太阳能光伏发电并网拓扑结构分析*

太阳能是一种可再生能源，它洁净无污染，并可持续利用，越来越为人们所熟知并广泛应用，太阳能光伏发电系统也将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡.

1 光伏发电技术

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术[1].光伏发电系统中，光伏阵列经太阳光辐射后便向外输出一定的功率，并以足够大的电压或电流形式向外输出供电，利用最大功率点跟踪(MPPT)技术进行逆变并网输电.

1.1 光伏电池

光伏电池又称太阳能电池，制作材料通常为单晶硅、多晶硅化合物半导体材料制成，它利用半导体的光伏效应把光能直接转成直流电.实际应用中，由于光伏电池输出电压极小，一般为0.5V左右，不能直接接入逆变器进行发电.所以工程应用中是将太阳能电池串、并联组合后构成电池组件来使用的，光伏阵列就是由许多太阳能电池组件经过相应的串、并联后构成的[2].目前制作太阳能电池的材料和方式有许多种，所以不同的太阳能电池的效率也不尽相同，表1为一些常见的太阳能电池的材料及所对应的光电转换效率[3].

一。其运行的可靠性会直接影响到整个系统的稳定性,为此,学术界也对此进行了深入分析和研究[6-11]。总结已有的文献报道,可以发现,已有的研究主要集中在新型直流模块拓扑[7-9]和MPPT跟踪控制[10-11]等方面,而关于防孤岛控制的研究还鲜有文献报道,这就降低了其实际应用价值。

 

表1 太阳能电池材料与光电转换效率

  

太阳能电池材料单体效率(%)模组效率(%)单晶硅24.8313～17.5 多晶硅1810～16.5 薄膜非晶硅1310 薄膜铜铟1912 薄膜镉镝化合物169 三五族元素化合物3017

目前应用于光伏发电系统的硅材料以单晶硅、多晶硅以及非晶硅居多.太阳能电池就是利用光生伏特效应原理来完成太阳能到电能的转换[3].

取大鼠血浆100 μL置于肝素化处理过的离心管中，加入20 ng/mL的内标溶液100 μL，涡旋混合2 min；然后加入甲醇200 μL沉淀蛋白，涡旋混合3 min后，12 000 r/min离心10 min；吸取上清液，以0.22 μm有机滤膜滤过，取5 μL进样，进行UPLC-MS/MS分析。

由于光的照射在半导体材料中产生电子空穴对，并且在内电场的作用下电子和空穴分别移向N区和P区.在外部就会呈现出电压，这就是光生伏特效应.如图1所示，用导线连接负载，就有电流通过.

  

图1 硅太阳能电池的工作原理

1.2 光伏电池的技术参数

根据不同的功率等级和光伏阵列与逆变器的连接方式来看，光伏并网发电系统体系结构分为6种，分别是集中式结构、交流模块式结构、串型结构、多支路结构、主从结构和直流模块式结构.

某公司太阳能电池组件的规格参数表见表2.

 

表2 太阳能电池组件规格参数表

  

序号规格型号峰值功率/Wp峰值电压/V峰值电流/A开路电压/V短路电流/A重量/kg厚度/mmNOCT ℃最大系统电压V抗风力或表面压力1P295×150316.50.1821.00.20.62546±210002P187×3505170.321.00.331.02546±210003P230×350817.50.4521.00.51.22546±210004P285×3501017.50.5721.00.661.22546±210005P430×3001217.50.7911.00.852.32546±210006P400×3501517.50.8621.01.02.32546±210007P525×3502017.51.121.01.32.52546±210008P541×4222517.51.421.01.62.92546±210009P535×5103017.51.721.02.04.12546±2100010P660×4903517.52.021.02.34.52546±2100011P660×5404017.52.321.02.65.62546±2100012P660×5404517.52.5721.02.95.62546±2100013P660×6305017.52.921.03.15.82546±210002400Pa1130km/h

2 光伏并网系统的拓扑结构

光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频、同相的交流电，并入到电网的系统.光伏并网发电方式是光伏发电的主要应用形式之一[4].光伏发电并网系统通常由三部分组成：光伏发电阵列、并网逆变器和电网，如图2所示.

  

图2 光伏系统结构图

2.1 光伏阵列的体系结构

太阳能光伏电池的主要技术参数有：开路电压、短路电流、最大输出功率、最大输出工作电压、最大输出工作电流等.

