分布式光伏接入技術在電網(wǎng)中的實踐應用

顏陽委

（東莞電力設計院 廣東東莞 523413）

分布式光伏接入技術在電網(wǎng)中的實踐應用

顏陽委

（東莞電力設計院 廣東東莞 523413）

近年來雖然國內外在分布式供電的計算仿真、并網(wǎng)標準、分布式供電技術的試驗、分布式電源的設備測試、分布式供電對電能質量的影響等方面取得了很大進展。但在分布式電源的運行控制、配電網(wǎng)規(guī)劃、虛擬電廠、繼電保護、通信技術、能量管理等方面處于剛剛開始階段，雖然已經(jīng)取得少許成果，但離廣泛實際化應用還存在很大距離。本文從具體工程實施角度出發(fā)，重點研究光伏發(fā)電在廣東東莞地區(qū)的接入系統(tǒng)設計方案。依托實際工程，提出實際應用中可能碰到的問題并提出解決方案。

分布式；工程實施；光伏發(fā)電

1 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺、能源安全以及環(huán)境保護等方面的問題日益突出，如何加快可再生清潔能源的發(fā)展和高效利用已成為我國能源領域的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。分布式發(fā)電技術為風能、太陽能等可再生能源以及天然氣、氧氣等環(huán)境友好型能源的高效利用提供了有效的技術手段；同時，分布式電源可與大電網(wǎng)互為備用，提高了供電的可靠性和安全性。

然而，隨著分布式電源并網(wǎng)容量的不斷增長，分布式電源對電網(wǎng)帶來的影響也日益嚴峻和凸顯。在電網(wǎng)故障情況下，分布式電源并網(wǎng)點電壓會發(fā)生跌落或抬升，甚至并網(wǎng)點的頻率也將發(fā)生異常。因此，電網(wǎng)故障會給分布式電源機組帶來較為強烈的暫態(tài)過程，出現(xiàn)過壓、過流等現(xiàn)象。在以往分布式電源并網(wǎng)容量有限的前提下，為了保證電網(wǎng)故障情況下分布式電源機組的自身安全，同時避免分布式電源接入對電網(wǎng)保護與控制帶來的影響，IEEE 1547-2003規(guī)定：當電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動時，分布式電源應迅速脫網(wǎng)。但上述規(guī)定在很大程度上降低了分布式電源的利用率，且難以實現(xiàn)故障緊急情況下對電網(wǎng)的電源支持，削弱了分布式電源提高供電可靠性的優(yōu)勢。同時，目前分布式電源的并網(wǎng)容量已經(jīng)達到了較高的水平，且在未來還會繼續(xù)增長，若分布式電源仍不具備抵御電網(wǎng)故障的能力，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障就迅速脫網(wǎng)，則會進一步加劇功率失衡，危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2 光伏發(fā)電原理

根據(jù)光生伏特效應，太陽能電池板能夠吸收光子產生電動勢進行發(fā)電。太陽能光伏陣列通過吸收光能，發(fā)出直流電流，直流電流轉化為交流電流之后，通過變壓器或者直接接入電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電原理如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖

對于光伏電站容量較大的，例如整個系統(tǒng)由很多光伏模塊組成的兆瓦級大系統(tǒng)，利用大系統(tǒng)來控制方案從而使全部逆變器能夠并聯(lián)運行。另外各子系統(tǒng)之間受某一特定的中心系統(tǒng)指揮控制，相互之間通過協(xié)作運行來達到統(tǒng)一調度控制的結果。由于運行環(huán)境的狀況改變，變壓器和逆變器會設計成幾種方案，由此通過通訊系統(tǒng)的調度，解決了由于日照強度高低變化所引起的效率問題，保證系統(tǒng)可靠、及時、高效的運行。通過直流配電柜-逆變器-交流配電柜之間的配合將光伏陣列接入電網(wǎng)。同時整個過程需要監(jiān)控系統(tǒng)輔助完成。圖2為一種典型的地面電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。

圖2 地面電站并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

3 分布式光伏發(fā)電的特點

（1）輸出功率較小，分布式光伏電站項目的容量一般不超過數(shù)千千瓦。光伏電站容量的多少與發(fā)電效率的關系不大，這與高電壓的電站有所不同，因此對其經(jīng)濟性不會造成很大的影響，但是與大型電站相比，小型光伏電站的投資收益率并不一定低。

（2）突出的環(huán)保效益，對環(huán)境的污染、破壞小。利用太陽光能分布式光伏電站項目得以運行，在運行中噪音低，不會產生污染和破壞空氣、水等資源物質。

