光伏電站及其并網(wǎng)方式探討

談 康

（南京供電公司，南京 210008）

光伏電站及其并網(wǎng)方式探討

談 康

（南京供電公司，南京 210008）

太陽能資源豐富，分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗淝鍧崱踩⒈憷⒏咝У忍攸c(diǎn)正成為國內(nèi)外普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。江蘇南京地區(qū)年日照平均2 200～3 000 h，有較好的光照條件，適合因地制宜地建設(shè)一定容量的光伏電站。

1 光伏發(fā)電原理及光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽能照射到太陽能電池上時(shí)。電池吸收光能，產(chǎn)生光電子——空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異性電荷的積累，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)荷，則負(fù)載就有光生電流流過，從而獲得功率輸出，太陽的光能則直接變成了可以應(yīng)用的電能。通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)或稱作光伏電站。

光伏電站可分為離網(wǎng)或并網(wǎng)2種運(yùn)行方式。離網(wǎng)光伏電站一般遠(yuǎn)離公用電網(wǎng)，由太陽能電池陳列、離網(wǎng)逆變器以及獨(dú)有的蓄電池自成光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏電站則是由太陽能電池陳列將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，直流匯流裝置匯流后通過并網(wǎng)逆變器將直流轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波并入公用電網(wǎng)。

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電站的核心部件。并網(wǎng)逆變器不僅將光伏陳列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的交流電，而且對(duì)交流電的頻率、電壓、相位、同步等進(jìn)行控制；在將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯倪^程中還會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，因此交流逆變器的品質(zhì)好壞決定了光伏發(fā)電效率及電能質(zhì)量。并網(wǎng)光伏電站的逆變器必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 中小型光伏電站并網(wǎng)方式的探討

2.1 光伏電站接入電網(wǎng)原則

國家電網(wǎng)公司《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（Q/GDW 617—2011）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)定》）第4.2節(jié)規(guī)定：光伏電站接入公用電網(wǎng)的連接方式分為專線接入公用電網(wǎng)、T接于公用電網(wǎng)以及通過用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)3種方式。江蘇省電力公司《光伏電站接入系統(tǒng)導(dǎo)則》（2010年版，以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）第5.1節(jié)規(guī)定：光伏電站接入江蘇電網(wǎng)的電壓等級(jí)一般應(yīng)符合表1規(guī)定。

江蘇南京地區(qū)光伏電站的接入方式還應(yīng)結(jié)合光伏發(fā)電的特點(diǎn)以及地區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)際，考慮以下因素：①光伏電站發(fā)出的電力是隨著光照強(qiáng)弱變化的間隙性電源，電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的供電可靠性設(shè)有高的要求；②江蘇南京地區(qū)中、低壓配電網(wǎng)的線路、線路走廊以及配電站母線出線間隔資源有限，光伏電站的接入必須綜合優(yōu)化利用；③光伏電站的發(fā)電時(shí)間正值電網(wǎng)用電峰值的白天，為減少光伏的輸電網(wǎng)損、優(yōu)化配電網(wǎng)的潮流分布，應(yīng)盡量考慮采用就地平衡消化的接入方式；④江蘇南京地區(qū)土地資源稀缺，大部分光伏電站的建設(shè)場(chǎng)地是利用建筑物屋頂，分散布置在建筑物屋頂?shù)墓夥娬救萘坑邢蓿嚯x周邊中低壓配電網(wǎng)較近；⑤為防止并減少光伏電站在用電低谷時(shí)向上一級(jí)電網(wǎng)倒送電力，接入同級(jí)電壓網(wǎng)同一供電區(qū)域的中小型光伏電站的總?cè)萘浚瓌t上不宜超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%。

表1 光伏電站接入電壓等級(jí)表

2.2 光伏電站并網(wǎng)方式

按照以上原則，可結(jié)合電站的總裝機(jī)容量、周邊電網(wǎng)的實(shí)際情況，根據(jù)以下條件來選擇具體的光伏電站接入系統(tǒng)方式。

（1）裝機(jī)容量200 kWp及以下的光伏電站，由于其容量較小，宜直接接入380（400）V低壓配電網(wǎng)，光伏電站發(fā)出的電力可直接在低壓配電網(wǎng)用電負(fù)荷側(cè)全部消納利用。

