分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響分析

中國(guó)電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司 蔡 超

1 引言

目前國(guó)內(nèi)的配電網(wǎng)主要是中低壓類型，不能同時(shí)接入大量光伏發(fā)電系統(tǒng)，否則會(huì)超出中低壓配電網(wǎng)的容納限度，導(dǎo)致配電網(wǎng)的實(shí)際電流運(yùn)行方式產(chǎn)生變化。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入數(shù)量大大超過(guò)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行限度，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，甚至造成嚴(yán)重的安全事故[1]。因此，在具體的電力生產(chǎn)過(guò)程中要特別注意光伏發(fā)電系統(tǒng)在中低壓配電網(wǎng)中的接入情況。

2 分布式光伏電源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 分布式光伏電源并網(wǎng)方式

國(guó)外很早就對(duì)分布式光伏電源開(kāi)展了研究，并積極將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合到電力生產(chǎn)中。分布式光伏電源首先一個(gè)特點(diǎn)是非常靈活，一般光伏電源規(guī)模都比較小，可以適應(yīng)安裝在大部分電力生產(chǎn)系統(tǒng)中。其次分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)結(jié)合后可以改善電網(wǎng)的運(yùn)行，從而提升電網(wǎng)的工作效率。同時(shí)分布式光伏發(fā)電大面積取代以往傳統(tǒng)發(fā)電模式，大大節(jié)省了發(fā)電成本。

目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)主要分為兩種：?jiǎn)渭?jí)式與兩級(jí)式。本文主要介紹兩級(jí)式與單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)分析。

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括直流變換器、逆變器等，兩級(jí)式系統(tǒng)顧名思義就是通過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)化來(lái)完成電力生產(chǎn)的任務(wù)。首先利用光伏陣列吸收太陽(yáng)能將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，之后通過(guò)逆變器把轉(zhuǎn)化成功的直流電又轉(zhuǎn)換為與配電網(wǎng)相同頻率的交流電壓，從而讓光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)順利對(duì)接，最終完成電力的生產(chǎn)。兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于具有多個(gè)控制器，所以在處理轉(zhuǎn)換的電力時(shí)功能比較強(qiáng)大，但是控制器過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致電力生產(chǎn)系統(tǒng)的成本直線上升，不利于節(jié)約生產(chǎn)成本[2]。單級(jí)式光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

仔細(xì)觀察單級(jí)式和兩級(jí)式光伏電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，不難發(fā)現(xiàn)單級(jí)式光伏電源系統(tǒng)相比兩級(jí)式結(jié)構(gòu)只少了直流變換器。單級(jí)式只需將電池進(jìn)行串聯(lián)，從而讓直流電壓逐步增加至能夠與逆變器連接，與兩級(jí)式轉(zhuǎn)換直流電壓的方式不太一樣，但最終都是將直流電轉(zhuǎn)換后接入配電網(wǎng)進(jìn)行電力的生產(chǎn)。單級(jí)式光伏電源系統(tǒng)雖然減少了轉(zhuǎn)化電流的步驟，大大提高了電力轉(zhuǎn)化效率，也節(jié)約了電力生產(chǎn)的成本，但具體操作過(guò)程比較復(fù)雜，不符合大型發(fā)電場(chǎng)合的實(shí)際工作情況。

2.2 分布式光伏電源的并網(wǎng)原理

上文主要分析了不同類型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異和工作原理，同時(shí)由于單級(jí)式和兩級(jí)式光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)類型的差異造成發(fā)電系統(tǒng)其中使用的逆變器也并不相同。下面主要討論一下不同逆變器之間存在的差異，以及在分布式光伏電源工作中分別起到的作用。

目前在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的主要是電壓型和電流型的逆變器。電流型逆變器如圖2所示，電壓型逆變器如圖3所示。

