梅州地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電的分析與對策

摘 要：近年來，我國社會經(jīng)濟在不斷發(fā)展，新能源的開發(fā)與應(yīng)用得到人們越來越多的關(guān)注。其中分布式能源發(fā)電以其節(jié)能、安全及靈活等優(yōu)點受到了我國能源發(fā)展部門的高度重視，將其定為我國現(xiàn)在最主要的能源發(fā)展方式。然而，在實際應(yīng)用過程中，變電站光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用并不多，發(fā)展的道路還比較慢長。文章結(jié)合梅州地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀研究了并網(wǎng)光伏發(fā)電的優(yōu)缺點和對電網(wǎng)的影響，并提出了相應(yīng)對策，為我國并網(wǎng)光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變電站；光伏并網(wǎng)；發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0083-02

1 光伏發(fā)電的生成原理與特點

太陽能作為可再生資源，它不僅資源豐富，而且無污染，我國已將其作為發(fā)電系統(tǒng)重要的能源支撐。并網(wǎng)光伏發(fā)電就是把太陽能轉(zhuǎn)換成電能再供給用戶使用，其主要由太陽能光伏陣列、控制器和逆變器三大部分組成。太陽能通過光伏陣列進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)換成高壓直流電，再由逆變器逆變成與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流提供給電網(wǎng)。光伏發(fā)電相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式其特點主要表現(xiàn)在：其一，受光照、溫度等因素的影響，輸出功率變化大；輸入側(cè)的一次能源功率不能主動在技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，只能被動跟蹤當(dāng)時光照條件下的最大功率點。其二，光伏電池方陣輸出的電能為直流電，不能直接介入公網(wǎng)，必須通過逆變器轉(zhuǎn)換成工頻交流電。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)缺點

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)點

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在將太陽能轉(zhuǎn)化成電能時不需要蓄電池進(jìn)行儲能，而是直接由逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出。它主要有以下幾個優(yōu)點：減少了對生產(chǎn)可用土地的占用，節(jié)約了初期建設(shè)成本，降低了對環(huán)境的污染。

2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電的缺點

光伏發(fā)電與太陽能能量密度、穩(wěn)定性及地理和氣候有關(guān)，其發(fā)電過程容易受到各方面因素的限制，如溫度和季節(jié)周期的限制、地理位置的限制、氣象條件限制和容量傳輸限制。

①溫度和季節(jié)周期的限制。溫度和季節(jié)周期的限制是指光伏發(fā)電必須在有日照的前提下才能正常發(fā)電，在黑夜會停止發(fā)電，而各季節(jié)的光照強度不同對其發(fā)電的負(fù)荷有嚴(yán)重影響。因此，電網(wǎng)內(nèi)得配備相應(yīng)容量的發(fā)電機，以備條件發(fā)生變化時維持正常工作。

②地理位置的限制。光伏發(fā)電設(shè)備需建設(shè)在日照條件充足的地方，一般建設(shè)在建筑物的屋頂。而大型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)的占地空間過大，只能選擇在荒漠或無人居住的地方建設(shè)。

③氣象條件的限制。環(huán)境的溫度、天氣的變化和空氣的質(zhì)量都將直接影響到發(fā)電量，導(dǎo)致電力負(fù)荷波動大。

④容量傳輸?shù)南拗啤９夥l(fā)電系統(tǒng)缺少傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)從遠(yuǎn)距離輸送大功率、高電壓、大面積的電力到負(fù)荷中心時，不管是采用交流電輸送還是直流電輸送都將給單位千瓦的帶來輸送成本的大幅度增加。因此，傳送電力時必須限制其容量。

另外，太陽能電池的轉(zhuǎn)換率比傳統(tǒng)能源的轉(zhuǎn)換要偏一些，且在發(fā)電過程中又要損耗掉一部分，因此，光能的轉(zhuǎn)換率不盡如人意。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)形式

