分布式光伏發電并網系統研究與設計

李冉

摘要：作為電力需求的大國，中國在光伏發電技術上的應用逐步走向前列，其入網設計等級涵蓋當前的各個電壓等級。但是，為了實現分布式光伏柔性并網，科學地制定并網接入方案方面的研究比較少。因此，需要加強分布式光伏發電并網的設計，使其構成一個站用電微網系統，形成一種變電站輔助設備新型高效節能用電的解決方案，能有效為變電站提供一個高效、可靠、安全、經濟的供電環境。文章就此進行分析。

關鍵詞：分布式；光伏發電并網系統；設計

1 分布式光伏并網發電系統簡介

1.1 光伏并網發電系統工作原理

光伏并網發電系統一般由太陽能電池組件、并網逆變器等組成。有些系統還包括匯流箱、數據采集系統、數據交換系統、運行顯示和監控等設備。光伏并網發電方式是將太陽能電池陣列所發出的直流電通過逆變器轉變成交流電能輸送到電網中。

1.2 太陽能電池工作原理

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化為電能的裝置。太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏特效應。其基本原理是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現電壓，叫做光生電壓。光能以產生電子空穴對的形式轉變為電能。

1.3 逆變器工作原理

逆變器是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于把直流電轉換成交流電。逆變器主要由晶體管等開關元件構成，通過有規則地讓開關元件重復開-關（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。一般還需采用高頻正弦脈寬調制，使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內始終讓開關元件按一定頻率朝一方向動作，這樣形成一個脈沖波，然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。同時，光伏并網發電系統采用的并網逆變器擁有自動相位和電壓跟蹤裝置，能夠非常好地配合電網的微小相位和電壓波動，不會對電網造成影響。

2 分布式光伏發電并網設計要點

2.1 設計入網問題

接入電壓等級及接入變電站選擇是分布式光源并網的重點，依據國家電網公司給出的分布式電源接入相關要求，從電網優化設計方案出發，綜合合理考慮周邊電網的結構、周邊的路徑現狀及城市規劃布局。如本文提到的黃石鐵山光伏接入系統的裝機容量為50MVA，同時考慮周邊無35kV電壓等級，考慮從110kV電壓接入。黃石鐵山光伏接入系統周邊有2座220kV變電站、2公用3專用共5座110kV變電站，設計從間隔使用及擴建角度出發，考慮了110kV、220kV變電站實際間隔情況，然后根據變電站的距離、運行情況、線路及變電站的負載率出發。

2.2 設計路徑問題

路徑選擇是接入系統報告面臨的一項重要問題，可行的路徑及最優的路徑方案，不僅要滿足國網要求的線路典型設計（雙聯絡、單環網、雙輻射等），更要使得線路設計最優化、經濟最優化，為達到以上要求，本文涉及的可研從鐵山城區通過，從導線選擇上可選用架空線及電纜，從線路廊道上可直接從城區主干網絡通過也可從山邊沿綠化道通過（線路相對前者超20%），通過技術性及經濟性比較，最終選用了較為經濟的架空線路，避免從城區與水網、石油管道及地下通信電纜相交叉現象。

2.3 繼電保護設計

光伏電源的并網會造成電網的結構及短路電流的大小、流向發生變化，配電網也從原來的單電源系統變成多電源系統。分布式電源側宜配置相應的繼電保護裝置，且配電網原有的系統保護和重合閘裝置需相應地調整，并需要具有方向性，確保配電網保護能準確、快速地切除故障。

2.3.1 繼電保護配置

35/10kV電壓等級接入時，若光伏側設有母線，不必配置專用的母線保護裝置。當發生故障時，通過光伏的后備保護（線路保護）切除故障；并網點處需配置安全自動裝置，若線路保護具備失壓跳閘及低壓閉鎖合閘功能，也可不配置單獨的安全自動裝置。

專線接入時，線路保護需配置方向過電流保護（或距離保護，若靈敏度要求較高時，也可以配置縱差保護）。T接于配電網線路的分布式電源側應配置電流速斷保護。

2.3.2 電壓波動率計算

光伏電源輸出功率受光照影響大，具有波動性、間歇性的特點，會引起電網電壓的波動和閃變。根據Q/GDW11147-2013《分布式電源接入配電網設計規范》的要求，光伏接入公共連接點造成的電壓波動率dPV不能超過5%。GB/T12326-2008《電能質量電壓波動和閃變》給出了電壓波動率d的計算公式：

式中：ΔSi為三相負荷變化量，即指光伏工作容量，由于各電氣設備和電纜會造成電力損耗，光伏系統的發電效率通常≤80%，因此，光伏工作容量可以按照安裝容量PCOI的0.8倍計算。Ssc為公共連接點在正常較小方式下的短路容量，可以按照0.7倍的最大短路容量計算。

2.4 光伏接入系統的穩定性設計

考慮光伏接入系統的穩定計算問題，光伏接入是否帶來電壓的異常、是否對調度的運行產生大的影響等。光伏接入的電壓等級、變電站的負載能力、是否升壓、是否倒供、是否改變電壓大小等均是設計考慮的主要問題。因光伏發電具備點多面廣問題，因此在接入電網系統中不再是像發電廠那樣得升壓作為電源首端輸出電能，分布式光伏發電將根據地理優勢，廣布點接入電網，因此電能質量、頻率、電壓穩定等均成為分布式電源的校驗重點。本文舉例工程從220kV鐵山變入網，該220kV常供110kV電能為61.5MW，大于光伏發電的最大負荷50MW，因此在傳送時不考慮其電能送往上級情況，但在此電壓變化中，需考慮電壓由光伏側至鐵山變電站側的電壓降，對加入無功補償或調壓器對電壓進行補償，以降低電壓波動，滿足電壓電能傳送標準。

綜上，光伏發電是我國重要的戰略性新興產業，大力推進光伏發電應用對優化能源結構、保障能源安全、改善生態環境、轉變城鄉能耗方式具有重大戰略意義。

參考文獻：

[1]張弼宏.并網分布式光伏發電系統的選型及配置方案研究[J].電工技術，2016，08：108-109.

[2]記者馬俊婭.個別地區分布式光伏發電并網困難[N].中國電力報，2016-08-01003.