分布式光伏接入技術在電網中的實踐應用

顏陽委

（東莞電力設計院 廣東東莞 523413）

分布式光伏接入技術在電網中的實踐應用

顏陽委

（東莞電力設計院 廣東東莞 523413）

近年來雖然國內外在分布式供電的計算仿真、并網標準、分布式供電技術的試驗、分布式電源的設備測試、分布式供電對電能質量的影響等方面取得了很大進展。但在分布式電源的運行控制、配電網規劃、虛擬電廠、繼電保護、通信技術、能量管理等方面處于剛剛開始階段，雖然已經取得少許成果，但離廣泛實際化應用還存在很大距離。本文從具體工程實施角度出發，重點研究光伏發電在廣東東莞地區的接入系統設計方案。依托實際工程，提出實際應用中可能碰到的問題并提出解決方案。

分布式；工程實施；光伏發電

1 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，能源短缺、能源安全以及環境保護等方面的問題日益突出，如何加快可再生清潔能源的發展和高效利用已成為我國能源領域的重點發展戰略之一。分布式發電技術為風能、太陽能等可再生能源以及天然氣、氧氣等環境友好型能源的高效利用提供了有效的技術手段；同時，分布式電源可與大電網互為備用，提高了供電的可靠性和安全性。

然而，隨著分布式電源并網容量的不斷增長，分布式電源對電網帶來的影響也日益嚴峻和凸顯。在電網故障情況下，分布式電源并網點電壓會發生跌落或抬升，甚至并網點的頻率也將發生異常。因此，電網故障會給分布式電源機組帶來較為強烈的暫態過程，出現過壓、過流等現象。在以往分布式電源并網容量有限的前提下，為了保證電網故障情況下分布式電源機組的自身安全，同時避免分布式電源接入對電網保護與控制帶來的影響，IEEE 1547-2003規定：當電網發生故障或擾動時，分布式電源應迅速脫網。但上述規定在很大程度上降低了分布式電源的利用率，且難以實現故障緊急情況下對電網的電源支持，削弱了分布式電源提高供電可靠性的優勢。同時，目前分布式電源的并網容量已經達到了較高的水平，且在未來還會繼續增長，若分布式電源仍不具備抵御電網故障的能力，一旦電網發生故障就迅速脫網，則會進一步加劇功率失衡，危及電網的穩定運行。

2 光伏發電原理

根據光生伏特效應，太陽能電池板能夠吸收光子產生電動勢進行發電。太陽能光伏陣列通過吸收光能，發出直流電流，直流電流轉化為交流電流之后，通過變壓器或者直接接入電網系統，光伏并網發電原理如圖1所示。

圖1 光伏并網發電原理圖

對于光伏電站容量較大的，例如整個系統由很多光伏模塊組成的兆瓦級大系統，利用大系統來控制方案從而使全部逆變器能夠并聯運行。另外各子系統之間受某一特定的中心系統指揮控制，相互之間通過協作運行來達到統一調度控制的結果。由于運行環境的狀況改變，變壓器和逆變器會設計成幾種方案，由此通過通訊系統的調度，解決了由于日照強度高低變化所引起的效率問題，保證系統可靠、及時、高效的運行。通過直流配電柜-逆變器-交流配電柜之間的配合將光伏陣列接入電網。同時整個過程需要監控系統輔助完成。圖2為一種典型的地面電站并網系統示意圖。

圖2 地面電站并網系統示意圖

3 分布式光伏發電的特點

（1）輸出功率較小，分布式光伏電站項目的容量一般不超過數千千瓦。光伏電站容量的多少與發電效率的關系不大，這與高電壓的電站有所不同，因此對其經濟性不會造成很大的影響，但是與大型電站相比，小型光伏電站的投資收益率并不一定低。

（2）突出的環保效益，對環境的污染、破壞小。利用太陽光能分布式光伏電站項目得以運行，在運行中噪音低，不會產生污染和破壞空氣、水等資源物質。

（3）有效的緩解了部分地區用電緊張的狀況。不過由于分布式光伏發電的能量密度相對較低（系統的功率僅約100W/m2），其次能夠用于光伏發電的建筑屋頂面積是有限的。這樣導致不能根本性的解決用電緊張的問題，只能起到部分緩解的作用。