圖3 電壓型逆變器

光伏裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，而能否將直流電再轉(zhuǎn)換成交流電接入配電網(wǎng)完成電力的生產(chǎn)就需要利用好逆變器的控制作用。電壓型逆變器要求必須同時(shí)并聯(lián)兩個(gè)電壓源才能完成交流電的順利接入配電網(wǎng)，但在實(shí)際的工作過(guò)程中很難精準(zhǔn)地控制電壓源，從而導(dǎo)致電流無(wú)法接入配電網(wǎng)。所以目前大多采用電流型逆變器進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)換，電流控制僅需讓電流與配電網(wǎng)電壓保持一致就可以完成接入的任務(wù)，減少了接入時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，極大地保障了電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3 分布式光伏電源接入電網(wǎng)的具體應(yīng)用研究

當(dāng)前國(guó)內(nèi)有許多地方都開(kāi)展了分布式發(fā)電并網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，本文采用張家口張北縣開(kāi)展的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目為例進(jìn)行研究。此光伏電站站址位于河北省張家口市張北縣饅頭營(yíng)鄉(xiāng)張漢營(yíng)村西南。張北張漢營(yíng)20MWp 光伏并網(wǎng)電站項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模20MW，一次性建成。張北光伏電站位置如圖4所示。

圖4 張北光伏電站位置

3.1 光伏組件選型

3.1.1 晶體硅太陽(yáng)電池

當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用的都是晶體硅太陽(yáng)電池進(jìn)行發(fā)電，因?yàn)榫w硅太陽(yáng)電池吸收轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的效率比較高，并且成本相較其他太陽(yáng)電池也低，所以很多分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用晶體硅太陽(yáng)電池。晶體硅太陽(yáng)電池也包含許多類別，比如單晶硅、多晶硅以及球狀等晶體硅太陽(yáng)電池。

3.1.2 薄膜太陽(yáng)電池

薄膜太陽(yáng)電池種類也有很多，主要包括硅薄膜太陽(yáng)電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)電池、染料敏化薄膜太陽(yáng)電池和有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池等。

3.1.3 聚光太陽(yáng)電池

聚光太陽(yáng)電池可分為低倍和高倍聚光太陽(yáng)電池兩大類，其太陽(yáng)能能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 30%～40%，整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)換效率為 17%～25%。太陽(yáng)電池性能比較詳見(jiàn)表1。

表1 太陽(yáng)電池性能比較

在使用壽命相同的情況下，多晶硅太陽(yáng)電池不僅是商業(yè)效率還是實(shí)驗(yàn)室效率都比其他電池要高。同時(shí)張家口張北縣光伏電站建筑施工面積較大，適合大面積鋪設(shè)太陽(yáng)電池，所以該光伏電站采用多晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行分布式光伏發(fā)電。

3.2 電量計(jì)算

本工程采用多晶硅組件，單片容量 300Wp。根據(jù)本工程20MWp 的容量要求，根據(jù)多晶硅電池組件參數(shù)的參數(shù)計(jì)算，經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)計(jì)算，確定18塊為一串，每1MWp 為一個(gè)單元，布置186串，共3348塊光伏組件；20MWp 共布置 66960塊光伏組件。按固定不可調(diào)支架以及傾角38°計(jì)算，斜面上的年平均太陽(yáng)輻射為1968kWh/m2，則斜面上峰值日照小時(shí)數(shù)為1968h，該光伏電場(chǎng)理論發(fā)電為20.088×1968MWh ＝39533.184MWh，即20.088MWp裝機(jī)規(guī)模下，固定不可調(diào)支架形式電池板理論年發(fā)電量約為 39533.184MWh。

當(dāng)然在實(shí)際的生產(chǎn)發(fā)電過(guò)程中，因?yàn)殡姵氐膿p耗以及太陽(yáng)光照的具體情況不一樣，發(fā)電量數(shù)據(jù)可能與計(jì)算值有一些出入，所以也要充分結(jié)合光伏電站的實(shí)際情況進(jìn)行發(fā)電量的計(jì)算預(yù)估。年衰減以及年平均發(fā)電量測(cè)算詳見(jiàn)表2。

