不開(kāi)其發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而其系統(tǒng)又被稱之為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。其中的分支應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)屬于研究重點(diǎn)，同樣也是太陽(yáng)能領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。

1? 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理

在日常生活中我們絕大多數(shù)人都聽(tīng)過(guò)或看過(guò)、使用過(guò)太陽(yáng)能設(shè)備，比如最常見(jiàn)的太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能手電筒以及太陽(yáng)能計(jì)算器等，這些設(shè)備的應(yīng)用均離不開(kāi)電能，而這些電能又是從太陽(yáng)能中轉(zhuǎn)化出來(lái)。因此，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中可以幫助所吸收到的太陽(yáng)能通過(guò)太陽(yáng)能導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料中，通常由P型與N型兩種同質(zhì)半導(dǎo)體材料所組成的P-N結(jié)構(gòu)，可以將太陽(yáng)能輻射進(jìn)行吸收，從而產(chǎn)生一種非平衡的載離子，在復(fù)雜的條件下形成直流電，利用光伏并網(wǎng)逆變器將所形成的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，輸入電網(wǎng)并利用。而直流并網(wǎng)也是現(xiàn)階段太陽(yáng)能的主要研究方向，對(duì)此，我們可以將這種系統(tǒng)視之為利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再以逆變器的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。其系統(tǒng)組成包括光伏陣列、逆變器等組成部分，其中的太陽(yáng)能電池控制方式十分靈活，無(wú)論是不同電流還是不同電壓都可以利用自由組合與拆分的形式改變組件，使之更好地服務(wù)于太陽(yáng)能應(yīng)用。而逆變器的主要作用是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，其設(shè)備又被分為并網(wǎng)逆變器以及獨(dú)立逆變器，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所應(yīng)用的逆變器多以并網(wǎng)逆變器為主，對(duì)電能進(jìn)入電網(wǎng)中有著十分理想的效果與應(yīng)用質(zhì)量。

1.2 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

從光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用上來(lái)看，其發(fā)電原理十分先進(jìn)，可以幫助太陽(yáng)能的光子直接轉(zhuǎn)化為電子，在這個(gè)過(guò)程中并沒(méi)有多余的機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及其他轉(zhuǎn)化過(guò)程，在很大程度上使太陽(yáng)能的發(fā)電效率變得十分迅捷;同時(shí)，我們可以不難發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的利用幾乎等同于取之不盡用之不竭，而太陽(yáng)能本身就屬于無(wú)毒無(wú)公害，不僅能夠可再生，還具有十分環(huán)保的應(yīng)用特點(diǎn)，哪里能受到太陽(yáng)的照射，哪里就有太陽(yáng)能，其資源的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)我們?nèi)祟惒⒉恍枰獙?duì)其進(jìn)行焦慮;其次，在傳統(tǒng)的發(fā)電中我們可以發(fā)現(xiàn)許多缺點(diǎn)，比如火力發(fā)電有一定的燃燒過(guò)程，還會(huì)排放出二氧化碳引起溫室效應(yīng)的產(chǎn)生，也會(huì)伴隨陣陣機(jī)械聲音，而太陽(yáng)能發(fā)電全程沒(méi)有噪音、沒(méi)有污染，對(duì)現(xiàn)階段的環(huán)境來(lái)講十分友好，符合可持續(xù)發(fā)展理念;最后，太陽(yáng)能電池模塊結(jié)構(gòu)十分方便，不僅便于拆卸，還能隨時(shí)隨地?cái)U(kuò)大發(fā)電容量，并且在運(yùn)作過(guò)程中不需要人力資源對(duì)其進(jìn)行看守，后期的檢修維護(hù)成本也十分低。種種諸多優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。

1.3 PWM逆變技術(shù)

1.3.1 基本原理? 對(duì)于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)講，其中的PWM逆變技術(shù)占據(jù)十分關(guān)鍵的地位，能夠移開(kāi)自身的脈寬調(diào)制應(yīng)用改變脈沖寬度，進(jìn)而起到控制輸出電壓的作用，通過(guò)改變其中的脈沖周期改變輸出電壓的輸出頻率，也就是說(shuō)將電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，達(dá)到控制電流的目的。

