屋頂光伏電站并網(wǎng)運行特性分析

胡文堂，童杭偉

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

浙江電網(wǎng)60 kW屋頂光伏示范電站并網(wǎng)運行一年多以來，整體運行情況良好，組成電站的2類單晶硅光伏組件及3種逆變器工作性能穩(wěn)定，無設(shè)備故障，能實現(xiàn)自動連續(xù)工作。通過對電站運行特性的總結(jié)及設(shè)備性能的試驗研究，為進(jìn)一步完善光伏電站安全、有序地接入公用電網(wǎng)的技術(shù)要求提供依據(jù)。本文在國家電網(wǎng)公司科研項目《分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和運行控制技術(shù)研究》（國家電網(wǎng)發(fā)展[2009]970號《關(guān)于下達(dá)2009年國內(nèi)公司總部第二批科技項目計劃的通知》文件）的研究成果基礎(chǔ)上總結(jié)而成。

1 發(fā)電量統(tǒng)計

光伏電站的發(fā)電量受多種因素（如地區(qū)、季節(jié)、氣候等）的影響，波動性較大，但具有一定的規(guī)律性。

1.1 年發(fā)電量情況

杭州處于Ш類光輻射能地區(qū)，歷史統(tǒng)計典型年太陽輻射能參數(shù)約4 400 MJ/m2·a。受氣候條件影響，2009年實測太陽輻射能約4 000 MJ/m2·a（約 1 111 kWh/m2·a）， 按月統(tǒng)計的太陽輻射能情況如圖1所示。60 kW光伏電站年發(fā)電量約53 000 kWh，年發(fā)電利用小時數(shù)約為883 h。

圖1 2009年60 kW光伏電站月累積太陽輻射能

1.2 月發(fā)電量情況

60 kW光伏電站的月發(fā)電量統(tǒng)計如圖2所示，其中5月份發(fā)電量最多，11月份最少，春夏季的發(fā)電量多于秋冬季的發(fā)電量。

1.3 典型日發(fā)電量曲線

有3類典型的發(fā)電功率曲線：陰雨天、有云天及晴天，光照強(qiáng)度和發(fā)電功率對應(yīng)曲線見圖3－圖5，從圖中可以看出發(fā)電功率與光照強(qiáng)度成正相關(guān)性。

圖2 60 kW光伏電站月發(fā)電量統(tǒng)計

圖3 60 kW光伏電站典型晴天發(fā)電功率

圖4 60 kW光伏電站典型有云天發(fā)電功率

圖5 60 kW光伏電站典型陰雨天發(fā)電功率

晴天日照充足，日發(fā)電量大，中午時段發(fā)電量最大，功率變動規(guī)律較穩(wěn)定，全天功率曲線為饅頭波形；陰雨天光照量小，發(fā)電量很少；少云或多云天，太陽經(jīng)常在短時間內(nèi)被云遮擋，功率變化較大，統(tǒng)計得到功率變化最大值為15 kW/min，為光伏電站總裝機(jī)容量的25%。因此，有云的天氣條件下，光伏電站發(fā)電功率波動對配電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)有一定的影響。

2 光伏電站諧波特性

將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電時需采用大量的電力電子變換器件，由此產(chǎn)生的電流諧波將對電能質(zhì)量參數(shù)產(chǎn)生一定影響。為了消除或減小光伏電站并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響，需要檢測和規(guī)范其諧波指標(biāo)。

（1）晴到多云天氣，在60 kW光伏電站輸出功率為35.75 kW（59.5%）工況下，測得電站諧波電流總畸變率為2.32%。

（2）在相同日照和氣候條件、較大發(fā)電功率工況下，同時對3臺不同容量的逆變器諧波電流指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果為：30 kW國產(chǎn)三相逆變器的畸變率為3.42%，6 kW國產(chǎn)單相逆變器的畸變率為2.51%，5 kW進(jìn)口單相逆變器的畸變率為1.73%。

其中，Yit表示 i地區(qū)在 t年的產(chǎn)業(yè)集聚水平，利用區(qū)位商來衡量我國水利產(chǎn)業(yè)集聚水平。 X1it、X2it、X3it、X4it、X5it分別表示i地區(qū)在t年律師、會計師等市場中介組織服務(wù)條件，行業(yè)協(xié)會對企業(yè)的幫助程度，對生產(chǎn)者、消費者合法權(quán)益的保護(hù)程度，對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的程度。X6it為可能影響水利產(chǎn)業(yè)集聚水平的控制變量的向量，其中包括經(jīng)濟(jì)規(guī)模、城市化水平、政府干預(yù)、收入差距、FDI、交通基礎(chǔ)設(shè)施、勞動力素質(zhì)與市場化程度；εit為誤差項。

3類逆變器的諧波指標(biāo)測試結(jié)果均小于GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中5%的要求[1]。

3 光伏電站對電網(wǎng)異常的響應(yīng)特性

3.1 電壓異常響應(yīng)特性

為保證光伏電站接入點的交流負(fù)載正常工作，光伏電站輸出電壓應(yīng)與電網(wǎng)相匹配。正常運行時，光伏電站在并網(wǎng)點處的電壓偏差應(yīng)符合國家電網(wǎng)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[2]相關(guān)要求。

按規(guī)定要求進(jìn)行了并網(wǎng)點電壓響應(yīng)特性試驗，實測結(jié)果見表1。以下2種工況下的電壓特性未達(dá)到規(guī)定的要求。