迄今為止，光伏發(fā)電的并網(wǎng)形式共有兩種，一種是發(fā)電側(cè)并網(wǎng)，另一種是用戶側(cè)并網(wǎng)。

發(fā)電側(cè)并網(wǎng)就是讓光伏電站的電能流經(jīng)升壓變電站和中高壓輸電線路后直接輸送給公用電網(wǎng)，然后由配電網(wǎng)統(tǒng)一配送給用戶。這種并網(wǎng)形式遠(yuǎn)離負(fù)荷點，一般適用于大型的荒漠光伏電站。

用戶側(cè)并網(wǎng)就是將光伏電站產(chǎn)生的電能就地調(diào)配給用戶，由大電網(wǎng)來調(diào)節(jié)電力的盈缺，且與大電網(wǎng)的電力交換存在雙向性。它通常被小型的城區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用。

4 并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響

4.1 對電網(wǎng)調(diào)度運行的影響

光伏電站的發(fā)電受光照的影響波動大及隨機性強。在光伏發(fā)電并網(wǎng)具備一定的規(guī)模時，輻照強度的短期波動和周期性變化就會造成線路的電壓及潮流劇增而超出限制范圍，從而增加了斷面交換功率的調(diào)控難度。又因為光伏電站沒有旋轉(zhuǎn)慣性這一部分，致使有功功率呈階躍性變化，從而降低了電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性，相應(yīng)的就加大了傳統(tǒng)發(fā)電和運行計劃的難度。

4.2 對電網(wǎng)安全影響

光伏電站并網(wǎng)后，若與主網(wǎng)發(fā)生非計劃解列，有可能出現(xiàn)孤島效應(yīng)，導(dǎo)致孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率出現(xiàn)較大波動而失去控制，從而損害了電網(wǎng)和用戶設(shè)備；也可能導(dǎo)致故障無法清除，阻礙了電網(wǎng)恢復(fù)正常，誤判開關(guān)已斷開造成線路帶電，從而給線路維護(hù)人員帶來極大危險。另外，在非計劃解列后的重新并網(wǎng)可能出現(xiàn)非同期合閘，從而造成斷路器損壞。

4.3 對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的是高頻開關(guān)電子器件的逆變器，這種電子器件很容易造成諧波的產(chǎn)生。輸出功率受環(huán)境影響的光伏電池其伏-安特性為非線性。為了減少環(huán)境影響的危害力，需在日照和溫度確定的情況下用MPPT控制器找出光伏電池輸出最大功率的對應(yīng)工作電壓，然而輸出功率具有不確定性，容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動或閃變。

4.4 對電網(wǎng)監(jiān)測的影響

電力系統(tǒng)在調(diào)度運行時必須進(jìn)行實時監(jiān)測，以隨時掌握其運行狀態(tài)，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的并入增加了電網(wǎng)運行的實時監(jiān)測范圍。另外，光伏發(fā)電是一種新的發(fā)電模式，傳統(tǒng)電網(wǎng)的監(jiān)測模式已無法滿足對其運行情況的監(jiān)控，必須將監(jiān)測系統(tǒng)擴展或升級。

4.5 對傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后會引起配電網(wǎng)的功能發(fā)生轉(zhuǎn)變，在原來單一的電能分配功能上又增加了電能收集和電能傳輸功能，那么傳統(tǒng)的電力需求預(yù)測模型已不再適合新型的電力交換系統(tǒng)，而需將配電網(wǎng)進(jìn)行重新的規(guī)劃設(shè)計，這其中需將光伏電站并網(wǎng)的數(shù)量、規(guī)模、容量及為維持安全穩(wěn)定電網(wǎng)所需的備用容量都考慮周全。

5 解決對策

5.1 研究出并網(wǎng)光伏發(fā)電的電網(wǎng)控制理論與技術(shù)

