分布式光伏發電的現狀分析及技術改進研究

向萌

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430000）

1 引言

作為典型的自然能源，太陽能具有污染可控、能耗低、發電期間不會產生有害物質等優勢，由此而衍生出的光伏發電產業也呈現出了極為迅猛的發展勢頭。事實證明，分布式發電可使太陽能得到最大程度的開發，確保太陽能盡快轉化成電能并供居民使用。可以預見的是，未來該技術將得到更加廣泛的運用，因此，圍繞該技術的不足展開討論很有必要。

2 分布式光伏發電現狀

我國太陽能十分豐富，在政府大力扶持光伏發電產業的當下，光伏發電相關技術均得到了長足的進步，其中，最具代表性的是分布式光伏發電技術。其優勢主要是能夠解決各地區日照長度、太陽能儲量不均的情況，通過對各構件進行科學布設的方式，使太陽能得到充分開發，由此來保證光伏發電的經濟效益。

但由于我國引入分布式光伏發電技術的時間較晚，在利用該技術對光伏發電相關項目進行開發時，仍有亟待解決的問題存在，例如，有關人員未能做到嚴格管控組件質量，導致不達標組件進入項目，使發電系統的穩定性和安全性受到負面影響[1]；太陽能不穩定，光伏發電期間極易出現電網波動的情況，進而使發電系統難以正常運行；在儲存電能、并網的過程中，光伏電網的電壓不固定，這一問題同樣影響著光伏發電優勢的發揮。

現階段，亟待解決的問題主要包括以下兩個：（1）除特殊情況外，集中進行供電的配電網均存在電力輻射的情況，若配電網處于正常運行狀態，其電壓將沿功率傳輸方向緩慢下降，但運用分布式光伏發電技術后，電網內將形成多個電源節點，同時傳輸功率潮流的變化方向也發生了改變，使各節點對應電壓不斷變化，若不盡快解決該問題，將導致電壓偏壓持續增大，進而對電網的安全性造成不利影響。（2）若供電系統因故停止運行，但光伏發電仍處于供電狀態，會造成孤島現象。一般來說，孤島現象主要分為非計劃性和計劃性兩類，非計劃孤島往往難以預測。此外，考慮到主網難以做到有效控制孤島輸電頻率和電壓，隨著孤島現象存在時間的增加，其他設備受損的概率將大幅提高。

3 分布式光伏發電的技術改進探究

3.1 科學調壓

分布式光伏發電的性質較為特殊，極易由于自然光能的影響而出現發電不穩定的情況。對電力資源進行并網期間，頻繁變化的光伏電壓對電網所產生的影響有目共睹，若不盡快解決該問題，將在極大程度上降低項目的安全性。鑒于此，有關人員指出，應酌情引入調壓技術。簡單來說，就是利用電壓調節器對電力進行控制，縮小電壓波動范圍。長期處于高效運行狀態的發電系統較易發生線路輕載或類似情況，以往在電網末端安裝調壓設備的方法，會導致光伏電網在并網期間所形成電壓超出限值，進而使并網效果和可靠性受到負面影響[2]。為避免上述情況出現，有關人員最終決定以發電系統呈現出的運行狀態為依據，在儲能階段增設調壓器，利用調壓器對電壓波動加以控制。事實證明，此舉可使發電系統具有更加理想的穩定性及安全性，需要引起重視。

3.2 孤島保護

要使光伏發電存在的不足得到彌補，關鍵是明確問題成因，同時制訂相應的改進方案。研發孤島保護相關技術的初衷主要是杜絕并網期間兩者出現短暫失聯，導致光伏電網失去獨立運行的能力。對該技術加以運用，可在極大程度上提高光伏電網的穩定性及安全性，通過主動切斷連接設備的方式，使維護及檢查工作得到高效開展。若存在計劃外的孤島運行情況，則要對電網處于該工況時對電氣設備、工作人員所產生的影響進行分析，從而制訂切實可行的預控計劃，同時針對常見事故，擬定相應的處理方案，為光伏電網的長期運行提供保障。

3.3 光伏列陣

若光伏電站所用支架為固定支架，待安裝組件、支架的工作告一段落，將無法再次調整方陣傾斜角度，由此可見，提前確定符合實際情況的傾斜角度極為重要。在此過程中，要先對當地最佳傾角、陣列間距進行計算，計算方法如下。