1.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比? 其優(yōu)點(diǎn)十分顯著，不僅有著低廉的硬件成本，同時(shí)對(duì)外圍電路的簡(jiǎn)化有著極大地降低，對(duì)儲(chǔ)存電池的破壞程度十分小，還能對(duì)其中的涓流大小進(jìn)行控制。而其中的缺點(diǎn)也比較多，對(duì)電流的控制精度比較低，所能控制的最大精度在50mA左右，這一點(diǎn)十分明顯。其次，其充電效率相對(duì)而言并不是很高，在充電中因?yàn)槠銹WM調(diào)整速度通常比較慢，造成充電時(shí)間較大的缺點(diǎn)。但是總的來(lái)說(shuō)其應(yīng)用利大于弊，在全國(guó)各地的推廣價(jià)值比較高。

1.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成與功能

1.4.1 太陽(yáng)能電池? 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池是其中的核心設(shè)備，前面我們也提及到能夠自由拆卸，十分方便。這是因?yàn)樘?yáng)能電池單體的尺寸一般比較小，最小的僅4cm平方不到，最大的也不過(guò)200cm平方，其工作電壓一般在0.5V左右，工作電流大概在25mA左右。太陽(yáng)能電池通常先進(jìn)行串并聯(lián)后才能進(jìn)行利用，其應(yīng)用功率最大不過(guò)幾十瓦左右，眾多太陽(yáng)能電池組件在組成與安裝上可以構(gòu)成太陽(yáng)電池方陣，對(duì)于負(fù)載所要求的的輸出功率在絕大多數(shù)情況下都有十分顯著的應(yīng)用意義。

1.4.2 儲(chǔ)能蓄電池? 儲(chǔ)能蓄電池作為存蓄電能的一種裝置，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將太陽(yáng)能的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并存蓄在儲(chǔ)能蓄電池中，因此，其應(yīng)用意義同樣十分關(guān)鍵。不僅能夠起到儲(chǔ)存電能的作用，還能在負(fù)載用電量過(guò)大之際對(duì)負(fù)載補(bǔ)充電能，從而對(duì)供電電壓的穩(wěn)定性有著一定的穩(wěn)定作用。而我國(guó)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池多以鉛酸蓄電池為主，其設(shè)計(jì)容量通常在電負(fù)荷日耗電量的五倍至十倍以內(nèi)。

1.4.3 充放電控制器? 顯然儲(chǔ)能蓄電池在應(yīng)用中離不開(kāi)控制器的控制作用，這是因?yàn)樵谌粘５某潆娕c放電過(guò)程中如果發(fā)生過(guò)度充電或者過(guò)度放電的現(xiàn)象都會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命造成十分嚴(yán)重的影響作用。對(duì)過(guò)度充電來(lái)講，過(guò)度充電造成蓄電池產(chǎn)生大量的電解水，從而將其中的活性物質(zhì)進(jìn)行脫落，減少其應(yīng)用壽命，而過(guò)度放電則會(huì)導(dǎo)致其中的柵板腐蝕速度加快，同時(shí)還會(huì)造成硫酸化的現(xiàn)象，這些都會(huì)對(duì)儲(chǔ)能蓄電池造成相當(dāng)大的影響作用。因此，充放電控制器的應(yīng)用具有十足的必然性，能夠通過(guò)蓄電池的電壓與荷電狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而根據(jù)判斷結(jié)果起到控制停止充電或者放電的作用。

1.5 孤島效應(yīng)與抗孤島效應(yīng)

1.5.1 孤島效應(yīng)的概念? 所謂孤島效應(yīng)指的是如果電網(wǎng)在遇到故障事故或者因?yàn)橥ｋ娋S修而產(chǎn)生跳脫的現(xiàn)象時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)將停電狀態(tài)檢測(cè)出來(lái)，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)與市電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離，形成一種系統(tǒng)與周圍負(fù)載所組成的自給供電孤島現(xiàn)象。

1.5.2 孤島效應(yīng)的危害? 如果一旦在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)孤島效應(yīng)，很容易對(duì)電網(wǎng)輸電線路上的維修人員造成一定的安全危害，還會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)的保護(hù)開(kāi)關(guān)造成較大的破壞。同時(shí)，對(duì)于所傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量造成十分嚴(yán)重的影響，在孤島效應(yīng)區(qū)域內(nèi)的供電電壓將變得極其不穩(wěn)定，即使供電恢復(fù)正常狀況，相位不同步的現(xiàn)象也會(huì)十分顯然，而一般的單相分布式發(fā)電系統(tǒng)也因此轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘭?fù)載欠相供電。所以，對(duì)其光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行抗孤島效應(yīng)檢測(cè)便具有十分必然性。

