淺析光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

高子元

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

引言

光伏發(fā)電就是通過利用光電技術(shù)來實現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)化，以此來提供綠色清潔能源。光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，具有更高的安全性可靠性，并且不會產(chǎn)生污染和大量的噪聲，還可以廣泛應(yīng)用于沙漠、戈壁等環(huán)境惡劣的地區(qū)。為大幅度降低電力損耗，保護電力資源，完善電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電和并網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合成為我國電網(wǎng)建設(shè)的重要措施[1]。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 光伏發(fā)電簡介

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是由繼電保護裝置、太陽能光伏列陣、控制器、逆變器、儲能裝置、配電柜以及最大功率點跟蹤裝置等部分組成。

太陽能光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，太陽能光伏陣列由太陽能光伏電池串并聯(lián)形成。最初的光伏電池原材料為硅，用硅作為襯底，成本高、損耗大，故對光伏電池進行改進后，當(dāng)前普遍應(yīng)用的光伏電池內(nèi)部由薄膜電池和晶體硅構(gòu)成，不僅可以減小損耗，還可以提高光伏轉(zhuǎn)化效率[2]。最大功率點裝置是為了能夠高效利用太陽能源，使光伏陣列在系統(tǒng)運行過程中時刻保持最大功率輸出。儲能裝置的主要作用就是對電能進行控制，例如當(dāng)太陽能源充足時，可以利用儲能裝置將電網(wǎng)中多余的電能儲存起來，當(dāng)太陽能源匱乏時，通過逆變器再將儲存的電能釋放出去，以此來保證發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行[3]。逆變器可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過變壓器轉(zhuǎn)化成供人們?nèi)粘Ｊ褂玫臉藴式涣麟妷汉皖l率。

1.2 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)設(shè)計介紹

1.2.1 子系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏模塊子系統(tǒng)、逆變器并網(wǎng)子系統(tǒng)、直流配電子系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成[4]。其中，逆變并網(wǎng)子系統(tǒng)起著核心作用，這個子系統(tǒng)可以將系統(tǒng)中產(chǎn)生的380 V 三相交流電，通過升壓變壓器進行電能并網(wǎng)轉(zhuǎn)換。

1.2.2 主設(shè)備

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，對于主設(shè)備的選擇要進行多方面考量。一方面，為降低成本，可以選擇容量大的器件。另一方面，減小主設(shè)備發(fā)生故障時對系統(tǒng)的沖擊，又不可以選擇容量過大的器件。故綜合考慮，選擇容量相對較大且與系統(tǒng)的適配性較高的設(shè)備。并網(wǎng)逆變器作為主設(shè)備的核心設(shè)備，還應(yīng)具有過電壓保護、過電流保護、頻率保護等保護功能。光伏電池組件與并網(wǎng)逆變器之間的“橋梁”，是直流配電監(jiān)測裝置，它可以保證系統(tǒng)工作的安全性。同時，并網(wǎng)逆變器最好獨立分散成并網(wǎng)的形式[5]，用來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

1.2.3 增壓系統(tǒng)

通過增壓系統(tǒng)中的升壓變壓器可以將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成滿足需求的交流額定電壓。升壓變壓器的變比和類型選取要根據(jù)實際發(fā)電量來決定，一般選取箱型干式變壓器。升壓變電站采用分層設(shè)計的原理，上層作為監(jiān)測逆變器的逆變工作室，下層是配電工作室[6]。對于高壓進線柜一般選取中置式空氣絕緣開關(guān)柜，對于低壓進線柜一般選取低壓抽出式開關(guān)柜，同時，引入計算機網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進行監(jiān)測，通過分析利用監(jiān)測得到的線路電壓、電流以及頻率、溫度等信息，控制升壓系統(tǒng)。

1.2.4 保護措施

為保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要有一系列的保護措施。例如：通過安裝能夠?qū)崿F(xiàn)自動保護的安全裝置，保護高溫跳閘時的開關(guān)柜和變壓器。安裝測控保護裝置，可以應(yīng)對電壓過高或過低、頻率過高或過低現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

1.2.5 防雷接地

電氣設(shè)備要安裝接地裝置、避雷帶等避免雷擊，保護工作人員的安全。

1.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)

光伏發(fā)電并網(wǎng)就是把太陽能和電能聯(lián)系在一起，把光伏發(fā)電和并網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系在一起，給電力系統(tǒng)提供有功功率和無功功率，實現(xiàn)太陽能資源向電能資源的轉(zhuǎn)化。在變壓器的作用下，使電能資源和電網(wǎng)電壓相一致，保證電壓在電力系統(tǒng)中的正常傳送。

光伏發(fā)電需要利用電網(wǎng)供給電能，在并網(wǎng)過程中存在一系列問題，會導(dǎo)致電能穩(wěn)定性、可靠性受到一定的影響。以下著重從電網(wǎng)質(zhì)量問題、對配電網(wǎng)的影響、電網(wǎng)的調(diào)度問題三個方面來進行分析。

2 電網(wǎng)質(zhì)量問題

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化成電能供人類使用，在實際并網(wǎng)過程中要求電流要和電力系統(tǒng)的電流、頻率及相位保持一致。但在并網(wǎng)和電網(wǎng)的互相影響下會產(chǎn)生諧波，當(dāng)諧波的量積累到一定程度時，將會演變成諧波污染。現(xiàn)階段，我國針對電壓（相電壓）和諧波畸變率對應(yīng)關(guān)系有著明確的標準，如表1 所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

