工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)運行與優(yōu)化配置研究

周汝祥，張紫凡，胡子安，丘世隆，梁煒政，劉玉就

（1.廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800； 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512000）

引言

在全球走向碳中和背景下全球碳減排日趨嚴格，新能源替代傳統(tǒng)能源趨勢已經(jīng)確定[1,2]，我國提出在2030年前二氧化碳排放達到峰值，一次能源消費比重中非化石能源占比達25 %左右的目標，力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。太陽能作為一種可再生能源得到了廣泛的應(yīng)用[3-8]。

光伏行業(yè)現(xiàn)在進入后補貼時代，建設(shè)成本逐年下降，隨之發(fā)電成本降低，近年來，全國各地對光伏發(fā)電的補貼逐年減少，國家發(fā)展改革委能源研究所發(fā)表《中國2050年光伏發(fā)展展望（2019）》所示，光伏發(fā)電成本以接近煤電發(fā)電成本，在未來將進一步下降，在2050年光伏每度電成本低至0.2元。光伏組件成本趨勢如圖1所示，在2020年12月的人民幣為2.613 9元/瓦，未來持續(xù)降低，光伏組件約占光成本的50~60 %。

圖1 太陽能組件成本[9]

廣州地區(qū)的太陽能資源屬于Ⅲ類較穩(wěn)定，用電量大長期需要其他省份向其輸電。光伏發(fā)電具有成本低、利用率大、綠色環(huán)保的特點，并網(wǎng)功率在幾萬到幾十兆瓦范圍內(nèi)，可建設(shè)在如工業(yè)園區(qū)等用電負荷較重的地區(qū)附近。光伏發(fā)電規(guī)律與工業(yè)園區(qū)的負荷規(guī)律一致[10,11]，白天用電多晚上用電少。工業(yè)園區(qū)地理位置多位于郊區(qū)，電網(wǎng)供應(yīng)存在峰谷電價。園區(qū)用電模式與太陽能光伏發(fā)電模式適配，從而增加太陽能光伏發(fā)電使用率，結(jié)合用電高峰時期電價高、用電低谷時期電價低的峰谷電價政策，可進一步提高工業(yè)園區(qū)光伏并網(wǎng)設(shè)備的經(jīng)濟性，減少工業(yè)園區(qū)的用電成本[12]。

1 工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及控制方式

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由太陽能光伏方陣、BOSST電路、逆變器、控制環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)五部分組成。光伏板可以將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，BOSST電路可以將光伏方陣輸出的直流電壓升壓后輸出至逆變器，逆變器再將升壓后直流電轉(zhuǎn)換為交流電，控制環(huán)節(jié)包含最大功率點跟蹤控制和逆變器控制。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

最大功率點跟蹤控制（MPPT）時刻跟蹤光伏方陣電壓與電流，通過控制晶體管占空比調(diào)節(jié)BOSST電路輸出側(cè)電壓，使其工作在最大功率點附近，保證光伏方陣最大功率。逆變器控制通過實時采集的并網(wǎng)側(cè)電壓電流，經(jīng)過坐標變換、PI控制器等環(huán)節(jié)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號送至逆變器6個晶體管，控制晶體管開關(guān)，實現(xiàn)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運作，維持輸出有功和無功功率大小。濾波環(huán)節(jié)可以減少變流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波污染，提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1.2 工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)選擇

本文基于PSCAD仿真平臺依據(jù)光伏發(fā)電原理及并網(wǎng)原理建立了光伏并網(wǎng)模型，模型涵蓋了光伏陣列、DC/DC變流器、DC/AC變流器、并網(wǎng)LC濾波器、控制環(huán)節(jié)五個主要部分。本文通過計算得到光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié)各參數(shù)的選擇，并通過設(shè)計仿真實驗，比較不同條建下的仿真結(jié)果驗證了所選參數(shù)的正確性。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路模型如圖3所示。

1）太陽能光伏方陣及直流升壓斬波電路參數(shù)

光伏方陣模塊采用PSCAD4.5軟件電源模型，設(shè)置光強為1 000 W/m2溫度為25 ℃，串聯(lián)光伏組件25個，并聯(lián)光伏組件16個，額定容量為100 kW。每個光伏組件的功率為250 W，光伏陣列的電壓為一行串聯(lián)組件的每個組件的電壓之和。

由于光伏陣列實際的輸出的電壓要小于電網(wǎng)側(cè)的電壓，所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時，需要在直流側(cè)增加一個升壓（BOOST）電路。

升壓（BOOST）電路工作原理圖如圖2 左側(cè)所示。當晶體管導(dǎo)通時，電感里儲存能量。經(jīng)Ton時間后，晶體管截止，因電感的電流具有特性，電流值不會馬上變?yōu)?，相反，它從充電結(jié)束時的值慢慢變?yōu)?，二極管導(dǎo)通，電感L向電容C和負載放電，電容C兩端電壓升高，此時輸出電壓高于輸入電壓。