對光伏發(fā)電運行特性用動態(tài)模型的形式進(jìn)行研究，按照光伏電池的輸出特點，將天氣數(shù)據(jù)加入到動態(tài)模型中，然后分析不同環(huán)境下光伏電站的運行情況，研究出其運行規(guī)律，以增強對光伏發(fā)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。另外，研究出適合光伏發(fā)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)運行進(jìn)行控制的理論，以確保在多不確定因素時維持電網(wǎng)正常發(fā)電及運行能提供有效的保障。

5.2 研發(fā)新型的配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)及保護(hù)與控制裝備、技

術(shù)

分析研究光伏發(fā)電并網(wǎng)后對配電網(wǎng)短路時電流分布、大小及方向的影響，找出對配電網(wǎng)的保護(hù)與控制技術(shù)及裝備，以快速清除電網(wǎng)故障及保證電網(wǎng)的安全運行。另外，需研發(fā)出新型的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，對電力設(shè)備進(jìn)行升級，以提高電能質(zhì)量的綜合監(jiān)控技術(shù)，減少因諧波污染而給用戶帶來電能質(zhì)量問題。

5.3 完善光伏發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

在現(xiàn)有的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的前提下，還應(yīng)綜合自身電網(wǎng)的特點完善光伏發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以確保電網(wǎng)運行的安全可靠。

5.4 研究與應(yīng)用新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃方案

設(shè)計一個符合大型光伏發(fā)電并網(wǎng)條件的預(yù)測模型作為研究對象，以找出光伏發(fā)電系統(tǒng)的最佳并網(wǎng)方式、接入位置、最優(yōu)配置及輸出控制方式，得出其對電網(wǎng)諧波和電壓波動與閃變的影響力等，從規(guī)劃層面保證配電網(wǎng)經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性和電能質(zhì)量的綜合優(yōu)化。

6 梅州工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)的應(yīng)用

6.1 園區(qū)用電基本情況

用電負(fù)荷數(shù)據(jù)顯示，園區(qū)現(xiàn)安裝總?cè)萘坑?1 150 kVA，總客戶數(shù)量230戶左右，專變74臺，有客戶70戶，其中包括臨時施工用電11臺，14戶客戶，容量為4 470 kVA；公變11臺，有160戶客戶，公變總?cè)萘? 665 kVA。園區(qū)所有客戶中有37戶增值稅大客戶，大工業(yè)客戶15戶，高新區(qū)2011年全年企業(yè)用電量約2 410萬kW·h時，園區(qū)總用電約為2 875萬kW·h。

由于用電負(fù)荷的分布不均，有些用戶用電量非常小，近似為零，有些用戶采用了“分時工作”，也就是說白天停產(chǎn)或少生產(chǎn)，晚上生產(chǎn)。這樣非常不利于對光伏發(fā)電的利用，造成光伏新能源電量的浪費，經(jīng)濟效益降低。

6.2園區(qū)中高壓線路及變電站分布情況

坐落于園區(qū)中心的110 kV連江變電站供應(yīng)園區(qū)所有的用電。連江站主要負(fù)責(zé)將上級220 kV長沙變電站輸送過來的110 kV電壓的電力轉(zhuǎn)化到園區(qū)10 kV的配電網(wǎng)絡(luò)上。

目前，連江變電站裝備了2臺50 MVA的主力變壓器，園區(qū)用戶負(fù)荷報裝容量2011年達(dá)到100 MVA。

連江變電站距離最近的光伏項目建設(shè)地點不到1公里。連江變電站目前有10 kV出線17回，大約有5回架空出線會經(jīng)過本項目預(yù)定的建設(shè)地點附近。

6.3現(xiàn)場勘測情況

光伏發(fā)電項目目前可利用的廠房58個，屋頂面積11萬m2，如果按最佳發(fā)電效率，且不考慮女兒墻影響的情況下安裝，宿舍等樓宇樓頂最多只可安裝5 023.83 kWp光伏組件，原因如下：

