分布式光伏發電的現狀分析及技術改進研究

田豐

（內蒙古上海廟礦業有限責任公司榆樹井煤礦，內蒙古鄂爾多斯 016200）

0.引言

我國西部地區擁有豐富的太陽能，光伏發電效益顯著，而分布式光伏發電能夠有效解決太陽能分布不均的問題，在科學合理的設計下實現太陽能的最大化開發利用，提高光伏發電的經濟效益。

1.分布式光伏發電發展現狀

分布式光伏發電項目所具有的分散化能源供應能力逐漸替代非專業化的光伏電站建設，成為諸多企業開展光伏發電的主要方向。近年來光伏產業一直是高度的政策驅動產業，在政府遏制盲目性投資、出臺平價上網等政策后，企業在分布式光伏發電建設中不斷探究技術的發展進步與成本控制，以求達到高質量的經濟效益。從光伏發電發展的大環境來看，分布式光伏發電項目開發過程中出現了一些問題，影響到光伏發電系統的運行質量與安全，而且光伏發電本身受限于太陽能的不穩定性會對電網并網造成一定影響，需要在最大限度收集太陽能的同時降低電網運行的風險系數。榆樹井煤礦沒有盲目建設分布式光伏發電項目，而是在完場項目現場調研，編制分布式光伏發電項目可行性研究報告，通過市場調研，選取適合單位實際情況的光伏板、匯流箱、計量柜等軟硬件設備后才開始分布式光伏發電項目的建設，高質量的準備為地面分布式光伏發電系統的高效運作提供了保障，光伏板發電正常，無高出要求諧波，電壓穩定，輸出電壓380V，日發電量7548度，符合設計要求。基本上規避了分布式光伏發電項目開發過程中的常見問題，確保分布式光伏發電項目的有效運用，實現了對分布式光伏發電系統與組件設備的質量控制管理，保障了光伏發電的整體運行穩定性[1]。

2.影響分布式光伏發電效益的因素

2.1 光伏技術

“科學技術是第一生產力”，光伏發電技術以及其他技術工藝本身決定了光伏發電成本以及發電效率，隨著光伏發電項目補貼逐漸減低，在光伏發電項目的技術工藝以及材料設備對于分布式光伏發電效益的影響將會越來越大。光伏技術本身在分布式控制下雖然可以帶來一定的積極作用，但受限于技術工藝發展水平以及設備設施瓶頸因素，分布式控制技術在通信傳輸過程中的準確性和速度容易受到強電系統的電磁干擾影響。而且配電網的電壓調節技術也會影響到光伏發電效益，像是過往電壓調節多采用投切電容電抗器，沒有配置動態調節設備，這就造成電壓調節沒有對電流負荷進行預測，不僅會降低發電效率，而且可能會引起電壓超標問題。企業在分布式光伏發電項目建設中只有最大限度地優化技術工藝，確保各項技術的有效運用，才能提高光伏發電的經濟效益。

2.2 投資成本

分布式光伏發電項目的前期投資與后期運維成本均較高，雖然光伏項目能夠為投資者帶來良好的收益，但是投資前期需要采購的設備硬件較多，筆者所在地區太陽能豐富、日照時間長，年太陽輻射總量在5711MJ/m2～ 6096MJ/m2，年日照時數在3000h左右，且年平均降水量在300mm以下，獨特的氣候條件具有可觀的光伏發電效益，才在建筑、車間、停車場等屋頂設置光伏發電裝置，并直接并入礦井低壓電網，為礦井能源系統用電提供補充。隨著光伏發電項目的大規模應用與可持續發展，光伏發電的投資成本還在不斷降低，特別是在煤炭價格上升后，煤炭發電成本相比光伏發電成本在不考慮環境影響的情況下沒有顯著優勢，何況光伏發電成本隨著技術進步呈現逐漸降低的趨勢，2010—2018年，光伏組件價格下降80%左右，而且煤炭發電的環境代價容忍性較低，使得光伏發電項目在綜合經濟效益上占據發展優勢。在后期運營成本上，光伏組件設備的價格降低以及效率提升，也間接降低了后期的運營與維護成本。當然，最關鍵的依然是分布式光伏發電項目的經濟收益，除了補貼政策獲得的資金外，自發電力節省的電費以及出售多余電量的收入都伴隨著前期投資成本的降低而穩步提高，這為分布式光伏發電技術優化研究提供了經濟基礎[2]。