1.5.3 抗孤島效應(yīng)檢測(cè)? 為了用電安全以及用電質(zhì)量來(lái)講，孤島效應(yīng)一般堅(jiān)決杜絕出現(xiàn)，因此，其光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器在選擇中必須具有抗孤島效應(yīng)的功能作用，從而在孤島效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)切斷逆變器。在現(xiàn)階段抗孤島效應(yīng)的保護(hù)方案中通常有兩種，一種為主動(dòng)式抗孤島效應(yīng)保護(hù)方案，一種則為被動(dòng)式抗孤島效應(yīng)保護(hù)方案。而被動(dòng)式方案一般是利用逆變器在其中交流輸出端的電壓或者對(duì)頻率上的異常狀況檢測(cè)其孤島效應(yīng)的闡述，但是其檢測(cè)范圍畢竟有限，所以通常情況下這兩種方案一般都會(huì)分別進(jìn)行設(shè)置，從而確保其中的干擾信號(hào)、電壓頻率穩(wěn)定性變化能夠有著合理的掌控。

2? 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用建議

對(duì)于荒漠區(qū)域內(nèi)開(kāi)發(fā)大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電，現(xiàn)階段通常利用逆變裝置進(jìn)行發(fā)電，并且將分組集中起來(lái)，逐級(jí)升高電壓的方式設(shè)計(jì)并網(wǎng)方式，建議可以利用多回路輕型直流輸電的方式進(jìn)行輸電，使用多個(gè)太陽(yáng)能光伏電站集中一并接入發(fā)電系統(tǒng)。這種輕型直流輸電的電壓等級(jí)要保持在150kV左右，這樣一來(lái)輸送功率可以提升至350MW左右，對(duì)于大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求來(lái)講已經(jīng)足夠，且可以根據(jù)不同地域特點(diǎn)構(gòu)建小規(guī)模的輕型輸電網(wǎng)絡(luò)，這樣做的好處在于可以提升輸送太陽(yáng)能光伏發(fā)電能力與運(yùn)行穩(wěn)定性。直流電在運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)換流站可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后進(jìn)入電網(wǎng)中。這樣的輸電方式十分先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)成本也有相應(yīng)的保障，不僅能夠減少在逆變并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障而引起對(duì)發(fā)電機(jī)造成影響的現(xiàn)象，且控制相對(duì)比較穩(wěn)定、簡(jiǎn)單。

除卻荒漠區(qū)域內(nèi)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用集中式并網(wǎng)的方式，其他區(qū)域可以利用分布式并網(wǎng)的方式進(jìn)行構(gòu)建。這樣一來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電電源在一定的儲(chǔ)能設(shè)備配合下，繼而在系統(tǒng)控制中使其發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量均有所提升。尤其就我國(guó)現(xiàn)階段的西北、華北區(qū)域來(lái)講，這些區(qū)域的特點(diǎn)在于人口密度大，同時(shí)還擁有十分豐富的太陽(yáng)能能源。利用分布式發(fā)電系統(tǒng)的方式進(jìn)行發(fā)電十分方便，如果要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模的布置與應(yīng)用，對(duì)于所擁有的配電系統(tǒng)只需要簡(jiǎn)單的打造便可以在低壓側(cè)與配電側(cè)進(jìn)行并網(wǎng)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所提供的電源在互補(bǔ)中提高其太陽(yáng)能光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，其應(yīng)用前景十分顯著。

3? 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在現(xiàn)代社會(huì)中開(kāi)發(fā)與應(yīng)用可再生能源早已成為各個(gè)國(guó)家迫在眉睫的發(fā)展戰(zhàn)略中，尤其就太陽(yáng)能的應(yīng)用研究，各國(guó)研究碩果累累，為現(xiàn)代太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展提供了十分先進(jìn)的技術(shù)支持。本文則闡述其中在太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的各種設(shè)備以及其關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，對(duì)于其大規(guī)模應(yīng)用提供兩份參考性建議，望在未來(lái)太陽(yáng)能在更大規(guī)模的應(yīng)用中提高自然能源利用率且減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，迎來(lái)人類文明發(fā)展的里程碑式變化。

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