基于微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電技術(shù)研究

隋 超，趙憲國，高壽梅

（國網(wǎng)山東省電力公司沂南縣供電公司，山東 臨沂 276300）

1 微電網(wǎng)概述

近年來，社會經(jīng)濟發(fā)展的速度逐漸加快，石油化工能源被過度開發(fā)利用，隨之引發(fā)能源危機問題?；谠摫尘埃履茉醇夹g(shù)應(yīng)運而生，更多企業(yè)開始關(guān)注與應(yīng)用新能源發(fā)電技術(shù)，如光伏太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。新能源發(fā)電雖可有效解決能源危機問題，然而因為該技術(shù)本身存在發(fā)電間歇性問題，尤其是并網(wǎng)過程中極易導(dǎo)致電網(wǎng)形成電力波動現(xiàn)象，影響電能質(zhì)量和發(fā)電量。因此，提出微電網(wǎng)的概念，其核心在于多微電源同時供電，相互補充電源，可滿足小范圍的電力供應(yīng)目標(biāo)[1]。分布式光伏發(fā)電的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)即微網(wǎng)，是電壓等級為400 V 或10 kV 的一種現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是負(fù)載與保護裝置、能源轉(zhuǎn)換裝置、分布式電源以及儲能裝置等構(gòu)成的發(fā)電、配電系統(tǒng)[2]。從根本上說，微電網(wǎng)對于形式煩瑣、數(shù)量較多的分布式電源并網(wǎng)問題解決力度較大，達到分布式電源高效應(yīng)用的目標(biāo)。

1.2 微電網(wǎng)元件

靜態(tài)開關(guān)、分布式電源、功率電子設(shè)備以及儲能設(shè)備等要素共同組成微電網(wǎng)，其中分布式電源指的是負(fù)載周邊分布的一種電力，主要將其分成2 種，即非再生能源、可再生能源。儲能設(shè)備主要為飛輪儲存、超級電容量和蓄電池等[3]。在電網(wǎng)有效功率高于負(fù)載要求的情況下，就會存儲剩余電量，以維持電力供需平衡。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，可調(diào)節(jié)儲能設(shè)備頻率，從而為微網(wǎng)運行提供保障。

1.3 微電網(wǎng)的優(yōu)勢和劣勢

微電網(wǎng)是在低碳經(jīng)濟背景下所產(chǎn)生的，由電負(fù)荷、分布式電能源共同組成的系統(tǒng)通過低電壓連接配電網(wǎng)，且存在更靈活的運行方式，具有可調(diào)度性能。微電網(wǎng)可視為電力系統(tǒng)的受控實體，具有較高的可控性，能夠有效保障供電質(zhì)量。微電網(wǎng)具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，且發(fā)電成本比較低，對比傳統(tǒng)電網(wǎng)，微電網(wǎng)能夠有效緩解環(huán)境壓力，降低發(fā)電成本。由多個微電源共同組成的微電網(wǎng)，可以向本地用戶分配電能，無須輸電線傳輸，大大縮減了負(fù)載和電源的距離，使輸電線路的電能熱損耗獲得有效下降，也無須創(chuàng)建架空輸電線路，有效節(jié)約輸電建設(shè)成本，不會由于地理、天氣等因素而提高供電成本，具有較高的供電可靠性[4-5]。熱電聯(lián)產(chǎn)運行下，還可重復(fù)回收利用余熱，基于該情況，微電網(wǎng)的能源利用率可超過80%。

由此可以看出，世界能源互聯(lián)網(wǎng)下的微電網(wǎng)存在極大的發(fā)展優(yōu)勢。然而，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)起步比較晚，也有很多不利因素，其發(fā)展受到很多制約因素的影響，如分布式電源具有較高成本，有待進一步提升運行和保護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；電能存儲和生產(chǎn)必須依照負(fù)載需求調(diào)整，且微電網(wǎng)市場監(jiān)管制度也不完善，有待從立法層面進一步優(yōu)化。

2 分布式光伏發(fā)電技術(shù)

作為用途極為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括獨立發(fā)電與并網(wǎng)發(fā)電2 類。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生之初多是用于微波中繼站、太空飛船、電視差轉(zhuǎn)臺以及通信系統(tǒng)等區(qū)域。近年來，越來越多的領(lǐng)域開始推廣應(yīng)用太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電，主要為家庭屋頂光伏發(fā)電、城市交通或照明等。

2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也被叫作離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，為太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，由熱輻射與光產(chǎn)生能量。通常來說，單獨太陽能發(fā)電一定要配備能量存儲設(shè)備，電池是應(yīng)用最多的設(shè)備。同時，需要配備控制器，主要作用是避免蓄電池過度放電，或者過度充電[6]。在直流電源中，應(yīng)用的獨立廣電系統(tǒng)核心部件主要為蓄電池組、防反充二極管、電池方陣以及控制器等。

