分布式光伏接入技術(shù)在電網(wǎng)中的實(shí)踐應(yīng)用

顏陽(yáng)委

（東莞電力設(shè)計(jì)院 廣東東莞 523413）

分布式光伏接入技術(shù)在電網(wǎng)中的實(shí)踐應(yīng)用

顏陽(yáng)委

（東莞電力設(shè)計(jì)院 廣東東莞 523413）

近年來(lái)雖然國(guó)內(nèi)外在分布式供電的計(jì)算仿真、并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、分布式供電技術(shù)的試驗(yàn)、分布式電源的設(shè)備測(cè)試、分布式供電對(duì)電能質(zhì)量的影響等方面取得了很大進(jìn)展。但在分布式電源的運(yùn)行控制、配電網(wǎng)規(guī)劃、虛擬電廠、繼電保護(hù)、通信技術(shù)、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(shí)際化應(yīng)用還存在很大距離。本文從具體工程實(shí)施角度出發(fā)，重點(diǎn)研究光伏發(fā)電在廣東東莞地區(qū)的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。依托實(shí)際工程，提出實(shí)際應(yīng)用中可能碰到的問題并提出解決方案。

分布式；工程實(shí)施；光伏發(fā)電

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺、能源安全以及環(huán)境保護(hù)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(guó)能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一。分布式發(fā)電技術(shù)為風(fēng)能、太陽(yáng)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(shù)手段；同時(shí)，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(zhǎng)，分布式電源對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響也日益嚴(yán)峻和凸顯。在電網(wǎng)故障情況下，分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生跌落或抬升，甚至并網(wǎng)點(diǎn)的頻率也將發(fā)生異常。因此，電網(wǎng)故障會(huì)給分布式電源機(jī)組帶來(lái)較為強(qiáng)烈的暫態(tài)過(guò)程，出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)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(jī)組的自身安全，同時(shí)避免分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)保護(hù)與控制帶來(lái)的影響，IEEE 1547-2003規(guī)定：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，分布式電源應(yīng)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(shí)現(xiàn)故障緊急情況下對(duì)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(shì)。同時(shí)，目前分布式電源的并網(wǎng)容量已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，且在未來(lái)還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，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(huì)進(jìn)一步加劇功率失衡，危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 光伏發(fā)電原理

根據(jù)光生伏特效應(yīng)，太陽(yáng)能電池板能夠吸收光子產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)能光伏陣列通過(guò)吸收光能，發(fā)出直流電流，直流電流轉(zhuǎn)化為交流電流之后，通過(guò)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(duì)于光伏電站容量較大的，例如整個(gè)系統(tǒng)由很多光伏模塊組成的兆瓦級(jí)大系統(tǒng)，利用大系統(tǒng)來(lái)控制方案從而使全部逆變器能夠并聯(lián)運(yùn)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(guò)協(xié)作運(yùn)行來(lái)達(dá)到統(tǒng)一調(diào)度控制的結(jié)果。由于運(yùn)行環(huán)境的狀況改變，變壓器和逆變器會(huì)設(shè)計(jì)成幾種方案，由此通過(guò)通訊系統(tǒng)的調(diào)度，解決了由于日照強(qiáng)度高低變化所引起的效率問題，保證系統(tǒng)可靠、及時(shí)、高效的運(yùn)行。通過(guò)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(shí)整個(gè)過(guò)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(diǎn)

（1）輸出功率較小，分布式光伏電站項(xiàng)目的容量一般不超過(guò)數(shù)千千瓦。光伏電站容量的多少與發(fā)電效率的關(guān)系不大，這與高電壓的電站有所不同，因此對(duì)其經(jīng)濟(jì)性不會(huì)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(duì)環(huán)境的污染、破壞小。利用太陽(yáng)光能分布式光伏電站項(xiàng)目得以運(yùn)行，在運(yùn)行中噪音低，不會(huì)產(chǎn)生污染和破壞空氣、水等資源物質(zhì)。

（3）有效的緩解了部分地區(qū)用電緊張的狀況。不過(guò)由于分布式光伏發(fā)電的能量密度相對(duì)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(dǎo)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(guò)升壓接入輸電網(wǎng)，大型的地面電站發(fā)電得以進(jìn)行；對(duì)于分布式光伏發(fā)電來(lái)說(shuō)，采用接入配電網(wǎng)，發(fā)電用電并存的方法，盡可能地達(dá)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(shè)計(jì)

4.1 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

4.1.1 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的準(zhǔn)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(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)點(diǎn)的選擇與至上級(jí)變電站線路總長(zhǎng)度和參數(shù)、區(qū)域配電網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式、光伏電站的安裝容量有著密切關(guān)系。尤其當(dāng)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(luò)的架空線路多分段多聯(lián)絡(luò)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(zhì)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(guò)合理的控制接入電源的安裝容量和電壓等級(jí)，使光伏電源對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的沖擊能夠有效降低。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行工況和實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來(lái)選取光伏電源的滲透率。經(jīng)過(guò)多次仿真計(jì)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(yīng)小于上級(jí)變電站中最小單臺(tái)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(yīng)小于該線路最大輸送容量的30%。并網(wǎng)電壓等級(jí)如表1所示。

