并網(wǎng)型分布式光伏電站待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的降損優(yōu)化策略

胡華友，朱高麟，吳云來(lái)

(浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司，杭州 310053)

0 引言

分布式光伏電站屬于間歇性發(fā)電電源，在一天中，其功率輸出的時(shí)間段相對(duì)固定：當(dāng)光照強(qiáng)度滿(mǎn)足電站最低啟動(dòng)條件時(shí)，電站進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；隨著時(shí)間的推移，光照強(qiáng)度逐漸降低，電站進(jìn)入待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，不再向電網(wǎng)提供電量，電站由發(fā)電性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛秒娯?fù)荷用電性質(zhì)。與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電、水輪發(fā)電機(jī)組相比，光伏發(fā)電的輸出功率波動(dòng)明顯，功率幅值變化的預(yù)測(cè)難度高，其發(fā)電特性決定了電氣設(shè)備的工作特性，即電氣設(shè)備的利用率不高，運(yùn)行工況輕載現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，常采用增大直流側(cè)超配比例或配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)等方式來(lái)進(jìn)行改善。

針對(duì)分布式光伏電站在并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下如何提升整體發(fā)電量已有較多研究，技術(shù)成熟；而針對(duì)分布式光伏電站待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的待機(jī)損耗的分析，大多僅停留在理論階段，未形成全面的關(guān)注度，忽略了待機(jī)損耗電量?jī)r(jià)值、待機(jī)狀態(tài)用電電價(jià)與光伏發(fā)電電價(jià)的差額。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)損耗單元進(jìn)行了模型分類(lèi)及損耗計(jì)算，并根據(jù)其在總線(xiàn)損中的構(gòu)成比例提出了相適應(yīng)的降損策略。文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)分布式電源接入后對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)潮流的影響進(jìn)行了分析，對(duì)整體損耗產(chǎn)生的影響進(jìn)行了計(jì)算，并由此推導(dǎo)出最佳分布式電源準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[5]提出了變壓器在諧波作用中的損耗分析及對(duì)絕緣壽命的影響。文獻(xiàn)[6]考慮了在電網(wǎng)中通過(guò)配置無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)降低損耗的分析。文獻(xiàn)[7-8]提出了大規(guī)模的分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[9-10]提出了一種在過(guò)電壓限制下的最大可接入分布式電源容量。文獻(xiàn)[11]提出了一種含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓越限的解決方案。

并網(wǎng)型分布式光伏電站在不發(fā)電狀態(tài)下，光伏升壓變處于待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，雖然有針對(duì)光伏等新能源發(fā)電的政策支持，光伏電站新增升壓變壓器的容量費(fèi)不計(jì)入電費(fèi)，但待機(jī)電量損耗是正常存在的。經(jīng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，在大量的已并網(wǎng)高、低壓光伏電站中，低壓光伏電站的待機(jī)年自用電率在1%以?xún)?nèi)，高壓光伏電站因存在大量變壓器空載運(yùn)行的情況，其待機(jī)年自用電率一般在2%以?xún)?nèi)。目前，暫無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)分布式光伏電站如何降低待機(jī)損耗的相關(guān)策略。本文通過(guò)對(duì)已并網(wǎng)分布式光伏電站的待機(jī)損耗進(jìn)行分類(lèi)，分析了各類(lèi)損耗的比重，并提出了適宜的降損運(yùn)行策略。

1 待機(jī)電量貿(mào)易結(jié)算

1.1 典型分布式光伏電站的計(jì)量點(diǎn)設(shè)置

按照上網(wǎng)模式不同，分布式光伏電站主要分為“全額上網(wǎng)”電站和“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”電站2 大類(lèi)，且2 類(lèi)電站接入電網(wǎng)的位置不同。一般分布式光伏電站會(huì)設(shè)置2 個(gè)計(jì)量點(diǎn)，分別為關(guān)口計(jì)量表、發(fā)電計(jì)量表。關(guān)口計(jì)量表為結(jié)算返送至上一級(jí)電網(wǎng)的上行電量，發(fā)電計(jì)量表分別結(jié)算光伏發(fā)電量補(bǔ)貼的上行電量和待機(jī)運(yùn)行損耗的下行電量。