2.3 補貼政策

補貼是光伏發電產業迅猛發展的根本，2008—2018年，我國光伏產業發展迅速，其中補貼政策對促進發展起著至關重要的作用。光伏發電技術的進步以及補貼政策的不斷調整為分布式光伏發電項目，其中有關明確縮小補貼規模且只有被承認規模管治的光伏發電項目才享受補貼。為此，榆樹井煤礦嚴格按照國家及電力行業項目規范標準建設執行，確保所發電能質量與電網完全一致，并根據不同太陽電池陣列選用不同類型與功率的并網組件設備，保證光伏系統的直流電轉變為適合于電網的交流電，能夠享受到光伏發電的補貼政策。總體來看，光伏發電補貼正在逐漸降低，想要依靠光伏發電補貼獲取收益并不現實，只有憑借光伏發電技術優勢以及企業用電需求拉動光伏發電技術的發展才是分布式光伏發電技術發展的主要方向，不過當前在技術改進以及經濟效益計算中依然可以加入補貼資金，以此找到未來確保經濟效益和技術改進的方向。

3.分布式光伏發電技術改進策略

3.1 實施孤島保護

分布式光伏發電的規模化應用使得諸多逆變器設備并入電網，而這也產生諸多公共耦合點諧波過大、逆變器脫網、非計劃性孤島運行等問題，對電網的安全運行帶來影響。在光伏系統正常工作時，逆變器將會把發出的電能輸送至電網，而當電網故障時，系統無法及時檢測到電網狀態而繼續向電網輸送電能，就會造成系統出現孤島效應，會對整個系統中的設備造成影響甚至損壞。而孤島保護技術就是為了維持分布式光伏電網的穩定運行，主動斷開并網連接設備的一種技術。此技術需要對非計劃的孤島運行狀態有著準確的判斷，并能夠分析在孤島狀態下電網會對電氣設備造成何種影響，是否存在安全風險，為設計人員或維護人員提供安全控制數據和應急處理預案，確保分布式光伏電網的正常運行。榆樹井煤礦使用的設備防護包括DC記憶反接保護、直接輸入開關、絕緣阻抗檢測、交流短路保護、浪涌保護、防PID保護、AFCI保護等，在孤島保護技術運用中主要是通過被動過、欠壓孤島檢測或是電壓相位突變檢測方法來檢測孤島效應，這兩種方法簡單便捷，容易實現，但缺陷是對閾值設定準確度要求較高，否則容易出現檢測盲區。而在信息技術和網絡系統的發展中，通過實時監測主動實施孤島保護成為可能，通過在控制電流的幅值、頻率或相位上加入一個擾動來判斷是否存在孤島效應，正常情況下擾動受限于大電網的鉗制作用，不會造成明顯變化，而存在孤戰狀況時，擾動作用就比較明顯，以此來判斷是否發生孤島。可采用主動頻率偏移法、自動相位偏移法、GE防孤島方法、無功功率擾動法等，這些方法都能主動檢測孤島效應，根據國家光伏并網技術標準的要求，必須要設置主動和被動各一種防孤島效應保護方法，確保在電網失壓時，防孤島保護可以在2s內將光伏系統與電網斷開，保障光伏系統及其設備的安全。

3.2 增強運維管理

榆樹井煤礦大規模利用新能源，建設新能源綜合利用控制系統，實現多種能源的有效結合，而相關系統與設備的應用也帶來了電能的大量消耗，為了堅持節能減排和環境保護的基本方針，結合當地光照氣候特點，開發光伏發電來補充電能消耗，實現能耗平衡。能耗平衡的關鍵在于分布式光伏發電項目的高效運用，這就需要光伏發電運維管理的有效支撐，而技術和管理是促進分布式光伏發電項目發展的主要推動力。分布式光伏發電技術改進的關鍵在于光伏技術發展和成本控制，與技術和管理相互對應。在技術工藝改進方面，專業光伏產業自然是優化光伏技術，而客戶方面也需要注重光伏材料成本、光伏組件壽命、電池結構的研究和簡化，通過技術改進來降低材料成本，提升組件的使用期限，創新光伏發電的應用模式。例如：使用先進信息技術智能化構建分布式光伏，智能運行管理和維護，并結合企業單位的具體情況科學配置分布式光伏發電的形式，促進光伏與建筑或是其他設備的一體化系統建設，依靠企業本身特點形成自己的光伏發電優勢。而在運營管理方面，應當將大數據、云計算等信息技術應用于智能光伏發電系統之中，分析發電效率低、可靠性低等問題，并為運行和管理提供實時數據，建設智能化的光伏電力管控中心，設立基于光伏發電系統的管理標準，加入專家分析系統，使分布式光伏發電的運營管理更加完善。在系統化、一體化、規范化的分布式光伏發電管理環境中，光伏發電技術才能得到有效的支持和創新發展，比如電力系統管理人員通過手機就可以實現各個場域發電系統的監管，維護人員也可以使用手機來進行遠程訪問，監控建筑屋頂的發電設備運行情況。網絡的優勢為遠程管理與無人值守提供了幫助，減少資源投入，實現資源的有效配置[3]。