1)集中式结构

集中式结构是指光伏组件串并联构成一个发电整体，将太阳能集中转化为直流电能，并通过一个并网逆变器集中将直流电转换为交流电，最后进行并网.集中式结构适用于较大功率的发电系统.其优点是：只用一台并网逆变器，结构简单且逆变器效率高.缺点是：阻塞和旁路二极管增加了系统损耗；在环境温度12摄氏度时，正常工作的组件温度为22摄氏度，而受阴影影响的组件温度可达70摄氏度.这不仅降低了系统的输出功率，还会使组件的寿命缩短；光伏阵列的特性曲线存在复杂多波峰；因为电压较高所以需要直流母线的电压等级高，成本较高，安全性难以保证；系统不利于扩展.集中式结构如图3所示.

  

图3 集中式结构

2)交流模块式结构

交流模块式结构如图4所示.其特点是指各个光伏组件分别和逆变器集成在一起，作为光伏发电系统的一个模块，分别并入电网.

实验结果表明，虽然甘油的加入会SAEW的ACC明显下降，但在2 h之内残留ACC仍然能够保持在较高水平。实验在ACC为60 mg/L的SAEW内加入3%和10%的甘油，并2 h后进行杀菌实验，杀菌率基本上达到或超过对照组聚维酮碘的杀菌效果。

2.4.3 色谱与质谱条件 （1）色谱条件：色谱柱为Agilent DB-WAX毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样量为1 μL，分流进样（分流比10∶1）；进样口温度为280℃；离子源温度为230℃；传输线温度为250℃；色谱柱程序升温（起始温度50℃，保持3 min；以10℃/min升至220℃，保持20 min）；载气为氦气，载气流速为1.0 mL/min。（2）质谱条件：离子源为电喷雾电离源（ESI）；选择离子扫描（SIM）模式；电子能量为70 eV。

交流模块式结构的优点是：无热斑和阴影问题；由于没有阻塞和旁路二极管，降低了光伏组件的损耗；各个独立发电并网模块有各自的MPPT，极大地提高了发电效率；系统的扩充有很大的灵活性；安全性得到提高.缺点是：采用多台小容量逆变器，因此转换效率低.交流模块式结构的功率等级较低，一般在50～400W.

图4 交流模块式结构

3)串型结构

串型结构集合了前两种结构的特点，适用于几千瓦的功率等级.串型结构如图5所示.

  

图5 串型结构

相对于工频隔离型并网系统，高频隔离型并网系统的变压器工作于高频状态，它的体积小、重量轻，损耗小.随着技术的发展，这种系统的效率也在大幅度提高.

4)多支路结构

多支路结构如图6所示.分为两种形式：串联型和并联型.每个支路有一个DC/DC变换器，多个支路共用一个逆变器.该结构系统单位成本低，灵活性强，并网系统效率高.系统中一旦某个变换器故障，则不影响整个系统工作.该结构适合光伏建筑物一体化形式的系统应用.两种结构中，并联多支路结构应用较多.

  

图6 多支路结构

5)主从结构

主从结构如图7所示.它最大的特点是根据外部环境的不同，控制器去控制一组协同开关，使光伏组件和相应的逆变器相连，使整个系统达到最优的利用效率.这种结构是近几年来发展起来的新型体系结构，也是未来主要的发展趋势.

在跟随一定时间之后，司机师傅会让驾驶学员进行实际操作培训，按照指定的线路进行驾驶，通过实际的驾驶培训来提高学员的实际操作能力，为日后驾驶有轨电车奠定坚实的基础。

当外部环境变化如光照度较低时，光伏组件输出功率较低，此时控制器控制组协同开关只接通一个并网逆变器，此时系统变成了集中式结构，从而提高了逆变器的工作效率.当光照度增大，控制器控制组协同开关合理调整逆变器的连接，此时系统变成了串型结构，可以使系统达到最佳的逆变效率.因此，这种结构是根据外部环境的变化适时改变系统的组成结构，使各种结构的优势充分的发挥出来.又由于每个组串有各自的MPPT电路，整个系统可以得到最大的利用效率输出.

  

图7 主从结构

这种系统的优点是：由于变压器的存在，使得系统的安全性得到提高，可以有效的防止人触碰直流侧的电极时，电网通过桥臂回流对人构成伤害.另外，变压器隔离使电网中不会被注入直流电.缺点是：工频变压器笨重，质量重，体积也较大，因此增加了系统的损耗和成本[6].