（2）裝機(jī)總?cè)萘看笥?00 kWp、小于等于所接入電網(wǎng)線路最大輸送容量30%的光伏電站，為充分利用和節(jié)省電網(wǎng)資源，宜考慮以10 kV及以上電壓等級(jí)、采用T接方式接入電網(wǎng)。T接方式可有效減少光伏電能的輸電網(wǎng)損，為光伏電站就地發(fā)電、就地平衡消納的發(fā)用模式創(chuàng)造條件。

（3）裝機(jī)總?cè)萘看笥跀M接入的10 kV及以上電壓等級(jí)配電線路最大輸送容量30%的光伏電站，按照《規(guī)定》4.3.2節(jié)的要求，應(yīng)采用專線接入電網(wǎng)。

（4）光伏電站一般應(yīng)接入公用電網(wǎng)。當(dāng)不具備接入公用電網(wǎng)條件時(shí)，經(jīng)論證審定，可就近接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)。光伏電站采用通過用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)的接入方式應(yīng)遵守《電力法》的有關(guān)規(guī)定。

另外，為了確保電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備安全，無論光伏電站采用何種接入方式，光伏電站與電網(wǎng)只能有唯一一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，并網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置易于操作、具有明顯開斷點(diǎn)的并網(wǎng)總斷路器。

3 防孤島措施

由于光伏電站孤島運(yùn)行可能繼續(xù)向電網(wǎng)線路送電，會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備人身安全帶來隱患，因此，防孤島運(yùn)行是并網(wǎng)光伏電站重要的安全措施之一。《規(guī)定》第8.2節(jié)規(guī)定，公用電網(wǎng)停止供電后，光伏電站必須立即斷開與電網(wǎng)的連接，防止在孤島狀態(tài)下運(yùn)行。

防止光伏電站孤島狀態(tài)下運(yùn)行，可在電站內(nèi)部和電網(wǎng)側(cè)2個(gè)層面上采取措施。

光伏電站內(nèi)部的并網(wǎng)逆變器一般均具有主動(dòng)式和被動(dòng)式2種防孤島保護(hù)。主動(dòng)式防孤島保護(hù)方式主要有判別頻率偏差、有功功率變化、無功功率變動(dòng)、電流脈沖注入引起阻抗變動(dòng)等；被動(dòng)防孤島保護(hù)方式主要有電壓相位跳動(dòng)、3次諧波變動(dòng)、頻率變化等。當(dāng)電網(wǎng)故障、光伏電站可能形成孤島狀態(tài)的瞬間，逆變器防孤島保護(hù)快速監(jiān)測(cè)，立即動(dòng)作，將光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)并網(wǎng)總斷路器斷開。

200 kWp及以下小型光伏電站，站內(nèi)一般只需一臺(tái)并網(wǎng)逆變器，逆變器防孤島保護(hù)可以滿足光伏電站防孤島的技術(shù)要求。因此《規(guī)定》中規(guī)定小型光伏電站電網(wǎng)側(cè)可以不再設(shè)置防孤島保護(hù)。

大中型光伏電站站內(nèi)一般均配置多臺(tái)并網(wǎng)逆變器。由于目前多臺(tái)逆變器之間相關(guān)的配合控制還存在技術(shù)困難，因此，電網(wǎng)側(cè)需采取防孤島措施。《規(guī)定》第8.2節(jié)明確規(guī)定：大中型光伏電站，公用電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置必須保障公用電網(wǎng)故障時(shí)切除光伏電站。

為防止大中型光伏電站發(fā)生孤島運(yùn)行，并網(wǎng)光伏電站除按系統(tǒng)要求，需配置并網(wǎng)線路的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置外，其并網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為光伏電站的防孤島解列點(diǎn)，解列點(diǎn)應(yīng)配置防孤島的解列保護(hù)、配置頻率控制器。江蘇電網(wǎng)并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)保護(hù)、自動(dòng)裝置中均已在并網(wǎng)點(diǎn)配置了頻率控制器，電網(wǎng)運(yùn)行管理部門可合理整定防孤島解列點(diǎn)解列保護(hù)頻率控制器的頻率偏差值，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障、光伏電站有可能形成孤島的瞬間，由于光伏電站發(fā)電功率與孤島負(fù)荷的不平衡，瞬時(shí)將產(chǎn)生頻率突變，解列保護(hù)快速監(jiān)測(cè)、立即斷開并網(wǎng)點(diǎn)并網(wǎng)總斷路器，從電氣（一次）上安全、可靠地將并網(wǎng)光伏電站從電網(wǎng)中切除。將光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置為防孤島解列點(diǎn)，配置相應(yīng)由頻率偏差整定并控制的防孤島解列保護(hù)，可有效地防止光伏電站孤島運(yùn)行。