3.3 完善接入方案

分布式光伏發電項目接入系統的方案根據實際情況而定，本文以全部自用的方式提出接入系統方案。主要的接入設備包括導線、斷路器和無功補償裝置，需要根據光伏發電項目本身的發電功率以及并網電壓來決定，榆樹井煤礦的分布式光伏系統容量為1500kW，在各廠房屋頂和空閑場地配置并網逆變器和匯流箱，光伏并網電壓以380V匯入匯流箱并輸入電網，所有線路導線都經過校核，符合供電容量要求。斷路器選擇小型和萬能式斷路器兩類，具備開斷故障電流的能力，并且有低壓并網專用斷路器，具備失壓跳閘與有壓合閘功能。無功補償裝置根據不同場域之間的發電功率因素來確定，場域間發電功率因素超過0.97則無需配置無功補償裝置。其他設備及組件均符合國家及電力行業相關技術標準，具備認證報告，并且新的光伏發電項目均建設在廠區內部，只需與原有供電設施和公共電網連接即可，無需另外架設電路。在技術改進方面，并網電能表采用GPRS三相靜止式多功能電能表，精度高于0.5S級，電流互感器與電壓互感器達到0.2S與0.2級。在接入方案的優化中還需考慮分布式光伏發電產生的諧波、電壓波動等可能對電能質量產生影響的因素，可采用獨立監測系統連續24h不間斷監測并網發電系統的運行狀況以及并網逆變器的運行數據，確保分布式光伏發電系統的穩定運行[4]。另外，需要注意的是不同場域光伏發電項目接入方案存在差異，不同場域的負荷情況各不相同，部分區域可能存在用電量波動幅度較大的情況，特別是建筑較多的區域，需要通過對用電信息進行采集和數據分析，計算出24h內的有功功率，了解區域最大、最小以及平均負荷。在正常情況下光伏發電項目先要接入用電線路進行負荷供電，剩余部分用電線路進入主二次母線，不供電至公共電網，才能確保在最大負荷下光伏發電的電能可以高效運用。

3.4 優化調壓技術

調壓技術是分布式光伏發電系統中常見的一種技術工藝，受制于太陽光線的直接影響，光伏發電具有不穩定性，在電力并網中光伏電力產生較大的電力波動很容易對主電網造成一定干擾，影響到分布式光伏發電系統的可靠性。為了解決這種問題，調壓技術便是利用電壓調節器對分布式光伏發電系統進行合理控制，對處在負荷點的電壓進行控制，確保電壓產生的波動能夠處在安全范圍內，即便在光伏發電效率較高，出現線路輕載的問題，電壓調節器依然能夠保障并網過程中光伏電網的電壓低于安全電壓，保障并網工作的質量與安全。在技術層面上優化調節技術主要是采用調度自動化和系統通信技術兩種方面，自動化技術采用智能系統憑借傳感器反饋的數據自動執行調壓，不過這對系統性能和傳感器的要求較高，投入成本較大，多是在并網末端或是電網關鍵位置采用。而通過傳感器上傳電壓信息至光伏發電管理部門，由信息系統分析并反饋給管理人員判斷成為一種更加經濟的方式，只需采取相應監測與補償措施，管理人員便能使電壓滿足接入電網的要求。而在設計建設方面，可以將調壓器的接入位置安設在光伏發電儲能階段，即在開發階段便能夠合理調節與控制光伏發電的波動，保障分布式光伏發電系統并網的安全性。這需要管理人員了解分布式光伏發電系統的實際運行狀況，根據具體要求與設備系統連接，組成合理的布局，做到對電壓的精準控制[5]。

4.結語

總而言之，分布式光伏發電在太陽能資源充足的區域可以得到有效應用，而在技術運用與項目開發過程中，為了保證光伏電網的質量安全，需要了解分布式光伏發電效益的主要因素。通過合理改進技術方案，優化孤島保護技術和調壓技術，完善并網接入方案，增強光伏發電系統運維管理，促進分布式光伏發電技術的應用。