輸出電壓UO與UL關(guān)系為：

只有電容Co、電感L足夠大時，才能讓電感和電容電流連續(xù)。

其中Io為斬波輸入電流，根據(jù)公式（2）、（3）求得L≥0.003 68 H，C≥0.2 mF，電感值選取0.004 H，電容選取0.2 mF。

濾波器屬于濾波環(huán)節(jié)的最主要部分，起到過濾諧波的作用。如果濾波器選擇不合適的話，會對配電網(wǎng)電能質(zhì)量造成極大影響。根據(jù)文獻[13]電感電容推導(dǎo)公式如下所示，

LC濾波器的截止頻率必須要遠小于PWM電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時又要遠大于基波頻率。LC截止頻率fL選為[13]：

式中：

f1—基波頻率；

fhar(min)—最低次諧波頻率。

對于高頻的PWM逆變器，載波頻率遠大于10倍的基波頻率，fL應(yīng)選為載波頻率的1/10-1/5。選取為800 Hz，公式（4）求得L的值為0.003 96 H，L值確定以后，根據(jù)式（5）得到C值。最終濾波器電感值選取為0.004 H，電感值選取10 uF。

濾波器的加入還會使逆變器輸出功率尤其是無功功率發(fā)生變化，因為濾波電抗消耗無功功率，而濾波電容則提供無功功率[13]。逆變器輸出電壓會在濾波器產(chǎn)生諧波電流，造成電網(wǎng)的電流負荷。過大的諧波電流還會造成濾波電感和濾波電容的發(fā)熱問題。所以應(yīng)盡量減少濾波器的濾波電流。

2）逆變器控制

采用的逆變器控制方法為PQ恒功率控制。網(wǎng)側(cè)線電壓Ua、Ub、Uc經(jīng)過式（8）得到電壓的有功量Ud和無功量Uq。功率外環(huán)控制器的參考有功功率Pref設(shè)置為為0.016 7 MW，而參考無功功率Qref則設(shè)置為0。參考功率Pref經(jīng)過式（9）得到參考有功和無功的參考電流Idef、Iqef。

電流內(nèi)環(huán)則將兩個參考電流經(jīng)公式（10）變化得Udef、Uqef，經(jīng)克拉克反變換后得到三相參考電壓，與三角載波信號觸發(fā)產(chǎn)生電平信號，控制逆變器 6個晶體管的開關(guān)，使逆變器的輸出電流穩(wěn)定跟蹤電網(wǎng)電壓的變化。

3）最大功率跟蹤控制

最大功率跟蹤方法分為兩種，第一種為電導(dǎo)增量法；第二種干擾觀測法。本文采用電導(dǎo)增量法。

增量電導(dǎo)法的最大優(yōu)點是隨著日照強度的變化，光伏電池輸出端電壓能相對平穩(wěn)地變化，電壓擺動幅度比使用擾動觀察法的電壓擺動幅度要小。

2 基于PSCAD的光伏模型的驗證和分析

2.1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)仿真模型參數(shù)

情況1 仿真參數(shù)設(shè)置，設(shè)置LC濾波器為電感為4 mH，電容為10 uF。其余元件設(shè)置不變。

如圖4~6所示，電壓幅值穩(wěn)定為320 V，頻率穩(wěn)定50 Hz。電流幅值穩(wěn)定在205 A，頻率穩(wěn)定在50 Hz，電流電壓的相位差為0，波形平滑無畸變。有功功率為100 kW，無功功率為0 kW，最大功率追蹤器工作在最大功率點附近，設(shè)備額定發(fā)電容量為100 kW，功率因數(shù)為1。網(wǎng)側(cè)線電壓有效值穩(wěn)定為220 V。情況2設(shè)置LC濾波器的電感為0.4 mH，其余元件設(shè)置不變。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出電壓電流結(jié)果圖

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出功率結(jié)果圖

圖6 模型輸出的MPPT圖

由圖7、8可得LC濾波器電感值過小，無法有效抑制諧波電流，造成電流畸變嚴重，同時造成電壓幅值降低，波形畸變，電流電壓相位差約為1 °，功率因數(shù)為0.999。

圖7 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出電壓電流結(jié)果圖

情況3 設(shè)值LC濾波器的電感值為40 mH。

由圖9、10可得有功功率為37.86 kW，無功功率為18.20 kW，功率因數(shù)為0.3786，電流電壓相位差為67.75 °，電流幅值為94 A，電壓無明顯變化。濾波器電感過大遏制了交流電流中的諧波電流，同時會增加系統(tǒng)的阻抗，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。

圖9 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出功率結(jié)果圖

通過三種情況的比較（見表1），情況1是最合適的模型，此時諧波電流小，電流穩(wěn)定。

表1 LC濾波器電感值選取比較

無功功率小，對配電網(wǎng)的電壓影響小。并網(wǎng)對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響最小，與計算一致。情況2的諧波電流大，而且無功功率小于0，對配電網(wǎng)電壓影響大。情況3無功功率大于0，功率因數(shù)低于0.9，電流頻率與電網(wǎng)不匹配，嚴重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，破壞配電網(wǎng)的穩(wěn)定，造成人員受傷以及財產(chǎn)損壞。不建議與配電網(wǎng)并網(wǎng)。