（1）在電網(wǎng)電壓異常跌落至85.8%UN時，3臺5 kW單相逆變器和1臺30 kW三相逆變器均工作正常，但3臺6 kW單相逆變器停機(jī)，不符合規(guī)定中應(yīng)連續(xù)工作的要求。

（2）在電網(wǎng)電壓異常高于135%UN時，光伏電站分?jǐn)鄷r間為0.69 s，大于規(guī)定中應(yīng)在0.05 s內(nèi)快速分?jǐn)嗟囊蟆?/p>

表1 光伏電站在電網(wǎng)電壓異常時的響應(yīng)

3.2 頻率異常響應(yīng)特性

光伏電站并網(wǎng)時應(yīng)與電網(wǎng)同步運行。國家電網(wǎng)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求：當(dāng)小型光伏電站并網(wǎng)點頻率超過 49.5～50.2 Hz時，應(yīng)在0.2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)線路送電。

4 光伏電站防孤島保護(hù)特性

孤島效應(yīng)是指分布式能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)因人為切斷或出現(xiàn)故障而停止向負(fù)載供電時，分布式能源系統(tǒng)繼續(xù)并網(wǎng)工作，從而使電網(wǎng)局部負(fù)載仍處于供電狀態(tài)的現(xiàn)象。孤島效應(yīng)形成了電力公司無法掌控的自給供電孤島，可能會導(dǎo)致并網(wǎng)逆變系統(tǒng)和用電設(shè)備的損壞，還會對電力檢修人員造成危險。因此準(zhǔn)確、及時地檢測出孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)電站設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

技術(shù)規(guī)定要求光伏電站必須具備快速監(jiān)測孤島且立即斷開與電網(wǎng)連接的能力。若逆變器并入的電網(wǎng)供電中斷，逆變器應(yīng)在2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電。

現(xiàn)場實際選擇了4類典型工況開展了防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗，試驗接線如圖6所示。在光伏電站不同的發(fā)電功率下，可對各種負(fù)載類型進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制并網(wǎng)開關(guān)的分?jǐn)鄟磉M(jìn)行試驗。

圖6 60 kW光伏電站防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗接線圖

（1）電阻性負(fù)載工況下，以光伏發(fā)電功率為24.9 kW進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果為：光伏電站與電網(wǎng)斷開連接后的孤島時間為0.17 s，頻率、電壓均有波動，頻率變化為50～52 Hz，電壓最大波動值為20 V。

（2）光伏電站30 kW三相逆變器投入運行，平衡負(fù)載工況下，光伏發(fā)電功率為18.9 kW，調(diào)節(jié)電阻、電感及電容阻抗，使品質(zhì)因數(shù)Q約為1，并網(wǎng)點電流為1～2 A進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果是：光伏電站孤島時間為0.79 s，頻率較穩(wěn)定，電壓最大波動值為20 V。

（3）平衡負(fù)載工況下，光伏發(fā)電功率為29.2 kW，調(diào)節(jié)電阻、電感及電容阻抗，使品質(zhì)因數(shù)Q約為1，并網(wǎng)點電流為2～3 A進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果是：光伏電站孤島動作過渡時間為1.77 s，頻率較穩(wěn)定，電壓最大波動值為20 V。

（4）平衡負(fù)載工況下，光伏發(fā)電功率為20.6 kW，調(diào)節(jié)電阻、電感及電容阻抗，使品質(zhì)因數(shù)Q約為1，并網(wǎng)點電流為1～2 A進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果是：光伏電站并網(wǎng)開關(guān)分?jǐn)嗪螅聧u動作過渡時間達(dá)29.52 s，不能在2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電，在孤島過程中，頻率變化范圍48～51 Hz，電壓值前后無變化。

從試驗結(jié)果分析，光伏電站在并網(wǎng)點內(nèi)部的發(fā)電功率與阻性、感性和容性負(fù)載形成品質(zhì)因數(shù)Q約為1的特殊工況下，若電網(wǎng)斷電或斷開并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)點內(nèi)仍可能維持電壓、頻率等參數(shù)穩(wěn)定，從而使電站設(shè)備不易檢測出孤島的發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）60 kW光伏電站經(jīng)一年半的實際運行，光伏組件及逆變器設(shè)備工作性能良好。實測光伏電站的太陽能輻射能約4 000 MJ/m2·a，電站年發(fā)電量53 000 kWh，年利用小時數(shù)883 h。

（2）實測60 kW光伏電站各設(shè)備的諧波參數(shù)均滿足GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求。

（3）60 kW光伏電站在電壓異常、頻率異常時的動作時間不滿足國家電網(wǎng)公司技術(shù)規(guī)定要求。

（4）在電阻性負(fù)載工況下，60 kW光伏電站未發(fā)生孤島現(xiàn)象；在平衡負(fù)載、品質(zhì)因數(shù)約為1的特殊工況下，由多種逆變器組合的60 kW光伏電站發(fā)生了延續(xù)時間達(dá)29.52 s的孤島現(xiàn)象。

（5）為有效考核光伏電站的運行特性，應(yīng)對光伏電站的整體特性進(jìn)行檢測試驗。

[1]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[2]國家電網(wǎng)發(fā)展[2009]747號.國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（試行）[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2009.