（3）有效的緩解了部分地區(qū)用電緊張的狀況。不過由于分布式光伏發(fā)電的能量密度相對較低（系統(tǒng)的功率僅約100W/m2），其次能夠用于光伏發(fā)電的建筑屋頂面積是有限的。這樣導致不能根本性的解決用電緊張的問題，只能起到部分緩解的作用。

（4）發(fā)電用電能夠并存。通過升壓接入輸電網(wǎng)，大型的地面電站發(fā)電得以進行；對于分布式光伏發(fā)電來說，采用接入配電網(wǎng)，發(fā)電用電并存的方法，盡可能地達到就地消納的效果。

4 電力分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)設計

4.1 光伏系統(tǒng)設計原則

4.1.1 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的準入容量

根據(jù)所接入配電網(wǎng)的特性和光伏電站的安裝容量，決定分布式光伏電源的并網(wǎng)點。一般來說，并網(wǎng)點的選擇與至上級變電站線路總長度和參數(shù)、區(qū)域配電網(wǎng)的電網(wǎng)結構和運行方式、光伏電站的安裝容量有著密切關系。尤其當大量光伏電站并網(wǎng)之后，隨著光伏電站出力的變化，配電網(wǎng)的潮流將重新分配。目前配電網(wǎng)接線模式主要有電纜網(wǎng)絡的架空線路多分段多聯(lián)絡網(wǎng)、雙電源單n接線及雙電源雙n接線。根據(jù)光伏電源并網(wǎng)后的情況綜合考慮，區(qū)域配電網(wǎng)的電壓質量、電壓穩(wěn)定、諧波注入量以及可靠性等多方面的要求，通過合理的控制接入電源的安裝容量和電壓等級，使光伏電源對區(qū)域配電網(wǎng)的沖擊能夠有效降低。應根據(jù)當?shù)嘏潆娋W(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、運行工況和實際網(wǎng)架結構來選取光伏電源的滲透率。經(jīng)過多次仿真計算，在一般情況下，東莞地區(qū)的光伏電站專線接入的是400V、10kV公用電網(wǎng)，光伏電源安裝的容量應小于上級變電站中最小單臺變壓器額定容量的15%；光伏電站T接入10（20）kV公用線路，其總安裝的容量應小于該線路最大輸送容量的30%。并網(wǎng)電壓等級如表1所示。

表1 光伏電源并網(wǎng)電壓等級

4.1.2 結構輕巧而穩(wěn)定原則

穩(wěn)定的結構不僅能夠保證安全，而且也能產生出一種所特有的穩(wěn)定結構的美感，失穩(wěn)的結構會讓人覺得有危機感，造成緊張的氛圍，給人一種很不愉悅的感覺。但過于粗放、保守的設計又顯得累贅、笨拙，缺乏靈氣，也會使人不愉快。

4.1.3 環(huán)保節(jié)能原則

在該工程中光電技術的主要應用在光伏屋頂上。發(fā)電是其主要功能，特別是太陽能電池發(fā)電，既不會產生對溫室效應有害的氣體或排放二氧化碳，也沒有噪音，是一種潔凈能源，環(huán)境友好型能源。因此它嚴重影響著整個建筑的環(huán)保節(jié)能性能。

4.1.4 拆卸更換、維修方便的原則

當太陽能屋頂?shù)哪硞€局部受到損害時，組件板塊靈活方便地進行拆卸更換，與系統(tǒng)的功能保持良好，結構保持原樣等因素密切相關。因此在結構設計時必須要求可方便更換，且不能影響發(fā)電系統(tǒng)的正常使用。

4.1.5 經(jīng)濟性原則

在以上原則得到充分保證的前提下，要充分考慮系統(tǒng)的效益性、經(jīng)濟實用性，使發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟實用價值有所提高。確保資金投向合理，在符合國家規(guī)范的前提下，材料的合理使用是十分必要的，只有合理地、巧妙地使各材料的相關特性得以發(fā)揮，才能達到最大的經(jīng)濟利益。在該工程中，精心研究、集中優(yōu)勢。

4.2 接入系統(tǒng)方案和建設規(guī)模

（1）接入系統(tǒng)方案

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組件（方陣）、交/直流配電系統(tǒng)（箱、柜）、帶MPPT、防雷系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器等器件組成。該項目中樓頂光伏陣列將太陽能轉換為直流電流，然后通過線纜將電流傳送到與之相連接的逆變器的直流輸入端；通過采用MPPT（最大功率跟蹤）技術，逆變器使光伏陣列保持在最佳輸出狀態(tài)，同時將直流電轉換成為與電網(wǎng)相位和頻率都一樣的交流電流，從而達到符合并網(wǎng)發(fā)電的要求；經(jīng)配電箱輸出沿電纜溝將每一臺逆變器輸出的380V交流電，送至現(xiàn)有的低壓配電室后并網(wǎng)。光伏并網(wǎng)逆變器具有通訊和數(shù)據(jù)采集功能，能夠檢測電網(wǎng)的頻率、電壓、功率因數(shù)、逆變器輸出電流等側運行參數(shù)，及太陽福射溫度、強度等環(huán)境參數(shù)。