表1 光伏電源并網(wǎng)電壓等級(jí)

4.1.2 結(jié)構(gòu)輕巧而穩(wěn)定原則

穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)不僅能夠保證安全，而且也能產(chǎn)生出一種所特有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的美感，失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)會(huì)讓人覺得有危機(jī)感，造成緊張的氛圍，給人一種很不愉悅的感覺。但過(guò)于粗放、保守的設(shè)計(jì)又顯得累贅、笨拙，缺乏靈氣，也會(huì)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(shù)的主要應(yīng)用在光伏屋頂上。發(fā)電是其主要功能，特別是太陽(yáng)能電池發(fā)電，既不會(huì)產(chǎn)生對(duì)溫室效應(yīng)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(yán)重影響著整個(gè)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(dāng)太陽(yáng)能屋頂?shù)哪硞€(gè)局部受到損害時(shí)，組件板塊靈活方便地進(jìn)行拆卸更換，與系統(tǒng)的功能保持良好，結(jié)構(gòu)保持原樣等因素密切相關(guān)。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)實(shí)用性，使發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值有所提高。確保資金投向合理，在符合國(guó)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(guān)特性得以發(fā)揮，才能達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)利益。在該工程中，精心研究、集中優(yōu)勢(shì)。

4.2 接入系統(tǒng)方案和建設(shè)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(yáng)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(xiàng)目中樓頂光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電流，然后通過(guò)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(guò)采用MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)，逆變器使光伏陣列保持在最佳輸出狀態(tài)，同時(shí)將直流電轉(zhuǎn)換成為與電網(wǎng)相位和頻率都一樣的交流電流，從而達(dá)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(tái)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(cè)電網(wǎng)的頻率、電壓、功率因數(shù)、逆變器輸出電流等側(cè)運(yùn)行參數(shù)，及太陽(yáng)福射溫度、強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)。

（2）建設(shè)規(guī)模

東莞市石碣鎮(zhèn)臺(tái)達(dá)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(shè)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(dá)廠及停車棚安裝1168.65kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，均采用用戶側(cè)0.4kV并網(wǎng)方式，自發(fā)自用為主，供應(yīng)廠區(qū)生產(chǎn)、照明和空調(diào)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(shè)備選型

4.3.1 太陽(yáng)能電池組件

電池是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中最重要組成部分，是電池主要負(fù)責(zé)收集陽(yáng)光。把很多的電池合在一起就構(gòu)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(zhuǎn)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(chǎn)效率，但其轉(zhuǎn)換效率低，優(yōu)點(diǎn)是成本不高。非晶硅器件的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，較高的生產(chǎn)效率，最低的生產(chǎn)成本，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)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(zhǎng)的日發(fā)電時(shí)間，但受目前市場(chǎng)的局限，計(jì)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(guò)比較以上電池器件的各方面性能，本項(xiàng)目決定選擇275Wp多晶硅太陽(yáng)能電池組件。

圖3

表2 太陽(yáng)能電池組件參數(shù)

4.3.2 逆變器的選型

本工程所建設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用帶功率流向檢測(cè)的并網(wǎng)模式，光伏系統(tǒng)所發(fā)電能由樓內(nèi)用電設(shè)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(jī)容量指的是小型光伏發(fā)電系統(tǒng)10min內(nèi)，有功功率變化的最大限值，1min內(nèi)有功功率變化最大限值為0.2MW。

（2）無(wú)功功率

當(dāng)有功功率大于額定功率一半時(shí)，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(shí)間停止向電網(wǎng)線路送電。

表3 電網(wǎng)電壓異常時(shí)的要求

（4）頻率范圍

并網(wǎng)點(diǎn)頻率超過(guò)49.5～50.2Hz范圍時(shí)，應(yīng)在0.2s內(nèi)停止向電網(wǎng)線路送電。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)東莞地區(qū)分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合國(guó)家現(xiàn)有的分布式光伏接入技術(shù)的經(jīng)典設(shè)計(jì)案例，針對(duì)分布式光伏接入對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響，詳細(xì)分析了分布式光伏發(fā)電接入技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。由于條件和時(shí)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(jìn)行進(jìn)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(jí)對(duì)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(diǎn)工程為基礎(chǔ)，分布式光伏接入技術(shù)的發(fā)展應(yīng)形成一定的施工及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并分析總結(jié)運(yùn)行中的項(xiàng)目，從而解決實(shí)際中突發(fā)的問題。同時(shí)發(fā)布與分布式光伏發(fā)電相關(guān)的技術(shù)、運(yùn)維、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等方面的標(biāo)準(zhǔn)，循序漸進(jìn)的推廣分布式光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的大規(guī)模接入。

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1004-7344（2016）15-0057-03

2016-5-12