直流模块式结构由光伏直流建筑模块和集中逆变模块构成，如图8所示.光伏直流建筑模块是将光伏组件、高增益DC/DC变换器和表面建筑材料通过合理的设计集成为一体，构成具有光伏发电能力的、独立的、即插即用的表面建筑元件[5].集中逆变模块的主要特点是各个光伏直流建筑模块把转化的直流电输送到直流母线上，集中逆变模块将直流母线上的直流电能集中逆变成交流电然后并入电网.同时，还要保证直流母线电压恒定，使得各个直流建筑模块能够正常工作.

外力破坏是导致计算机发生网络安全风险的一个重要原因，其中以人力破坏为主。攻击者通过网站、邮件等方式植入木马、病毒等让计算机网络无法顺利运行，这也是当前计算机网络所面临的主要风险。有些用户存在不正确的操作习惯，致系统出现漏洞，而部分攻击者则利用了此漏洞将病毒、木马等植入用户计算机，使用户计算机网络系统无法正常运行，甚至瘫痪。如用户长期利用网络浏览外网网站，但却忽视了定期对系统进行病毒查杀，攻击者通过分析用户的浏览习惯，了解用户常进入的一些网站，然后在这些网站当中添加一些攻击链接，若用户点击，病毒即启动，散播于用户计算机内网当中，影响内网的正常运行，甚至导致系统瘫痪[2]。

1)效率

  

图8 直流模块式结构

2.2 隔离型光伏并网系统

隔离型光伏并网系统是指逆变器把直流电逆变成交流电后通过变压器进行并网.变压器工作在工频时的系统称为工频隔离型并网系统，工作在高频时的系统称为高频隔离型并网系统.

1)单级非隔离型光伏并网系统

CPA还在2018年4月份的月度报告中指出，刨花板产量相比于2017年4月份的2.71亿ft2增长了1.7%，达到2.75亿ft2。然而，2018年前4个月的出货量比2017年同期要低0.1%。

工频隔离型系统如图9所示.图中光伏组件把太阳能转化成直流电，再经过逆变器编成交流电，最后通过工频变压器进行并网.在这里，工频变压器起到了隔离和电压匹配的功能.

6)直流模块式结构

  

图9 工频隔离型光伏并网逆变器

2)高频隔离型光伏并网系统

②苏华、韩伟：《药业反向支付协议反垄断规制的最新发展——兼评Actavis案及Lundbeck案》，载《工商行政管理》2013年第16期。

在图中所示的串型结构中，几个光伏组件串联后与并网逆变器连接，无集中式结构相中的直流母线，因此安全性得到提高.一般一个串型光伏组件输出功率为几千瓦，用多个串型结构扩展后，可以得到大功率输出.由于一个串联结构用一个MPPT电路，所以光伏组件的利用率得到提高.但是不能保证所有光伏组件都在最大功率点，仍然存在串联功率失配和串联多波峰问题.

2.3 非隔离型光伏并网系统

非隔离型光伏并网系统是指逆变器把直流电逆变交流电后，直接进行并网，和隔离型并网系统相比，无变压器能量损耗.因此，非隔离型光伏并网逆变器结构的效率更高，系统结构更简单、质量更轻、成本更低.

非隔离型并网系统分成两种类型即单级型和多级型.

1)工频隔离型

单级单级非隔离型光伏并网逆变器系统中，逆变器把光伏阵列转化的直流电逆变成交流电后直接并入电网，此时逆变器在工频下工作.此外，由于逆变器直接并网，需要直流侧的电压等级较高.因此整个系统需要的绝缘等级也较高.如图10所示.

  

图10 单级非隔离型并网系统结构图

2)多级非隔离型光伏并网逆变器

多级非隔离型光伏并网逆变器系统如图11所示.从直流到交流的逆变过程由多级变换器组成.由于在逆变过程中采用高频变换技术，因此称为高频非隔离型并网系统.

非隔离型的光伏并网系统中，由于光伏阵列与公共电网之间无任何隔离.所以会存在一些不容忽视的问题.如大面积的太阳电池与地之间会存在较大的分布电容，会导致存在共模漏电流；无隔离变措施，系统易向电网注入直流量.该系统的优点是体积小、质量轻、效率高、成本较低等，使得它能够得到广泛的应用.对于存在问题，只要采取一定措施，能够保证电路运行的安全性[7].