①光伏組件安裝傾角18°，光伏支架前后間距1.5 m避免光伏組件前后遮陰影響發(fā)電，預(yù)留的遮陰距離可以作為檢修通道；不考慮最佳傾角，也就是說組件平鋪到屋頂沒有傾角，根據(jù)“光伏組件設(shè)計工具”計算結(jié)果顯示，最佳傾角每增加或減小6°，效率影響5%左右；如果按梅州目前的緯度，發(fā)電效率可能會影響到15%以上。

②廠房樓頂四周有2 m高鏤空女兒墻，避免女兒墻遮陰，光伏組件與東、南、西三面女兒墻距離不低于3 m；女兒墻的影響：由于房頂四周有2.5 m左右高的女兒墻，以正常廠房A5為例，會影響到3 m左右的光伏組件的效率，也就是說3/24=12.5%左右的發(fā)電效率。

③大部分房屋不是正常東南西北朝向，影響了安裝的位置。考慮廠房樓頂部分建筑物存在等復(fù)雜特性，如有些屋頂有中央空調(diào)排氣孔等，廠房樓頂部分地區(qū)不得安裝光伏組件。

6.4基本情況的分析結(jié)論

按以上基本情況，我們得出了以下幾個結(jié)論：

①發(fā)電和用電發(fā)布空間上不平衡。屋頂資源分布和對應(yīng)的配電容量分布不平衡，存在大屋頂小變壓器，小屋頂大變壓器；實際用電負(fù)荷分布嚴(yán)重不匹配，大量存在小屋頂大負(fù)荷，大屋頂小負(fù)荷的情況。

②發(fā)電和用電時間上錯位。光伏發(fā)電時間和用戶用電高峰錯位，集中表現(xiàn)在中午功夫發(fā)電高峰時段，正好是多數(shù)用戶午休低負(fù)荷時段。

6.5 解決思路及措施

①由原來13點400 V用戶側(cè)接入調(diào)整為11點10 kV配電線路接入。由于屋頂面積與對應(yīng)屋頂?shù)呐潆娮儔浩魅萘繃?yán)重不對稱，在許多廠房無法利用現(xiàn)有的配電變壓器，無法采取400 V接入的方式接入園區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)。10 kV接入要盡量集中。10 kV并網(wǎng)方式應(yīng)盡量采用相對集中的方式接入園區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)，減少并網(wǎng)點，在施工，維護(hù)，計量各個環(huán)節(jié)都更具合理性。采用能源合同管理的模式，就近選擇有條件的用電企業(yè)，接入10 kV線路用戶側(cè)，附近沒有合適的用電企業(yè)，采用就近T接進(jìn)園區(qū)10 kV公網(wǎng)線路。

②增加使用園區(qū)閑置的坡地及少量的平地建設(shè)光伏發(fā)電項目。集中的接入要求集中的光伏發(fā)電場地。相對集中的10 kV并網(wǎng)接入要求相對集中的光伏發(fā)電場地，一般而言，逆變器交流側(cè)的電壓通常在300 V以下，太遠(yuǎn)太分散的升壓并網(wǎng)不現(xiàn)實。光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響與光伏電源的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級有關(guān)。一般情況下，光伏電源容量在250 kVA以內(nèi)的接入380 V/400 V低壓電網(wǎng)；光伏電源容量在1～8 MVA的接入10 kV等級中壓電網(wǎng)；光伏電源容量更大一些的則接入更高電壓等級的配電網(wǎng)。

③具體接入方式。大容量的光伏電源通過聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上，如圖2（a）所示。對于小型的光伏電源，為減少并網(wǎng)投資，就近并在配電線路上，如圖2（b）所示。

本光伏發(fā)電項目計劃分為10個相對獨立的1 MW的并網(wǎng)單元，就近分布在下圖所示光伏組件安裝場地。考慮到場地附近有好幾條10 kV的配電線路經(jīng)過，擬將上述10個并網(wǎng)單元按就近分組的原則，以3，3，4或者2，2，3，3的方式，就近T接并入附近合適的10 kV配電線路上。我們擬采用圖2方案，盡量集中建設(shè)光伏發(fā)電項目。

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