2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏系統(tǒng)的主要特點在于，通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化直流電成交流電，進而保證交流電能夠與公共電網(wǎng)實現(xiàn)有效連接，向廣大住戶提供更多電力，多余電量直接輸送至電網(wǎng)。在太陽能電池低電量的情況下，有必要做好電力網(wǎng)補充工作。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的示意如圖2 所示。

圖2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意

2.3 分布式光伏發(fā)電的工作模式

光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作機理在于，通過太陽能電池所具有的光生伏打效應(yīng)，太陽能電池板將太陽光中的光能轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)給客戶。太陽能電池板、配電室、防雷系統(tǒng)、匯流箱以及逆變器等是太陽能電池板的重要組成部分。此外，因為太陽的能量密度較低，所以要求有較大的光電轉(zhuǎn)換效率，并且要使用匯流箱來降低光電轉(zhuǎn)換效率。由于光伏太陽能電池所產(chǎn)生的電屬于直流電，因此還必須要有一個逆變器來將直流電變成交流電。同時，為了確保在雷暴天氣下對發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，如電池面板、逆變器等進行防護，也必須進行初步的防雷設(shè)計。具有低壓負(fù)載的室內(nèi)配電場所統(tǒng)稱為配電室，能夠為低壓用戶分發(fā)電能。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常在10 kV 之下，因此只需要設(shè)置一個低壓配電室即可[7]。除此之外，還必須在電力供應(yīng)上安裝一些能量存儲單元，或是將整個系統(tǒng)接入電力網(wǎng)絡(luò)，才能確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定，如此便構(gòu)成一個完備的發(fā)電和用電體系。光伏發(fā)電原理如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電原理

3 基于微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電技術(shù)要點

3.1 并網(wǎng)控制

若分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備相應(yīng)的蓄電池，則需將其并入電網(wǎng)，以確保該光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性。分布式光伏發(fā)電有多能量來源、多并網(wǎng)逆變器等特性，所以應(yīng)充分考慮影響并網(wǎng)控制的相關(guān)因素。此外，因分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能源產(chǎn)生多借助并網(wǎng)逆變器，且并網(wǎng)運行期間需要重點注意耦合機理，所以涉及控制并網(wǎng)協(xié)調(diào)性能問題，應(yīng)注重在運行過程中協(xié)調(diào)控制逆變器的電壓和頻率，以合理地動態(tài)分配其運行負(fù)荷。

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)電能質(zhì)量

通常情況下，分布式光伏發(fā)電的電能輸出主要為直流電，然而用戶端負(fù)載多用交流電。若要使用光伏發(fā)電所輸出的電能，則需要轉(zhuǎn)化直流電為特定頻率的交流電，由此就需要應(yīng)用逆變器。但是，并網(wǎng)運行過程中，正常運行時的逆變器會產(chǎn)生直流分量與諧波，會污染到電網(wǎng)，影響電網(wǎng)得電能質(zhì)量。特別是電網(wǎng)直接連接用戶側(cè)負(fù)載時，就算直流分量與諧波非常小，也會嚴(yán)重影響到用戶的用電端口負(fù)載，造成設(shè)備不能順利或正常運行，導(dǎo)致設(shè)備遭到損壞。除此之外，在用戶負(fù)載中有大量感性負(fù)載的情況下，接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)會大大降低功率因數(shù)cos?，導(dǎo)致電機等感性負(fù)載無法正常運行，甚至?xí)哟蟀l(fā)熱量[8]。以上情況產(chǎn)生的主要原因在于，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大多只輸出有功功率，還有可能是電網(wǎng)無功功率補償裝置不匹配光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，若想有效控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，借助可調(diào)節(jié)功率因數(shù)cos?，可以對三電平組串逆變器進行輸出，也可通過并聯(lián)電容器實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)呐渲?，有效改善并網(wǎng)連接中出現(xiàn)的光伏發(fā)電電能輸出質(zhì)量問題。

3.3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配置優(yōu)化

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能源為太陽能，而太陽能會因為各地氣候、地理位置等外部因素而存在一定隨機性，而且光伏發(fā)電的核心部件即太陽能電池板的能量密度相對較低，相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，太陽能電池板的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在一定不同?；谝陨弦蛩?，在電力系統(tǒng)規(guī)劃過程中，應(yīng)精準(zhǔn)預(yù)估本地可再生能源的分布情況，同時評估負(fù)載的可用性、隨機性和合理性[9]。對要進行光伏發(fā)電的地區(qū)進行現(xiàn)場調(diào)查，詳細(xì)調(diào)查和研究當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)、客戶的用電負(fù)荷，進而決定在當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)設(shè)置相應(yīng)的分布式光伏發(fā)電裝置，防止負(fù)載過小或某一個電網(wǎng)單元負(fù)載過大，有效提升地方電網(wǎng)運行的安全性、可靠性。

4 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電技術(shù)與微電網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)階段，進一步擴大了分布式光伏設(shè)備的實際應(yīng)用范圍，且并網(wǎng)能力也隨之得到提升。未來發(fā)展中，還會進一步擴充太陽能應(yīng)用與發(fā)展的空間，為供電領(lǐng)域提供更多能源，最終推動社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。