4 電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償

《規(guī)定》第6.2.3節(jié)規(guī)定，容量在200 kWp及以下小型光伏電站，由于容量小，對(duì)電網(wǎng)無功電壓支持非常有限，電網(wǎng)一般不要求其具備無功功率和電壓調(diào)節(jié)能力。因此，小型光伏電站的并網(wǎng)逆變器只需具備：當(dāng)其輸出有功功率大于其額定功率的50%時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98（超前或滯后），輸出有功功率在20%～50%之間時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95（超前或滯后）的功能，接入電網(wǎng)時(shí)，不需要考慮無功補(bǔ)償。

大中型光伏電站原則上均應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，并應(yīng)具備無功功率及電壓調(diào)節(jié)控制能力。

品質(zhì)優(yōu)良的并網(wǎng)逆變器一般均具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，并網(wǎng)光伏電站可利用逆變器無功調(diào)節(jié)功能，在額定功率因數(shù)1.0～±0.95（0.9）范圍進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)模式大致可分為按照電網(wǎng)調(diào)度指令、給定的電壓曲線以及并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化3種。并網(wǎng)光伏電站可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行管理部門的要求，在無功可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，通過電站無功電壓控制系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)光伏電站的無功出力，并控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓。因此，對(duì)具備無功電壓調(diào)節(jié)控制能力的光伏電站原則上不需要再另行裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。

由于目前江蘇南京地區(qū)已并網(wǎng)以及正在建設(shè)準(zhǔn)備并網(wǎng)的光伏電站，其并網(wǎng)逆變器的無功調(diào)節(jié)功能大多尚未得到全面開發(fā)和利用，其額定功率因數(shù)均設(shè)定為1.0（或0.99），不具備無功調(diào)節(jié)能力。因此，為保證光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平和電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，大中型光伏電站應(yīng)按照《規(guī)定》的要求，配置相應(yīng)容量的無功補(bǔ)償裝置。

《規(guī)定》第6.2.2節(jié)規(guī)定：對(duì)于專線接入公用電網(wǎng)的大中型光伏電站，其配置的容性無功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集系統(tǒng)、主變壓器的全部感性無功及光伏電站送出線路一半的感性無功功率之和；其配置的感性無功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏電站送出線路的一半充電無功功率。

《規(guī)定》設(shè)有對(duì)T接于公用電網(wǎng)的光伏電站的無功補(bǔ)償方式及容量作具體的規(guī)定。由于T接配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，T接線路一般不會(huì)太長,T接的光伏電站容量相對(duì)又較小，因此，T接光伏電站的無功補(bǔ)償可以不影響線路T接前的無功電壓水平和電網(wǎng)電壓質(zhì)量為原則進(jìn)行補(bǔ)償。在接入系統(tǒng)時(shí)可結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際考慮以下2種方法來確定光伏電站的無功補(bǔ)償裝置類型及容量：①光伏電站“全額滿出力”、“零出力”2種典型運(yùn)行方式，光伏電站T接點(diǎn)的注入潮流功率因數(shù)為1.0，所對(duì)應(yīng)的光伏電站的容性、感性無功出力為無功補(bǔ)償容量；②光伏電站的容性補(bǔ)償容量以全額補(bǔ)償電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集系統(tǒng)、主變壓器及T接線路的全部感性無功之和。感性無功容量：補(bǔ)償T接線路一半充電無功功率。

按照《規(guī)定》第6.2節(jié)的要求，并網(wǎng)光伏電站配置的無功補(bǔ)償容量應(yīng)是可調(diào)節(jié)的。

5 結(jié)束語

綜上所述，光伏電站最終確定的并網(wǎng)方式、無功補(bǔ)償類型、容量，應(yīng)綜合考慮光伏電站總裝機(jī)容量、周邊電網(wǎng)實(shí)際情況，因地制宜地選擇技術(shù)、經(jīng)濟(jì)均優(yōu)的接入系統(tǒng)方案

：

[1]國家電網(wǎng)公司.光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].

[2]江蘇省電力公司.光伏電站接入系統(tǒng)導(dǎo)則[S].

[3]趙爭(zhēng)鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011(12)：106-112.

Discussion on photovoltaic power station and its network mode

TAN Kang
（Nanjing Electric Power Supply Company,Nanjing 210008,China）

2012-05-28

1009-1831（2012）06-0056-03

TM6158

E

（

徐文紅）