1.2 待機(jī)計(jì)費(fèi)原則

光伏電站待機(jī)運(yùn)行是指維持電站并網(wǎng)最小的損耗功率，待機(jī)運(yùn)行損耗電量可能過(guò)發(fā)電計(jì)量表的下行電量讀取，電價(jià)為實(shí)時(shí)的公網(wǎng)電價(jià)。

2 分布式光伏電站待機(jī)損耗模型

2.1 負(fù)荷分類(lèi)

從電網(wǎng)負(fù)荷分類(lèi)角度來(lái)看，分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下為感性負(fù)荷，其主要負(fù)荷元件包括變壓器、逆變器、電纜及暖通照明設(shè)備等。由于電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的負(fù)載電流值很小，變壓器的狀態(tài)接近空載運(yùn)行，因此，根據(jù)變壓器的損耗計(jì)算公式，在一定的負(fù)載電流條件下，總有功損耗PL可表示為：

式中，P0為空載損耗；Pk為額定負(fù)載損耗；I為變壓器的運(yùn)行電流；In為變壓器的額定運(yùn)行電流。

待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，(I2/I2n)的比值接近零，因此，總有功損耗可近似認(rèn)為等于空載損耗。此運(yùn)行狀態(tài)下，分布式光伏電站的主要負(fù)荷的分類(lèi)如表1 所示。

表1 分布式光伏電站主要負(fù)荷的分類(lèi)Table 1 Main load classification of distributed PV power station

2.2 負(fù)荷理論計(jì)算

以浙江區(qū)域的典型并網(wǎng)型分布式光伏電站為例，通過(guò)計(jì)算其理論的待機(jī)損耗值和實(shí)際的待機(jī)損耗值的偏差來(lái)作為制定降損策略的依據(jù)。該分布式光伏電站的基本情況為：在框架式混凝土屋頂上采用小傾角安裝光伏組件，裝機(jī)容量為1.46 MW，采用1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的1.26 MWp逆變升壓?jiǎn)卧?，“手拉手”環(huán)接至原10 kV 供電開(kāi)關(guān)柜，并網(wǎng)方式采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”。該分布式光伏電站的主要負(fù)荷損耗功率及損耗占比如表2 所示，主要負(fù)荷的損耗功率如圖1 所示。

表2 主要負(fù)荷的損耗功率及損耗占比Table 2 Main load loss power and loss proportion

圖1 主要負(fù)荷的損耗功率Fig.1 Main load loss power

為簡(jiǎn)化計(jì)算，分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的損耗模型可簡(jiǎn)化為一定條件下功率相對(duì)恒定的感性負(fù)載，夜間用電功率因數(shù)cosφ取0.8，電站損耗計(jì)算的邊界條件選取典型日發(fā)電輸出功率曲線(xiàn)，并網(wǎng)發(fā)電日均運(yùn)行時(shí)間t按06:00～18:00 計(jì)算，其余時(shí)間為待機(jī)運(yùn)行。因此，分布式光伏電站的理論日均待機(jī)損耗電量Wday為：

式中，p為分布式光伏電站的功率；u為分布式光伏電站的電壓；i為分布式光伏電站的待機(jī)電流；φ為功率因數(shù)角。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)可知，Wday為42.72 kWh。

折算至每月，則理論月均待機(jī)損耗電量Wmonth為Wday×30=1281.6 kWh。

2.3 典型分布式光伏電站的待機(jī)電量分析

仍以上文所選典型并網(wǎng)型分布式光伏電站為例，從監(jiān)控后臺(tái)調(diào)取該電站2018 年實(shí)際運(yùn)行的總發(fā)電量、自發(fā)自用電量、上網(wǎng)電量、待機(jī)損耗電量等數(shù)據(jù)，具體如表3 所示。該分布式光伏電站的2018 年電量結(jié)算折線(xiàn)圖如圖2 所示。