本模型采用25 kW碟式太阳能热发电系统，有效反射面积为87.67 m2,采用双轴跟踪模式。为了简便计算，假定太阳辐射强度I=1000 W/m2 ,入射角为0，环境温度T0=300 K，系统的其他参数见表1。

  

图11 多级非隔离型并网系统结构图

3 光伏并网发电电路拓扑结构的设计原则

由上可知，光伏并网发电系统有各种不同的结构.应用中需要根据不同的情况，选择或设计合适的并网结构.设计并网结构的关键指标是：高效率运行、可靠性高、寿命长、易维护、电能质量、低噪音、体积小、电气隔离[8].主要设计原则如下：

尝有客宿于山巅，夜分见第三重峰有块火，大如车轮，光怪回翔，与他火异，怪之。一客曰：“此为天灯。久之当有鸡鸣，所谓天鸡也。梵书云：日宫一树而有鸡王栖其上，彼鸣则天下鸡皆鸣，天鸡者，日中之鸡也。”[注](清)屈大均：《广东新语》，中华书局，1985年，第1页。

光伏并网系统的主要技术指标就是效率.因此，设计时，首要考虑系统的转换效率.电路器件越少损耗就越小，电路的级数越少损耗也就越小.高频电路为减少损耗，逆变器件尽量选用MOSFET，因为 MOSFET的损耗比相同情况下IGBT的损耗要小.

2)成本

为保证发电系统利润的最大化，节约成本.器件应选择通用性强，已购买的器件，这样维修容易，维修成本也低.为降低费用，在满足系统要求的前提下，功率器件尽量选择耐压水平和过流水平低的器件.

（2）钢筋放置好后，按照相关的顺序进行绑扎，在绑扎阶段中，针对设置支架钢筋的位置，需要将做好钢筋网以及钢筋支架的固定，以保证两者之间具备足够的强度。

3)电能质量

为提高并网的电能质量.滤波器是提高电能质量的最关键一环.为降低系统的噪音，可采用倍频技术或提高开关频率.设计滤波器时，可采用多电平技术，多采用LCL滤波器.硬件电路上，为提高动态性能，可采用锁相环技术和电流控制技术等先进的技术.

结婚后，潘际銮从哈工大毕业回到清华，带着团队没日没夜地搞科研，经常几个月不回家。家里没了顶梁柱，李世豫就一个人撑起了一个家。她一边在北大教书，一边照顾体弱多病的公公，还要含辛茹苦地抚养三个孩子。“家里最艰苦的时候是何时我都不知道，她生三个孩子时我都不在她身边，甚至都记不起三个孩子是哪天生的……”

4)电路拓扑选择原则

科学家发现，大部分大陆地壳可以追溯到至少38亿年之前，可是海底的基岩顶多仅有大约2亿年，某些区域的基岩甚至更加年轻。鉴于全球地表大约有70%被水覆盖，这意味着地球上大约2/3的地壳并没有存在于古老的地球上。

电路拓扑结构选择时，效率是第一原则.非隔离型比隔离型效率高；工频隔离型比高频隔离型效率高；高频隔离型效率最低.选择时，应根据具体是否有隔离要求，是否有体积和尺寸的要求来选择合适的拓扑结构.

5)可靠性高、寿命长和维护方便

为延长光伏发电系统的使用寿命，电路中应选择长寿命电容，如电解电容或邮寄薄膜电容.为提高系统的可靠性，应尽量提高系统的集成度.另外，集成度高的模块化设计不仅安装方便，维护也相对容易，还可提高系统的冗余性.

4 结语

本文分析了光伏阵列的分布和功率等级，为提高整个发电系统的效率设计了各种各样的电路拓扑结构.对各种拓扑结构的优缺点、功率等级以及适用场合做了详细的论述，为工程实践提供了有价值的参考.在具体工程实践中，应根据并网要求和设计原则进行综合考虑，才能设计出综合性能最优的光伏并网拓扑结构.

参考文献:

[1]熊巍.太阳能光伏发电并网系统稳定性研究[J].长江工程职业技术学院学报，2013(3):16-18.

[2]钱思羊．光伏阵列建模与仿真[J]．吉林电力，2016(1)：26-28．

[3]Su chen. Direct Power Control of Active Filter with Averaged Switthing Frequency Regulation[J].IEEE Transaction on Power Elactronics.2004:1187-1190.

[4]陆建国，张竟若，唐风芹，等. 1.1MW太阳能光伏发电并网系统的设计[J].电气传动，2011(12)：22-25.

[5]刘高文．非隔离单相并网逆变控制技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2013，15-36.

[6]谢茂军．基于DSP的三相光伏并网逆变器的控制算法研究及实现[D].成都：西南交通大学，2013，21-49.

[7]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010，70-83.

[8]郭志冬，潘晓贝.太阳能跟踪式光伏发电系统的研究[J].菏泽学院学报，2011(5)：22-25.