3 經(jīng)濟效益

3.1 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)已知公式換算1 000 W/m2等于3.6 MJ/m2。光伏組件功率為Ps，轉(zhuǎn)化率為η，光伏接收面積為S，光照強度為I，溫度為t0，發(fā)電溫度系數(shù)為0.005，如式（6）所示。光伏組件測試標準為1 000 W/m2，溫度為25 ℃。供電系數(shù)是光伏系統(tǒng)實際功率除以額定功率所得，供電系數(shù)受光照強度和溫度影響，在計算光伏系統(tǒng)實際發(fā)電量時可用供電系數(shù)乘以額定功率，簡化了計算量[14]。

式中：

I—光照強度；

t—溫度。

用平均供電系數(shù)、供電時間、額定功率和高低平電價可算出日平均節(jié)約電費。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出功率結(jié)果圖

圖10 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型輸出電壓電流結(jié)果圖

式中：

H1—9：00~12：00時間段系統(tǒng)平均供電系數(shù)；

H2—8：00~9：00和12：00~18：00時間段系統(tǒng)平均供電系數(shù)；

H3—為0：00-8：00時間段平均供電系數(shù)；

t1、t2、t3—高峰、平段、低谷時間段內(nèi)供電時間；

Ps—光伏系統(tǒng)額定裝機總量；

S高—高峰時電價；

S平—平段時電價；

S低—低谷時電價。

3.2 案例分析

某例廣州產(chǎn)業(yè)園區(qū)光伏裝機容量100 kW，用電類型為一般工商，存在峰谷電價，高峰電價113.726 876分/度、平段電價70.016 875分/度和低谷電價36.396 875分/度。根據(jù)文獻所示[15]，廣州地區(qū)屬于Ⅲ類太陽能資源區(qū)，日均輻射量為11.4 MJm2，換算得日均每時段光照強度，電價高峰期光照強度為336.11 W/m2，平峰期光照強度為360.551 W/m2。上網(wǎng)電價0.49（2020國家發(fā)改委Ⅲ類地區(qū)光伏并網(wǎng)電價不含補貼），光伏組件成本26.14萬元，根據(jù)式（13）計算得平均日節(jié)約226.3136元，年節(jié)約成本8.26萬元，年平均總發(fā)電量95 009 kWh，見表2。

表2 各項上網(wǎng)百分比收益

系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下功率因數(shù)為1，能為負荷提供100 kW功率，在工作時間8：00到18：00中每日平均提供3.14 h全功率運行。光伏組件成本占總成本的50~60 %，每年的維護成本1~3 %，總維護成本占總成本的20~60 %，綜上所述：

1）本文光伏系統(tǒng)采用成熟的技術(shù)方案，設(shè)備投入成本較低，減少儲存設(shè)備的投入，一定程度上可節(jié)約投資成本，100 kW的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)綜合投資成本在43.57~52.28萬元，其中43.57萬元為光伏組件占總成本的60 %，52.28萬元為光伏組件占總成本的50 %。

2）43.57萬元的20年使用周期內(nèi)維護成本為8.71~26.15萬元，52.28萬元周期內(nèi)維護成本為10.5~31.37萬元，維護成本主要用于光伏組件灰塵清理，案例中廣州地區(qū)雨天較多，雨水帶走光伏組件的灰塵，維護成本較低。

3）成本回收為5.27~11.23年，其中自發(fā)自用上網(wǎng)百分比為零的成本回收最快，為5.27年，上網(wǎng)百分比為一百的成本回收最慢，為11.23年。

4）實際使用中某日光照最高可超過1 000 W/m2，光伏系統(tǒng)發(fā)電量超用戶負荷，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)的模式下用戶成本回收周期最短，多余電能并網(wǎng)可避免資源浪費又可使光伏系統(tǒng)經(jīng)濟最大化。

4 結(jié)論

目前我國光伏裝機容量主要體現(xiàn)在大型光伏電站，分布式光伏微網(wǎng)建設(shè)甚少，產(chǎn)業(yè)園區(qū)、小區(qū)、公共室內(nèi)場所等具有足夠的光照面積卻未能利用起來，造成資源浪費。本文完成工作有以下三點：

1）配置了各個組件數(shù)量以及額定容量和功率，采用PQ的控制方式。利用PSCAD進行仿真、分析，模擬三種情況，得出運行效果最好的情況。

2）經(jīng)濟效益中，通過觀察一例產(chǎn)業(yè)園的光伏數(shù)據(jù)，從上網(wǎng)百分比和總收益，成本回收這幾個方面進行分析。當上網(wǎng)率為0 %時，經(jīng)濟效益最高。隨著上網(wǎng)率的提高，總收入逐漸減少，成本回收的時間逐漸變長。

3）探究了工業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及控制，設(shè)置了太陽能光伏方陣及直流升壓電路參數(shù)，并基于PSCAD的光伏模型和經(jīng)濟效益這方面進行分析，選取一個案例進行分析，得出了以上結(jié)論。

本文對光伏并網(wǎng)的選擇等方面提供參考方向和建議，同時順應(yīng)未來用電的發(fā)展，從中獲取許多的收益，也可以達到保護環(huán)境的作用。