為避免諧波危害，在并網(wǎng)運行前應(yīng)提前做好諧波的計算和檢測工作，可以安裝濾波設(shè)備來避免諧波污染。同時，在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，要對諧波進行實時監(jiān)測，控制諧波畸變率在規(guī)定范圍內(nèi)，可以從以下兩個方面對電流諧波含量進行控制：一是在逆變器中運用諧波抑制電路和功率因素校正電路，二是在供電設(shè)備處對高次諧波進行處理[8]。

光伏發(fā)電極易受到環(huán)境因素的影響，而產(chǎn)生電壓波動。例如：在陰雨天氣里，太陽被云層遮擋，導(dǎo)致太陽光照減弱，則光伏電源的功率就會大幅度降低。反之，在晴朗天氣太陽光照強烈時，光伏電源的功率就會大幅度升高。此類情況的出現(xiàn)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大頻率的波動。

在并網(wǎng)正式運行過程中，要根據(jù)外界溫度、光照、季節(jié)和氣候等因素的影響，進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，對電壓波動進行嚴格的計算和記錄，結(jié)合實際情況對電壓波動進行控制和補償。

3 配電網(wǎng)影響

3.1 潮流

配電網(wǎng)是在電力系統(tǒng)中起分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)，一般采用閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行，結(jié)構(gòu)一般呈輻射狀。潮流是用來表示電力系統(tǒng)的一個穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，支路潮流電壓具有單向流動的特性，即隨著與發(fā)電廠距離的增大，電壓功率等參數(shù)逐漸下降。但是，當(dāng)電網(wǎng)中接入光伏電源后，情況有所不同。當(dāng)接入電源后，線路上的傳輸功率減少，可能會使節(jié)點電壓升高，導(dǎo)致潮流方向的變化變得不可預(yù)測，即電壓降落和電壓調(diào)整難以計算，致使電壓調(diào)整設(shè)備出現(xiàn)錯誤，同時，還可能導(dǎo)致變壓器電壓、容量超量程等問題，這些情況都會使發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性受到影響。

為應(yīng)對光伏發(fā)電過程中的隨機性和波動性，需要發(fā)電系統(tǒng)中具備足夠的調(diào)峰電源和調(diào)頻機組，當(dāng)出現(xiàn)末電壓升高引起潮流方向變逆，電壓倒送情況時，通過調(diào)整變壓器的調(diào)壓開關(guān)，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)和無功補償裝置配合使用，降低傷害。

3.2 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)就是在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，因出現(xiàn)突發(fā)狀況強迫電網(wǎng)中斷供電，但發(fā)電系統(tǒng)不會突變，仍舊維持著負載供電模式，一直向外界輸出電能，此種情況被稱為“孤島效應(yīng)”。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)在“孤島狀態(tài)”運行時，將對配電網(wǎng)和負載造成極大的危害。

1）電網(wǎng)內(nèi)部的電壓和頻率變得不穩(wěn)定且無法控制，會給設(shè)備運行帶來威脅。

2）由于處于孤島狀態(tài)中的供電系統(tǒng)依然帶電，可能會給工作人員的安全造成危害，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3）當(dāng)故障解決、恢復(fù)正常工作時，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重新并網(wǎng)，此時可能會因相位等參數(shù)不一致，引起極大的電流沖擊[9]。

針對孤島效應(yīng)，研究其解決方法和保護措施顯得尤為必要。保護措施可以采用反孤島保護技術(shù)，這種技術(shù)可以在危險出現(xiàn)時及時控制電網(wǎng)進入停止?fàn)顟B(tài)，避免了電壓不穩(wěn)的情況出現(xiàn)。孤島檢測方法可以分為主動型和被動型。主動型檢測法主要包括有源頻率偏移法（AFD）、滑膜頻率偏移法（SMS）和帶正反饋的有源頻率偏移法（AFDPF）等。被動型檢測法主要包括高低頻檢測、相位突變檢測和電壓諧波檢測等。

4 電網(wǎng)調(diào)度問題

現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有自動調(diào)度功能，不能控制和參與電網(wǎng)頻率、電壓的調(diào)整，從而加大了電網(wǎng)調(diào)度的難度。在實際運行中，可能會有大規(guī)模、大容量甚至不同類型的分布式光源接入配電網(wǎng)。因此，要提高配電網(wǎng)對此類光伏電源的消納能力，也可以利用風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)，對分布式光伏電源和分布式電源進行協(xié)調(diào)運行[10]。在高級配電網(wǎng)運行時，可以對新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的互聯(lián)、接口、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在不同用戶、不同電壓波動下的情況進行研究。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電形式的一種，因其獨特的優(yōu)勢和特點具有廣闊的發(fā)展前景。但是，在光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)結(jié)合時，會產(chǎn)生一系列問題，接入電網(wǎng)后引起的電壓波動和孤島效應(yīng)將會給配電網(wǎng)帶來不小的影響。針對以上問題，可以通過安裝濾波設(shè)備、運用校正電路、調(diào)整電壓開關(guān)和運用反孤島技術(shù)等方法，確保電能質(zhì)量，實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、可靠運行。