表2 年衰減以及年平均發(fā)電量測(cè)算

由表2可知，張家口張北縣光伏電站多晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)電量隨年份增長(zhǎng)逐漸減少，利用小時(shí)也在縮減。因?yàn)殡姵負(fù)p耗和實(shí)地情況，導(dǎo)致發(fā)電量并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的發(fā)電量。同時(shí)在實(shí)際調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，由于分布式光伏電源是利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能從而向客戶輸送電力，這就導(dǎo)致在每天進(jìn)行電力生產(chǎn)輸送時(shí)會(huì)形成高峰期，高峰期的時(shí)候光照充足的話，分布式光伏電源可以穩(wěn)定進(jìn)行電力供給，但如果光照不足且配電網(wǎng)產(chǎn)生故障，分布式光伏電源就無(wú)法正常進(jìn)行電力的生產(chǎn)和輸送，嚴(yán)重影響居民生活。

以張北20MWp 光伏并網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例為對(duì)象進(jìn)行研究分析。首先對(duì)河北張家口張北縣的太陽(yáng)能資源進(jìn)行了分析，然后進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)及發(fā)電量計(jì)算，包括光伏組件選型計(jì)以及電量計(jì)算。希望對(duì)之后國(guó)內(nèi)使用分布式光伏電源并網(wǎng)提供一些參考依據(jù)。

4 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行安全的影響

4.1 對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行安全的影響

我國(guó)配電網(wǎng)主要采用的都是中低壓類型，在面對(duì)大規(guī)模分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的情況下，很容易造成配電網(wǎng)運(yùn)行的失常，導(dǎo)致出現(xiàn)安全問(wèn)題，不利于電力的生產(chǎn)。例如，配電網(wǎng)往往是先于分布式光伏電源系統(tǒng)安置的，之前設(shè)計(jì)人員不會(huì)考慮到后期會(huì)接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，這就可能導(dǎo)致大面積的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，因?yàn)樨?fù)荷過(guò)重影響配電網(wǎng)工作，嚴(yán)重的可能直接導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。分布式光伏電源規(guī)模大、環(huán)節(jié)多，單獨(dú)依靠技術(shù)人員進(jìn)行人工控制管理難免會(huì)出現(xiàn)遺漏，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，所以需要對(duì)配電網(wǎng)采取自動(dòng)化管理，保障配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

4.2 對(duì)配電網(wǎng)檢修維護(hù)安全的影響

孤島效應(yīng)是分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，孤島效應(yīng)對(duì)于用電客戶影響較小，但會(huì)極大阻礙電力設(shè)施設(shè)備檢修人員的工作進(jìn)度。在產(chǎn)生孤島效應(yīng)之后，配電網(wǎng)中的保護(hù)設(shè)備很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)孤島現(xiàn)象，而沒(méi)有關(guān)閉分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送電力的開(kāi)關(guān)，從而導(dǎo)致維修技術(shù)人員在進(jìn)行配電網(wǎng)的日常檢修中發(fā)生安全事故的概率大大提高。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生孤島效應(yīng)，也會(huì)對(duì)于相關(guān)的電力設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。同時(shí)由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，由于線路接口多，光靠人工進(jìn)行檢修維護(hù)也是比較困難的。

4.3 對(duì)計(jì)量安全的影響

在實(shí)際的分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中，客戶往往增加一個(gè)單獨(dú)的電能計(jì)量表，這種私自安裝的電能計(jì)量表很不穩(wěn)定，而且非常容易遭到竊電。當(dāng)前分布式光伏發(fā)電主要適配的是中低壓的配電網(wǎng)。竊電的行為如果不加以制止，會(huì)對(duì)用戶的用電產(chǎn)生影響，也會(huì)最終對(duì)國(guó)家管理電力的成本造成嚴(yán)重?fù)p失。

5 保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行的相關(guān)措施

5.1 配電網(wǎng)安全運(yùn)行對(duì)策

通常來(lái)說(shuō)，分布式發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸入的電力大多都在規(guī)定電流的1.5倍以內(nèi)，配電網(wǎng)下游發(fā)生短路后，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送的電流也會(huì)減少，從而緩解下游短路的故障。所以在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)中低電壓的設(shè)施設(shè)備可以保持原有狀態(tài)，不進(jìn)行額外的調(diào)整。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入數(shù)量大大超過(guò)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行限度，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。因此，在具體的電力生產(chǎn)過(guò)程中要特別注意光伏發(fā)電系統(tǒng)在中低壓配電網(wǎng)中的接入情況。

