探讨光伏发电中几大危害及其应对措施【摘要】针对分布式光伏发电构成中几大危害，探讨并网运行后极易产生孤岛效应和热斑效应的原因分析，及其谐波的治理，并寻求解决应对方案。【Keys】分布式光伏发电孤岛效应热斑效应谐波治理0引言随着传统的燃料能源一天天减少，其对环境危害日益突出，现都把目光投向了可再生能源的开发利用和可持续发展上。如太阳能就以其独特优势，就是一种取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价利用的能源而加以开发利用。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如把其表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。太阳能发电系统就是一种利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置系统。如图1所示。在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压就能达到与电力系统一致的要求并网。图1太阳能电板1探讨太阳能光伏发电基本原理及组成太阳能光伏发电系统构成，是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电、逆变器、交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。各部分设备介绍如下：(1)、太阳能电池单元：单一电池由于材料原因，发电量十分有限，一般实用中的太阳能电池须经单一电池组串、并联而成，称为电池组件（或称阵列）。如图1所示。根据硅晶体二极管半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同时P结势垒区存在着较强的内建静电场，电池两端就出现电荷的积累，即产生“光生伏特效应”，太阳能电池的两端产生电动势，因而能将光能转换成电能，是能量转换的器件。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，由P-N结、连接电路和负载就组成回路，就产生了“光生电流”，这样，太阳能电池就成为一个发电组件。太阳能硅电池，分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种太阳能电池。单片电池组成份如下：电池片：采用高效率(16.5%以上)的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃（又称为白玻璃），厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100m)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA:采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT:太阳电池的背面覆盖物一氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是家用太阳能发电中价值最高的部分。（2）、电能储存单元：太阳能电池产生的直流电若先接入蓄电池储存，蓄电池的特性就影响着系统的工作效率和特性。由于蓄电池技术是十分成熟的，因此蓄电池安时容量蓄能是由太阳能电池光照时间决定的，总之，它蓄能后可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c深放电能力强；d充电效率高；e.少维护或免维护；f工作温度范围宽；g.价格低廉。（3）、太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元中，严格意义上讲，蓄电池充放电循环次数及放电深度关乎着该系统是否高效、稳定、使用寿命的重要因素，一组蓄电池充放电循环方式，就如图2所示。图2蓄电池组充电循环示意图•强充阶段BOOST：以最快的速度全力以赴地给蓄电池充电•浮充阶段FOLAT：蓄电池完全充满了，监控着蓄电池以保持其充满的状态。•均衡阶段EQUALISATION（可选项）：均充的目的就是为确保电池容量被充足，防止VRLA蓄电池的极板钝化，预防落后电池的产生。•均充启动条件：放电容量超过20%的额定容量，静止时间超过6月，浮充超过3月。因此充放电是控制蓄电池组充放电必不可少的设备，如图3所示。图3充放电原理（4）、逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。按运行方式逆变器分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，适用于各种负载。逆变器保护功能应具备：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护：e、过压保护；f、过热保护。（5）、交流配电柜其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常输出供电，同时还有对线）目前国内外太阳能跟踪控制方法有很多种，常用的跟踪控制方法主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方法。视日运动轨迹跟踪方法太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点的太阳位置，从而完成对日跟踪。可以认为，早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太阳在方位角上以15°/h匀速运动，24h移动一周。高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。跟踪过程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度15°/h的速度转动，即可达到跟踪太阳，保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直的目的。该方法控制简单，但安装调整困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差等。光电跟踪方式光电跟踪是国内外常用的跟踪方式。高度角和方位角分别利用两只光敏管进行太阳跟踪。4只光敏管安装在一个透光的玻璃试管中。每对光敏管被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。当太阳光线垂直照射光伏阵列时，两只光敏管的感光量在误差允许的范围内视为是相等，输出电压相同。