3.3.1 最佳傾角

導致光伏發電難以大范圍推廣的原因，主要是其效率及成本均未能達到理想水平，應用固定光伏方陣前，先要確定陣列傾斜角度[3]。為保證太陽輻射量達到預期，可選擇以下公式對斜面輻射總量Ht進行計算：

式中，Hbt為太陽散射傾斜面的輻射量；Hdt為太陽直射傾斜面的輻射量；Hrt為地面反射對應輻射量；Rb為直射傾斜面和水平面的輻射量之比；Hb為氣象站觀測所得水平面直射輻射初始值；Hd為氣象站觀測所得水平面散射輻射初始值；H0為大氣層以外水平面對應輻射量；H為水平面對應太陽輻射總量，由氣象臺提供；ρ為地面反射率，通常為0.2，實際工作中，可根據地面狀態進行調整，相關數值見表1；ωs′為傾斜面對應日沒時角；ωs為水平面對應日沒時角；φ為電站緯度，南半球的取值為負，北半球的取值為正；β為組件傾角；δ為赤緯角。

表1 不同狀態地面所對應反射率

實際工作中，有關人員應根據當地情況，對不同陣列方位角對應輻射總量進行計算，由此確定陣列安裝方向，通過酌情調整傾角的方式，確保輻射量可達到預期水平。

3.3.2 陣列間距

北半球所安裝光伏方陣均面向正南方向，只有保證傾角合適，才能使斜面所接受輻射量達到預期。另外，為避免前后排間出現陰影遮擋的情況，導致發電系統無法高效運行，應對陣列間距進行計算，確保冬至日9∶00～15∶00，陣列不會出現遮擋問題。以光伏電站所對應太陽位置、地理坐標還有方陣高度為依據，利用下列公式對間距D進行計算：

式中，H′為陣列高度；L為陣列實際寬度；d為陰影長度；β′為陣列當前傾角。

在圖1中，D為間距；αs為太陽光線與地平面夾角。出于降低計算難度的考慮，利用VB程序對計算組件間距的方法進行編寫，只需在所編寫程序內輸入陣列傾角、寬度及緯度，便可得出包括陣列間距最小值、垂直高度還有陰影長度在內的相關數值。

圖1 組件間距示意圖

3.3.3 發電量和傾角的關系

本文所討論分布式光伏電站與常規電站的區別，主要是其能夠最大限度地接近用戶，減少電能運輸期間的損耗量。現階段，國內多數發電系統均建設在屋頂上，由于可供使用的場地面積較小，電站容量往往難以達到預期，鑒于此，應盡快提高電站的發電量。

某廠區內車棚的平面圖如圖2所示。有關人員計劃在該區域建設光伏車棚，該項目的占地面積約為1 035 m2。對光伏方陣進行布置的形式有兩種，分別是橫向布置和豎向布置，各方案占地面積大致相同，本項目計劃采取橫向布置方案。為保證所獲得太陽輻射達到預期，應朝南布置列陣，同時確保其傾斜角度達到最佳。實地勘測結果表明，發電量、裝機容量和傾角間的關系如圖3所示。

圖2 廠區內車棚的平面圖（單位：m）

由圖3所傳遞信息可知，電站容量和傾角度數的關系為負相關，土地利用率也會隨著傾角度數的增加而降低。在傾角為最佳值時，發電量、裝機容量均為最小值，若將傾角改為0°，則發電量、裝機容量可達到最大值。導致上述情況出現的原因，主要是陣列間距將隨著傾角度數的加大而加大，裝機容量隨之減少。由此可見，在預留空間有限的情況下，可酌情減小傾角度數，增加發電量以及裝機容量，為土地利用率提供保證。

圖3 發電量、裝機容量和傾角間的關系

在光伏技術持續發展的當下，組件所具有的發電效率也較以往有所提高，土地成本給電站所產生影響有目共睹，要想在對土地進行充分利用的前提下，使發電量達到預期水平，應明確以下內容：（1）在可供使用的面積有限的情況下，發千瓦發電量和單位面積所對應發電量的關系為互逆；（2）在確定傾角時，不應僅考慮組件或土地利用率，還要參考地貌地形和氣象條件，同時對發電成本加以分析，確保發電系統可實現長期、穩定的運行。

4 結語

通過上文的分析能夠看出，在開發分布式光伏發電相關項目時，為保證電網始終處于穩定且安全的運行狀態，有關人員應對現有技術進行相應的改進，通過科學調壓還有孤島保護等方式，使光伏發電的價值得到最大化的體現。