表3 分布式光伏電站2018 年的全年電量數(shù)據(jù)Table 3 Annual electricity data of distributed PV power station in 2018

圖2 分布式光伏電站2018 年的電量結(jié)算折線(xiàn)圖Fig.2 Electricity settlement break-line diagram of distributed PV power station in 2018

由圖2 可得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)分布式光伏電站的實(shí)際月均待機(jī)損耗電量值曲線(xiàn)可知，其基本與理論月均待機(jī)損耗電量值在同一水平，實(shí)際值符合設(shè)計(jì)預(yù)期值。

2)分布式光伏電站的待機(jī)損耗電量與總發(fā)電量大小無(wú)關(guān)，是由分布式光伏電站的系統(tǒng)配置決定的。待機(jī)損耗電量全年浮動(dòng)不大，曲線(xiàn)基本呈水平直線(xiàn)狀，保持穩(wěn)定。

3)分布式光伏電站的待機(jī)損耗率與電站的總發(fā)電量呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)總發(fā)電量越大時(shí)，站用電率較小，在總發(fā)電量較高的3～10 月，待機(jī)損耗率在較低范圍內(nèi)波動(dòng)。

4)降低分布式光伏電站的待機(jī)損耗電量相當(dāng)于從另一個(gè)方面提升了電站的整體發(fā)電量，可提高電站的財(cái)務(wù)收益率，也是電站高水平設(shè)計(jì)和運(yùn)維的反映。同時(shí)，對(duì)待機(jī)損耗率占比過(guò)高的分布式光伏電站來(lái)說(shuō)，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)維管理，與周邊地區(qū)同類(lèi)型分布式光伏電站進(jìn)行多維對(duì)比，分析其損耗源頭，避免發(fā)生類(lèi)似“夜間竊電”的現(xiàn)象。

3 降低待機(jī)損耗的若干策略

3.1 設(shè)定定時(shí)限投切開(kāi)關(guān)

分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，光伏變壓器由并網(wǎng)發(fā)電時(shí)的升壓變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)荷的降壓變壓器，主要的負(fù)荷源點(diǎn)為變壓器單元，占電站總損耗的比例為55.06%。因此，降低變壓器的空載損耗，可大幅降低電站的待機(jī)損耗，是實(shí)現(xiàn)光伏電站降損的高效路徑。

降低變壓器待機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，將變壓器高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)設(shè)置為定時(shí)限的自動(dòng)投切的標(biāo)準(zhǔn)單元，使其實(shí)現(xiàn)在任意一天的固定時(shí)間段開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)分布式光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)榇龣C(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)投退，將變壓器從光伏發(fā)電系統(tǒng)中隔離切出；當(dāng)分布式光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將變壓器投入運(yùn)行。投切時(shí)間段可以根據(jù)電站所在地的典型日最大發(fā)電時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另一種方法是增加檢測(cè)電流互感器，當(dāng)電流超過(guò)發(fā)電電流閾值或小于待機(jī)負(fù)荷電流值時(shí)，通過(guò)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)或關(guān)閉高壓側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)投切時(shí)間段的設(shè)定。

當(dāng)存在多級(jí)光伏升壓變壓器“手拉手”運(yùn)行時(shí)，考慮到變壓器投切時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，以及變壓器的勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器壽命的影響，可在每一級(jí)變壓器投切時(shí)間上設(shè)置級(jí)差，分段投切。

對(duì)于給定的變壓器，其空載損耗和額定負(fù)載損耗值是常數(shù)。變壓器的負(fù)載損耗值與負(fù)載率呈雙曲線(xiàn)關(guān)系，隨著負(fù)載率增大，負(fù)載損耗值也隨之增大，然后當(dāng)負(fù)載率達(dá)到“1”時(shí)，此時(shí)的負(fù)載損耗為額定負(fù)載損耗。

