風光互補新能源并網發電試驗系統的研制與應用

黃來，李勁柏，劉武林

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007)

當前，能源、環境、氣候變化問題日益突出。發展清潔能源，開發“綠色”電力，推進能源戰略轉型，成為世界能源發展的新趨勢?？梢哉f，清潔能源的發展將帶來一場“能源革命”，對全球經濟社會發展和國際政治經濟秩序產生重大而深遠的影響。展望世界新能源發展趨勢，以美國為代表的世界發達國家及歐日韓等發達經濟體均在大力推進新能源，把發展新能源放在一個極其重要的戰略位置上，并將此作為應對當前金融危機、刺激經濟復蘇、增加就業機會的重要契機;作為推進經濟長遠發展、創造新的經濟繁榮的重要引擎;作為搶占未來經濟制高點、繼續保持世界經濟主導地位的戰略產業;作為減少溫室氣體排放、爭奪全球氣候變化斗爭領導權和控制權的重要砝碼〔1〕。

風電、太陽能等新能源的崛起強烈促使我國的國家電網實施智能化電網的開發。因為一些間歇性可再生能源的大規模利用將對傳統電網提出挑戰，它們的不穩定性將對傳統的電網產生沖擊〔2〕。

1 太陽能光伏并網發電系統

太陽能光伏并網發電系統由光伏電池組件、單相防雷配電箱、光伏并網逆變器和監控系統組成，光伏組件通過“光伏效應”把光能轉化為直流電能，經直流防雷后到并網逆變器將直流電轉換為與公用電網同頻率、同相位的正弦波交流電，再通過交流防雷和計量電表饋入公用電網實現并網發電。

1.1 光伏電池組件

本系統采用CS48－TD170型單晶硅光伏組件，主要參數為:輸出峰值功率170 W、峰值電壓35.5 V、峰值電流4.8 A、開路電壓44 V、短路電流5.1 A，尺寸為:1 589 mm×806 mm×35 mm;單晶硅光伏組件轉換效率≥16%。

共采用30塊峰值功率170 W的光伏電池組件，總峰值功率達到5.1 kW。

1.2 單相防雷配電箱

選用合肥陽光生產的6 kW單相防雷配電箱，該配電箱具備交直流防雷功能，從太陽能電池板出來的直流電經直流防雷到SG5K－B逆變器逆變成正弦波交流電再經過計量電表和交流防雷直接與電網連接實現并網。

1.3 并網逆變器

并網逆變器采用最大功率跟蹤技術，最大限度地把太陽能電池板轉換的電能送入電網。逆變器自帶的顯示單元可顯示太陽能電池方陣電壓、電流，逆變器輸出電壓、電流、功率等各項電氣參數。同時具有標準電氣通訊接口，可實現遠程監控。

選用SG5K－B并網逆變器，它通過時刻采集電網側的相位和頻率同步反饋給并網逆變器，并通過其內部的功率調節器將光伏組件發出的直流電能變換成與電網側同相位、同頻率的正弦波交流電，以220 V電壓實現并網，當電網斷電時并網逆變器也會同時切斷并網輸出。SG5K－B并網逆變器的主要技術參數見表1。

表1 SG5K－B并網逆變器的主要技術參數

1.4 太陽能電池組件分布

30塊170 W光伏組件，按每組15塊組件串聯，組成2個光伏組件陣列。SG5K－B并網逆變器最佳直流工作點為530 V，CS48－TD170參數為開路電壓為44 V，最佳工作電壓為35.5 V，短路電流為5.10 A，最佳工作電流為4.8 A，峰值功率為170 W。15塊串聯最佳工作電壓為532.5 V，正好在最佳工作點范圍。

2 風力并網發電系統

并網型風力發電系統由風力發電機、風機并網控制器、卸荷電阻箱、并網逆變電源及配電系統組成。風能通過風力發電機轉化為幅值和頻率變化的交流電，通過控制器整流為直流電，再經并網逆變電源將直流電轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波交流電，饋送入電網。

2.1 風力發電機

風力發電機采用某設備有限公司設計并生產的HY2－AD4型。系統主要由離心變槳風輪、發電機、回轉體(內裝輸電滑環、機械制動機構)、塔桿、制動系統、電纜、風機控制器等組成。風機的主要技術參數和特性功率曲線分別見表2和圖1。