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只光敏管上，使两只光敏管的感光量不相等，输出电压有偏差。根据输出电压的变化来进行自动跟踪控制。2孤岛效应在电子电路中，孤岛效应是指电路的某个区域有电流通路而实际没有电流流过的现象。在通信网络中，无线移动基站的覆盖可能会存在的一种现象。孤岛效应(Islanding Effect)是指电网突然失压时，并网光伏发电系统仍保持对电 网中的邻近部分线路供电状态的一种效应。 其原理如下：在电容器串联的电路里，只有与外电路相连接的两个极板(注意: 不是同一电容器的极板)有电流流动(电荷交换)，其他极板的电荷总量是不变的， 所以称为孤岛。孤岛是一种电气现象，发生在一部分的电网和主电网断开，而 这部分电网完全由光伏系统来供电。 孤岛效应在通信领域是基站覆盖性问题，当基站覆盖在大型水面或多山地区等 特殊地形时，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆盖范围不变的基础上，在 很远处出现飞地，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到， 这样就造成飞地与相邻基站之间没有切换关系，飞地因此成为一个孤岛，当 手机占用上飞地覆盖区的信号时，很容易因没有切换关系而引起掉话，就是 通信信息丢失。 3 热斑效应 在长期使用中难免落上飞鸟、尘土、落叶等遮挡物，这些遮挡物在太阳电池组 件上就形成了阴影，在大型太阳电池组件方阵中行间距不适合也能互相形成阴 影。由于局部阴影的存在，太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了 变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件 上产生了局部温升。太阳电池组件中某些电池单片本身缺陷也可能使组件在工 作时局部发热，这种现象叫“热斑效应”。 一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电 池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热。这种效应能严重的 破坏太阳能电池。严重者将会使电池组件上的焊点熔化并毁坏栅线，从而导致 整个太阳电池组件的报废。据国外权威统计，热斑效应使太阳电池组件的实际 使用寿命至少减少10%。 为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间 并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。 4 谐波分析及治理 4.1 谐波分析 光伏发电系统中主要用到逆变器，交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过 程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时 又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也 有高次谐波。最明显的特征就是逆变器发生很强大的尖叫，谐波还会通过配变 污染到10kV 电网内，由其用电设备消纳了，因此它的谐波污染应引起足够关 注。 通过对网内谐波的测试，其5 次、7 次、11 次谐波电流的含量分别占基波的 20%、11%、6%，有时无法投入电容器补偿，有的即便投入了，也对5 次谐波 电流还放大了1.8~3.8 倍以上，使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大 大地增加，缩短了设备的使用寿命。 4.2 谐波治理 首先考虑预防，控制好谐波产生的源头，使系统中产生的谐波尽量减小，就可 以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此，在选择设备和构建系统 时，就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。 预防措施就是避免及其后再次出现谐波： (1)整流器中的相位抵消(通过选择合适的相位移动，由低脉波数整流器构成的高 脉波数整流器可以消除谐波)或谐波控制。应该使用具有较高脉波数的整流器， 如使用12 脉冲的整流器来代替6 脉冲整流器。 (2)直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。开发有效 的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波168娱乐app下载。 其次，在预防的基础上，再考虑补救措施。特别是对于既有的用户低压系统来 说，由于系统结构已经基本固定，谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波 器等补救措施得以控制。 补救措施就是为克服既有谐波问题所采用的技术，包括使用LC 无源滤波器、 使用有源滤波器、电路解谐。 5 监控系统 自从诞生了光伏发电系统，其监控系统也随之而生，光伏电站的简易监控系统 如图4 所示。 图4 单相光伏并网发电监控系统图 6 结语 纵观以上分布式光伏发电的特点，其优势明显，光伏系统的应用形式很多，但 基本原理是相似的。随着技术的发展和世界经济可持续发展的需要，分布式光 伏发电系统将会提升自动追踪光影和自动扫尘等控制技术，根据光伏发电系统 原理构成中产生的热斑效应和孤岛效应、谐波治理等为严防产生，原因治理和 严防过程大放奇彩，对光伏发电系统无一有控制影响，无噪声、维护简单、维 护成本低、操作可靠稳定将是该系统最大特色。 Reference： [1]张立文,张聚伟,田葳,张晓红. 太阳能光伏发电技术及其应用[J]. 应用能源技 术,2010,03:4-8. [2] 耿亚新,周新生. 太阳能光伏产业的理论及发展路径[J]. 中国软科 学,2010,04:19-28+134. [3] 陈枫楠,王礼茂. 中国太阳能光伏产业空间格局及影响因素分析[J]. 资源科 学,2012,02:287-294. [4] 李伟,李世超,. 太阳能光伏发电风险评价[J]. 农业工程学报,2011,S1:176- 180. [6] 孔娟. 太阳能光伏发电系统的研究[D].青岛大学,2006. [7] 董密. 太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究[D].中南大 学,2007. 吴桂林男1967 年生，汉族，湖北枝江人，高级工程师，一直从事电力系统及 其自动化控制保护、网络控制技术工作。通讯地址: 湖北·枝江·湖北三宁化工股 份有限公司 邮编: 443206 邮箱hbwgl@163。 1 -全文完-