以1 臺(tái)10 kV、1250 kVA 的干式升壓變壓器為例，其空載損耗為2.09 kW，按每天空載運(yùn)行時(shí)間12 h 估算，年均節(jié)省電量9154.2 kWh，25年累計(jì)可節(jié)省電量228855 kWh，即相當(dāng)于電站發(fā)電量可提升228855 kWh。

3.2 靈活調(diào)節(jié)變壓器的運(yùn)行方式

分布式光伏電站輸出功率隨太陽(yáng)輻照度的變化而波動(dòng)，其平均系統(tǒng)效率約為80%。而分布式光伏電站中電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)是按照直流側(cè)額定容量設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致電氣設(shè)備在多數(shù)情況下處于輕載狀態(tài)，如此造成初始投資增大，運(yùn)行損耗增加。分布式光伏電站典型日功率曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 分布式光伏電站的典型日功率曲線(xiàn)Fig.3 Typical daily power curve of distributed PV power station

調(diào)整變壓器的運(yùn)行方式，改善設(shè)備輕載或閑置運(yùn)行工況，可以降低變壓器的負(fù)載損耗。當(dāng)分布式光伏電站處于發(fā)電低谷時(shí)間段時(shí)(滿(mǎn)足2 臺(tái)升壓變的發(fā)電電流之和不大于任意1 臺(tái)的額定電流值)，可靈活切換2 臺(tái)變壓器的運(yùn)行模式，通過(guò)投入聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)QF3，斷開(kāi)QF1、QF2，將1#變壓器下的負(fù)荷電流轉(zhuǎn)移至2#變壓器。變壓器的橋接運(yùn)行方式如圖4 所示。

1) 2 臺(tái)變壓器并列運(yùn)行時(shí)，變壓器的負(fù)載損耗為：

2) 2 臺(tái)變壓器合并運(yùn)行時(shí)，變壓器的負(fù)載損耗為：

當(dāng)PL1=PL2時(shí)，并列運(yùn)行與合并運(yùn)行的損耗值相等，可求解出此時(shí)的臨界電流值IP。

圖4 變壓器的橋接運(yùn)行方式Fig.4 Bridge operation mode of transformer

當(dāng)運(yùn)行電流I小于臨界電流IP時(shí)，合并運(yùn)行的損耗值小于并列運(yùn)行時(shí)的值；當(dāng)運(yùn)行電流I大于臨界電流IP時(shí)，合并運(yùn)行的損耗值大于并列運(yùn)行時(shí)的值。因此，可根據(jù)實(shí)時(shí)的光伏發(fā)電輸出功率來(lái)靈活調(diào)節(jié)變壓器的運(yùn)行方式，從而降低變壓器損耗。

3.3 選用非晶合金型變壓器

變壓器的空載損耗包含銅損和鐵損，夜間當(dāng)變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其空載損耗主要為鐵損，鐵損和變壓器線(xiàn)圈材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。因此，為了從源頭上降低鐵損，可以選用空載損耗更低的材料，比如非晶合金型變壓器，可使空載損耗值大幅降低。

在相同使用條件下，非晶合金型變壓器的空載損耗約為常用的環(huán)氧樹(shù)脂型變壓器的1/3，大幅降低了變壓器的空載損耗。

4 結(jié)論

并網(wǎng)型分布式光伏電站的待機(jī)損耗主要來(lái)源于升壓變壓器的空載損耗，其占總損耗比例較大且數(shù)值相對(duì)固定。本文提出了并網(wǎng)型分布式光伏電站待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的降損優(yōu)化策略，通過(guò)從控制變壓器的空載運(yùn)行時(shí)間來(lái)降低損耗、改變現(xiàn)有電網(wǎng)的連接結(jié)構(gòu)、更換空載損耗更低的升壓變等策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可根據(jù)分布式光伏電站的實(shí)際情況進(jìn)行靈活改造。綜上所述，待機(jī)損耗的降低可以通過(guò)多途徑降損策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，總的原則是在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，充分利用已有設(shè)備，改善設(shè)備輕載或閑置運(yùn)行工況，將損耗控制在最優(yōu)范圍內(nèi)。