表2 HY2－AD4型風機主要技術參數

圖1 功率曲線

2.2 其他系統組成

風力發電系統的并網逆變器采用某公司生產的WG3K并網逆變器，滿足2 kW風力發電系統的要求。卸荷整流箱采用該公司生產的WEL4K型卸荷整流箱。其它部件如單相防雷配電箱、監控系統、工控機、多機監控軟件、環境參數采集系統、顯示器與光伏發電裝置共用。

3 風光互補并網發電系統的研制

3.1 屋頂太陽光陰影跟蹤

在太陽能光伏發電系統運行中，局部陰影現象常會發生。由于局部陰影的存在，太陽電池板中某些電池的電流、電壓會發生變化，其結果是使電池板局部電流與電壓之乘積增大，從而在這些電池片上產生局部溫升。這將引起太陽電池組件中的某些電池片發熱，產生所謂“熱斑”現象。若熱斑的溫度超過一定極限將會使電池板上的焊點熔化并毀壞柵線，從而導致整個組件損壞。

在搭建太陽能光伏發電系統之前，對樓頂的太陽陰影進行了跟蹤，確定了陰影范圍。時間安排:2009年8月12日—2009年8月19日連續1周每天早晨07∶15—09∶15，下午16∶00—18∶00間隔0.5 h測量1次樓頂陰影區域。

經過連續1周的對樓頂陰影區域的測量，發現每天同一時刻陰影區域變化不大，綜合1周的測量數據繪制出樓頂的陰影區域示意圖如圖2所示。

圖2 測量數據繪制出樓頂的陰影區域示意圖

圖2中:左、右第1根線分別表示09∶15和16∶00的陰影邊界;左、右第2根線分別表示08∶45和16∶30的陰影邊界;左、右第3根線分別表示08∶15和17∶00的陰影邊界;左、右第4根線分別表示07∶45和17∶30的陰影邊界;左、右第5根線分別表示07∶15和18∶00的陰影邊界。

在8月份之后，早晨07∶45以前和晚上17∶00以后光伏發電裝置會處于陰影區域，有可能產生“熱斑”現象，會縮短光伏電池組件的使用壽命，但是由于早、晚產生陰影時太陽光強不是很大，并且陰影移動速度很快 (每分鐘至少移動幾厘米)，所以“熱斑”現象的影響不大。

3.2 風光互補并網發電系統原理

風光互補新能源并網發電系統原理圖如圖3所示。太陽能光伏發電系統通過單相防雷配電箱和并網逆變器轉換成與電網同頻率和相位的交流電并入配電網;風力發電系統通過卸荷控制器轉換成直流電，然后通過并網逆變器轉換成與電網同頻率和相位的交流電并入配電網。太陽能光伏發電和風力發電所產生的電能通過電表進行記錄。同時光伏并網逆變器和風機并網逆變器通過信號線傳輸給監控系統，對風光互補系統的運行狀況進行實時監控。

圖3 風光互補并網發電系統原理圖

4 運行和應用情況

圖4 太陽能光伏發電系統現場運行圖

圖5 風力發電系統現場運行圖

圖4和5分別為太陽能光伏發電系統和風力發電系統現場圖。其中太陽能光伏發電系統于2009年11月5日實現并網發電，風力發電系統于2009年11月17日實現并網發電。該風光互補系統的成功并網發電標志著湖南省首座風光互補并網發電系統正式落成。依據湖南省太陽能和風力資源分布情況，預計該風光互補并網發電系統年發電量可達10 000 kWh左右，節約電費6 000元左右，CO2減排量約為6 000 kg。

5 結論

文中通過現場試驗、設計和研究，搭建了風光互補新能并網發電試驗系統，并成功實現了并網發電。在此試驗系統的基礎上，筆者將進一步開展如下研究:

(1)間歇、隨機式新能源對配電網穩定性影響的研究。

(2)間歇、隨機式新能源接入電網時電能質量各參數的測試研究。

(3)太陽能光伏發電和風力發電系統并網逆變器參數測試研究。

(4)儲能系統對于間歇、隨機式新能源適應性研究。

(5)太陽能光伏發電系統和風力發電系統在線監測和故障診斷研究。

〔1〕張國寶.重視新能源發展〔J〕.時代汽車，2009，(4):43．

〔2〕許珊珊，聶繼飛.新能源分布式發電的應用研究現狀〔J〕.大眾用電，2009，(4):3-5．