同時(shí)針對(duì)容易發(fā)生孤島效應(yīng)導(dǎo)致電力設(shè)備出現(xiàn)安全問(wèn)題的現(xiàn)象，可以采用國(guó)家規(guī)定的脫網(wǎng)系統(tǒng)解決，即分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后兩秒之內(nèi)停止向配電網(wǎng)輸入電流，達(dá)到從根本上解決孤島問(wèn)題的效果。在具體的操作過(guò)程中，可以充分利用重合閘來(lái)延長(zhǎng)時(shí)間，提供更充足的時(shí)間給之后電力保護(hù)等系統(tǒng)啟動(dòng)和反應(yīng)，從而及時(shí)處理配電網(wǎng)電流輸送時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，保障配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

5.2 配電網(wǎng)檢修安全對(duì)策

配電網(wǎng)需要定期對(duì)其進(jìn)行檢修維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理配電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的安全隱患，為配電網(wǎng)的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

國(guó)家制定了對(duì)于分布式光伏發(fā)電以及配電網(wǎng)的檢修標(biāo)準(zhǔn)和流程，但在實(shí)際操作中由于電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜情況常常達(dá)不到規(guī)定的檢修標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)不僅要嚴(yán)格遵循國(guó)家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還需要根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況精準(zhǔn)地配電網(wǎng)中隱藏的安全問(wèn)題，從而及時(shí)解決處理，保障電力的正常供給。這就要求檢修人員必須具備相關(guān)資質(zhì)和工作經(jīng)驗(yàn)，否則對(duì)于出現(xiàn)的安全問(wèn)題不夠了解，也無(wú)法及時(shí)解決電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障，嚴(yán)重影響分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)和配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

針對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的孤島現(xiàn)象，在維修人員進(jìn)行電網(wǎng)檢修、維護(hù)之前就需要做好保護(hù)設(shè)備的檢測(cè)，保證保護(hù)設(shè)備在出現(xiàn)孤島效應(yīng)后可以完成保護(hù)功能。也可以在分布式發(fā)電系統(tǒng)中安裝負(fù)控設(shè)備，在進(jìn)行檢修過(guò)程中出現(xiàn)孤島效應(yīng)后可以對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而減少安全事故發(fā)生的概率，保障檢修人員的人身安全和電力設(shè)施的正常運(yùn)行。

5.3 計(jì)量安全對(duì)策

當(dāng)前一些用戶存在僥幸心理，缺乏對(duì)于竊電行為的認(rèn)識(shí)，經(jīng)常在分布式發(fā)電并網(wǎng)中安裝獨(dú)立的電力計(jì)量表，這種私自安裝的電能計(jì)量表很不穩(wěn)定，非常容易遭到竊電。電力的大規(guī)模被竊，會(huì)導(dǎo)致國(guó)家維護(hù)電力的成本大大增加。所以相關(guān)部門需要對(duì)廣大人民群眾進(jìn)行宣傳教育，讓用電的客戶、業(yè)主充分了解竊電行為的性質(zhì)以及相關(guān)的處罰措施，從根本上斷絕用戶竊電的想法。其次可以制定標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置報(bào)警裝置，如果用戶電流計(jì)量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào)，讓開(kāi)展竊電行為的用戶得到相應(yīng)的處罰。最后還應(yīng)該健全分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)中電流計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)對(duì)用戶用電計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，對(duì)于電流計(jì)量有問(wèn)題的用戶要更加關(guān)注，監(jiān)測(cè)其是否具有竊電行為。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，城市發(fā)展建設(shè)對(duì)于環(huán)境的破壞、污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要通過(guò)轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能成為日常電流，一般不會(huì)產(chǎn)生污染，具有清潔、可再生的特性。雖然分布式發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于國(guó)內(nèi)利用分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)還不夠成熟，所以在配電網(wǎng)中接入分布式光伏電源產(chǎn)生了一些問(wèn)題。本文主要研究分析了張家口張北縣光伏電站使用的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的具體應(yīng)用情況，對(duì)其中使用的太陽(yáng)電池以及電站整體發(fā)電量進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并根據(jù)日常分布式光伏發(fā)電可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決措施。