太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

莊子喬

摘 要：在全球經(jīng)濟(jì)技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，全球環(huán)境污染和能源短缺等生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，而太陽(yáng)能作為目前世界上來(lái)源廣、污染少的新型可再生的能源之一，已得到了廣泛的運(yùn)用，其中光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的太陽(yáng)能發(fā)電的運(yùn)用最為常見(jiàn)。文章將對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析研究，主要從該系統(tǒng)技術(shù)的設(shè)計(jì)、以及運(yùn)用過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題方面進(jìn)行分析闡述。并對(duì)光伏系統(tǒng)工程中各部分的發(fā)電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的可行性提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏發(fā)電并網(wǎng)；系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0049-02

太陽(yáng)能的可再生性、清潔性，使其擁有廣泛的發(fā)展前景，在社會(huì)生活的方方面面的應(yīng)用廣泛。尤其是太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能電池都在多個(gè)領(lǐng)域中廣泛使用。

這類太陽(yáng)能產(chǎn)品的集成性、獨(dú)立性較高，像太陽(yáng)能路燈、家電等，因此這些產(chǎn)品中的大多使用的是直流負(fù)載獨(dú)立的供電方式。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的類型逐漸增多，并更趨成熟，其應(yīng)用的方式也更加豐富，因此運(yùn)用光伏并網(wǎng)技術(shù)的太陽(yáng)能發(fā)電已成為當(dāng)前發(fā)展最為迅速、運(yùn)用領(lǐng)域最為廣泛的光伏新能源應(yīng)用技術(shù)。

1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要有獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)三個(gè)部分組成。而依據(jù)光伏系統(tǒng)的運(yùn)用形式、規(guī)模以及負(fù)載的類別，又可以分為6種，即小型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、簡(jiǎn)單直流系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、混合供電系統(tǒng)以及并網(wǎng)混合系統(tǒng)。

下面將對(duì)其中的井網(wǎng)系統(tǒng)和并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作特征主要是太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電通過(guò)網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化成為適合電網(wǎng)要求的交流電網(wǎng)之后，直接進(jìn)入公共電網(wǎng)，光伏電池方陣所產(chǎn)生的電力不僅要負(fù)責(zé)交流負(fù)載，剩下的還要返還給電網(wǎng)。這樣，在陰天下雨時(shí)，太陽(yáng)能電池設(shè)備沒(méi)有生成電能或器生成的電能不能負(fù)擔(dān)起所有的用電負(fù)荷，電網(wǎng)就開始供電。因?yàn)樘?yáng)能發(fā)電可以直接進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，不用安裝蓄電池，，也就沒(méi)有了蓄電池儲(chǔ)能和釋放這一環(huán)節(jié)，避免了能量的不必要消耗，極大的減少了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。但是在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中就要有專門的并網(wǎng)逆變器，來(lái)確保輸出的電能達(dá)到相應(yīng)的需求。這樣就會(huì)損失掉部分的能量。這種系統(tǒng)與公用的電網(wǎng)和太陽(yáng)能電池組件陣列共同作為交流負(fù)載的電源，降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載卻電流，并且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以對(duì)公共的電網(wǎng)有著調(diào)峰的作用。但是這個(gè)系統(tǒng)屬于一種分散式的發(fā)電系統(tǒng)，會(huì)影響到電網(wǎng)的順暢運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)給予一定的重視度。

1.2 井網(wǎng)混合供電系統(tǒng)

在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展的今天，在整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)中，逐漸產(chǎn)生了太陽(yáng)光伏陣列、電網(wǎng)和備用油機(jī)的并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠當(dāng)做一個(gè)在線不間斷電源來(lái)促進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載供電保障率的提高。并網(wǎng)混合供電這一技術(shù)相對(duì)較為復(fù)雜，但是可以保證系統(tǒng)用電的穩(wěn)定性，在供電要求高、備用電源以及電網(wǎng)供應(yīng)不穩(wěn)定的情況下使用更加適合.