（2）建設規(guī)模

東莞市石碣鎮(zhèn)臺達電子（東莞）有限公司分為一期和二期工廠，本工程擬利用一期和二期廠區(qū)共建設分布式光伏約2MWp。其中利用一期廠區(qū)的沖壓車間和物流中心屋頂安裝744.6kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用二期廠區(qū)的三廠和四廠，鉅達廠及停車棚安裝1168.65kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，均采用用戶側0.4kV并網(wǎng)方式，自發(fā)自用為主，供應廠區(qū)生產、照明和空調系統(tǒng)部分電力，少余電量上網(wǎng)。

圖3為一期工廠的物流中心的光伏發(fā)電接入系統(tǒng)圖。

4.3 主要設備選型

4.3.1 太陽能電池組件

電池是太陽能光伏系統(tǒng)中最重要組成部分，是電池主要負責收集陽光。把很多的電池合在一起就構成了光伏器件。光伏器件又可以分為單晶硅、多晶硅和非晶硅組件。其中單晶硅器件具有較高的電池轉換效率、穩(wěn)定性，但是其成本昂貴。多晶硅器件具有較高的生產效率，但其轉換效率低，優(yōu)點是成本不高。非晶硅器件的優(yōu)點是簡單的生產工藝，較高的生產效率，最低的生產成本，缺點是轉換效率不高。與晶體硅相比，非晶硅光伏器件具有比較好的弱光性，較長的日發(fā)電時間，但受目前市場的局限，計算專用于非晶硅發(fā)電量的軟件及公式還沒有問世。經(jīng)過比較以上電池器件的各方面性能，本項目決定選擇275Wp多晶硅太陽能電池組件。

圖3

表2 太陽能電池組件參數(shù)

4.3.2 逆變器的選型

本工程所建設的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用帶功率流向檢測的并網(wǎng)模式，光伏系統(tǒng)所發(fā)電能由樓內用電設施就地消耗。逆變器選用最大直流輸入功率175kW，電網(wǎng)工作電壓范圍380（±10%）V，電網(wǎng)工作頻率范圍50（± 0.5）Hz，功率因數(shù)>0.98，電流總諧波畸變率THD<3%。

4.4 光伏并網(wǎng)要求

（1）有功功率

全部裝機容量指的是小型光伏發(fā)電系統(tǒng)10min內，有功功率變化的最大限值，1min內有功功率變化最大限值為0.2MW。

（2）無功功率

當有功功率大于額定功率一半時，功率因數(shù)大于0.98，輸出有功功率在20～50%之間，功率因數(shù)大于0.95。

（3）電壓范圍

按照表3要求的時間停止向電網(wǎng)線路送電。

表3 電網(wǎng)電壓異常時的要求

（4）頻率范圍

并網(wǎng)點頻率超過49.5～50.2Hz范圍時，應在0.2s內停止向電網(wǎng)線路送電。

5 結束語

本文通過東莞地區(qū)分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)的設計，結合國家現(xiàn)有的分布式光伏接入技術的經(jīng)典設計案例，針對分布式光伏接入對系統(tǒng)帶來的影響，詳細分析了分布式光伏發(fā)電接入技術系統(tǒng)的設計方案。由于條件和時間有所限制，本文只研究了光伏發(fā)電站直接接入380V電網(wǎng)，仍需要進行進一步的研究完善直接接入10kV電網(wǎng)方面的工作，另外分布式光伏在不同的方式接入、不同的電壓等級對電網(wǎng)的綜合性影響將是同行今后的主要研究方向。

最后，以前期試點工程為基礎，分布式光伏接入技術的發(fā)展應形成一定的施工及運行經(jīng)驗，并分析總結運行中的項目，從而解決實際中突發(fā)的問題。同時發(fā)布與分布式光伏發(fā)電相關的技術、運維、設計、試驗等方面的標準，循序漸進的推廣分布式光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的大規(guī)模接入。

[1]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發(fā)電及其并網(wǎng)技術綜述[J].電網(wǎng)技術，2008，32（15）：71～76.

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1004-7344（2016）15-0057-03

2016-5-12