這種并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)一般會(huì)使用控制器和逆變器共同作用，通過(guò)電腦芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面控制，對(duì)各類能源進(jìn)行綜合運(yùn)用，來(lái)獲取最佳的工作狀態(tài)，并也能與蓄電池配合使用。

在并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)本地的負(fù)載功耗低于某個(gè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池多余的發(fā)電量或通過(guò)電網(wǎng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，確保蓄電池的浮充，以備不時(shí)之需。如果供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)自行斷開電網(wǎng)，進(jìn)行單獨(dú)工作，通過(guò)蓄電池或者是油機(jī)系統(tǒng)來(lái)供給負(fù)載所需要的交流電能。如果電網(wǎng)恢復(fù)了正常，這一系統(tǒng)就會(huì)再次進(jìn)入并網(wǎng)模式，有電網(wǎng)繼續(xù)完成供電工作。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成

2.1 子系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)都是相對(duì)獨(dú)立的，均是由光伏子系統(tǒng)、直流監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)以及并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)等構(gòu)成，將各個(gè)子系統(tǒng)的進(jìn)行有機(jī)結(jié)合后，再進(jìn)行380 V三相交流電接至升壓變，最后進(jìn)入供電網(wǎng)絡(luò)。

2.2 主設(shè)備選型

在大多數(shù)情況下，單臺(tái)逆變器的容量越大，單位造價(jià)就會(huì)相對(duì)較低，但是當(dāng)單臺(tái)逆變器容量過(guò)大時(shí)，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響，因此需要依據(jù)光伏組件安裝場(chǎng)地的真實(shí)狀況，選取適合額定電量的并網(wǎng)型逆變器。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的并網(wǎng)逆變器單臺(tái)容量最大可以達(dá)到500 kVA，但是100 kVA及以上的產(chǎn)品的運(yùn)行不足。為確保光伏發(fā)電場(chǎng)能夠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，并網(wǎng)型逆變器能通過(guò)分散成組相對(duì)獨(dú)立并網(wǎng)的方式，這就能夠促進(jìn)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的順暢運(yùn)營(yíng)。

并網(wǎng)型逆變器需要過(guò)、欠電壓，過(guò)、欠頻率，進(jìn)行短路保護(hù)，防孤島效應(yīng)，逆向功率保護(hù)等保護(hù)方式。每個(gè)逆變器都需要連接到多個(gè)串光伏電池組件，而這些電池組件可以利用直流監(jiān)測(cè)配電箱連接到逆變器。直流監(jiān)測(cè)配電箱內(nèi)部安裝的有組串電流監(jiān)測(cè)單元，能夠起到對(duì)各組串電流的監(jiān)測(cè)作用，還能運(yùn)用數(shù)據(jù)格式將整個(gè)電流監(jiān)測(cè)信息傳送到逆變器控制器中。

2.3 10 kV升壓系統(tǒng)電氣部分

10 kV升壓變電站的升壓變壓器額定容量、電壓比、低壓進(jìn)線回?cái)?shù)以及電容器都需要依據(jù)發(fā)電量的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)安排。

電氣綜合室需要進(jìn)行分層布置，最底層主要是配電裝置室、電容器室，而上層則為逆變室，安裝有監(jiān)控屏和逆變器屏。

在升壓變壓器上選擇的是箱型干式變壓器，容量依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行變更；而低壓進(jìn)線柜選擇的是低壓抽出式開關(guān)柜；高壓出線柜則使用的是中置式空氣絕緣開關(guān)柜。

2.4 防雷保護(hù)

升壓變電站一般處于室內(nèi)，因此為了使光伏電池組和升壓變電站的相關(guān)建筑設(shè)施在遭受直擊雷和感應(yīng)雷時(shí)得到相應(yīng)的保護(hù)，在光伏電池組件支架和升壓變電站的非導(dǎo)電體的頂部安裝環(huán)形避雷帶進(jìn)行防雷保護(hù)。為了確保相關(guān)人員的生命安全，所有的電氣設(shè)備都需要安裝接地裝置，電氣設(shè)備的外殼需要進(jìn)行接地保護(hù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成部分，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏電并網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成圖

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能組件方陣和并網(wǎng)逆變器兩部分組成。太陽(yáng)能組件將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，并網(wǎng)逆變器將直流電能逆變成交流電能供負(fù)載使用或傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。白天有日照時(shí)，太陽(yáng)能組件方陣發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載使用或傳輸?shù)焦搽娋W(wǎng)。當(dāng)光照不足或電網(wǎng)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。同時(shí)不斷檢測(cè)電網(wǎng)和光照條件，當(dāng)光照充足且電網(wǎng)正常時(shí)，系統(tǒng)再次并網(wǎng)運(yùn)行。本工程所建設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用分塊發(fā)電逆變，集中升壓并網(wǎng)模式。本項(xiàng)目光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖示意，如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖

3.1 逆變器升壓變壓器的方案選擇

合理的逆變器配置方案和合理的電氣一次主接線對(duì)于提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電效率，減少運(yùn)行損耗，降低光伏并網(wǎng)電廠運(yùn)營(yíng)費(fèi)用以及縮短電廠建設(shè)周期和經(jīng)濟(jì)成本的回收期具有重要的意義，合理的電氣一次主接線可以簡(jiǎn)化保護(hù)配置、減少線路損耗、提高運(yùn)行可靠性。同時(shí)合理的配置方案和合理的電氣一次主接線對(duì)于我國(guó)大規(guī)模的光伏并網(wǎng)電廠（30 MW以上）建設(shè)具有一定的示范意義。

方案一：由于廠區(qū)面積大，采用各建筑就近單獨(dú)設(shè)置逆變區(qū)（逆變器均帶隔離變），匯總后，再進(jìn)行二次升壓至10 kV。

方案二：采用各建筑就近單獨(dú)設(shè)置逆變區(qū)（逆變器均不帶隔離變） ，匯總后，再進(jìn)行升壓至10 kV。

方案比較：方案一逆變器帶隔離變，經(jīng)升壓后匯總，再進(jìn)行二次升壓，減少了匯總過(guò)程的線損，但是整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了兩次升壓過(guò)程，多了一次變壓損耗，而且增加了隔離變的投資。方案二逆變器不帶隔離變，直接匯總后升壓，多了一定的線損，少了一次變壓損耗，而且減少了隔離變的投資。

3.2 系統(tǒng)主要方案

擬利用工廠廠區(qū)的建筑屋面上沿屋面敷設(shè)光伏組件，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能的綜合利用，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用，采用多晶硅組件和并網(wǎng)式逆變器，建設(shè)總?cè)萘繛?0 MWp以上規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)。采用分塊發(fā)電、集中逆變，集中升壓并網(wǎng)方案，每個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電單元的電池組件采用串并聯(lián)的方式組成多個(gè)太陽(yáng)能電池陣列。太陽(yáng)能電池陣列輸入光伏方陣初級(jí)防雷匯流箱、直流配電柜后，通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器逆變輸出低壓交流電，通過(guò)10 kV升壓變升壓后并入電網(wǎng)。

根據(jù)不同建筑屋面大小布置電池組件，直流匯流箱采用10進(jìn)1出，然后接入直流配電柜和逆變器。采用光伏發(fā)電設(shè)備集中控制方式，在集中控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏設(shè)備及電氣設(shè)備的集中控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)。

光伏電站內(nèi)配置電流速斷/過(guò)流保護(hù)。在集中控制室屋頂安裝一套太陽(yáng)能發(fā)電環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有：風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、太陽(yáng)能電池溫度、太陽(yáng)總輻射等。

4 運(yùn)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)時(shí)需要注意的問(wèn)題

4.1 系統(tǒng)電壓的波動(dòng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的實(shí)際輸出功率會(huì)因?yàn)槿展獾膹?qiáng)度的變化而發(fā)生變化，在白天日照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，其發(fā)電裝置會(huì)輸出最大功率的電能，而在夜幕降臨時(shí)，輸出的功率近乎為零。所以，除了系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施的故障因素外，發(fā)電裝置的輸出功率會(huì)因?yàn)楣庹铡夂颉⒓竟?jié)等自然因素而發(fā)生變化，輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)。

4.2 諧 波

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔埽俳?jīng)并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)變成為和電網(wǎng)有著同樣的頻率和相位的正弦波電流，與電網(wǎng)共同作用，然而再這一過(guò)程中，會(huì)有大量的諧波產(chǎn)生。依據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波（GB/T 145-93）》中對(duì)于公用電網(wǎng)諧波電壓值的相關(guān)規(guī)定，見(jiàn)表1，可以對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估。

再進(jìn)入到公共聯(lián)接點(diǎn)的諧波電流允許值的規(guī)定上，因?yàn)樘?yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓不夠穩(wěn)定，實(shí)際進(jìn)入到公聯(lián)接點(diǎn)的諧波電流需要在發(fā)電裝置并網(wǎng)時(shí)依據(jù)相關(guān)的規(guī)定的測(cè)量方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這樣，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際進(jìn)入到電網(wǎng)時(shí)需要對(duì)諧波電流進(jìn)行檢測(cè)，確保電流符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，如果不符合，就要采取安裝濾波裝置等等措施。

5 結(jié) 語(yǔ)

從以上對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)分析探討中，可以看出太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用在技術(shù)上是具有可行性，從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)也是具有可行性的，對(duì)于社會(huì)環(huán)境的改善和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著巨大的影響，其推廣運(yùn)用能夠極大的促進(jìn)人類社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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