（4）發電用電能夠并存。通過升壓接入輸電網，大型的地面電站發電得以進行；對于分布式光伏發電來說，采用接入配電網，發電用電并存的方法，盡可能地達到就地消納的效果。

4 電力分布式光伏發電接入系統設計

4.1 光伏系統設計原則

4.1.1 分布式光伏電源接入配電網的準入容量

根據所接入配電網的特性和光伏電站的安裝容量，決定分布式光伏電源的并網點。一般來說，并網點的選擇與至上級變電站線路總長度和參數、區域配電網的電網結構和運行方式、光伏電站的安裝容量有著密切關系。尤其當大量光伏電站并網之后，隨著光伏電站出力的變化，配電網的潮流將重新分配。目前配電網接線模式主要有電纜網絡的架空線路多分段多聯絡網、雙電源單n接線及雙電源雙n接線。根據光伏電源并網后的情況綜合考慮，區域配電網的電壓質量、電壓穩定、諧波注入量以及可靠性等多方面的要求，通過合理的控制接入電源的安裝容量和電壓等級，使光伏電源對區域配電網的沖擊能夠有效降低。應根據當地配電網的系統參數、運行工況和實際網架結構來選取光伏電源的滲透率。經過多次仿真計算，在一般情況下，東莞地區的光伏電站專線接入的是400V、10kV公用電網，光伏電源安裝的容量應小于上級變電站中最小單臺變壓器額定容量的15%；光伏電站T接入10（20）kV公用線路，其總安裝的容量應小于該線路最大輸送容量的30%。并網電壓等級如表1所示。

表1 光伏電源并網電壓等級

4.1.2 結構輕巧而穩定原則

穩定的結構不僅能夠保證安全，而且也能產生出一種所特有的穩定結構的美感，失穩的結構會讓人覺得有危機感，造成緊張的氛圍，給人一種很不愉悅的感覺。但過于粗放、保守的設計又顯得累贅、笨拙，缺乏靈氣，也會使人不愉快。

4.1.3 環保節能原則

在該工程中光電技術的主要應用在光伏屋頂上。發電是其主要功能，特別是太陽能電池發電，既不會產生對溫室效應有害的氣體或排放二氧化碳，也沒有噪音，是一種潔凈能源，環境友好型能源。因此它嚴重影響著整個建筑的環保節能性能。

4.1.4 拆卸更換、維修方便的原則

當太陽能屋頂的某個局部受到損害時，組件板塊靈活方便地進行拆卸更換，與系統的功能保持良好，結構保持原樣等因素密切相關。因此在結構設計時必須要求可方便更換，且不能影響發電系統的正常使用。

4.1.5 經濟性原則

在以上原則得到充分保證的前提下，要充分考慮系統的效益性、經濟實用性，使發電系統的經濟實用價值有所提高。確保資金投向合理，在符合國家規范的前提下，材料的合理使用是十分必要的，只有合理地、巧妙地使各材料的相關特性得以發揮，才能達到最大的經濟利益。在該工程中，精心研究、集中優勢。

4.2 接入系統方案和建設規模

（1）接入系統方案

并網光伏發電系統由太陽能電池組件（方陣）、交/直流配電系統（箱、柜）、帶MPPT、防雷系統的并網逆變器等器件組成。該項目中樓頂光伏陣列將太陽能轉換為直流電流，然后通過線纜將電流傳送到與之相連接的逆變器的直流輸入端；通過采用MPPT（最大功率跟蹤）技術，逆變器使光伏陣列保持在最佳輸出狀態，同時將直流電轉換成為與電網相位和頻率都一樣的交流電流，從而達到符合并網發電的要求；經配電箱輸出沿電纜溝將每一臺逆變器輸出的380V交流電，送至現有的低壓配電室后并網。光伏并網逆變器具有通訊和數據采集功能，能夠檢測電網的頻率、電壓、功率因數、逆變器輸出電流等側運行參數，及太陽福射溫度、強度等環境參數。

（2）建設規模

東莞市石碣鎮臺達電子（東莞）有限公司分為一期和二期工廠，本工程擬利用一期和二期廠區共建設分布式光伏約2MWp。其中利用一期廠區的沖壓車間和物流中心屋頂安裝744.6kWp光伏發電系統，利用二期廠區的三廠和四廠，鉅達廠及停車棚安裝1168.65kWp光伏發電系統，均采用用戶側0.4kV并網方式，自發自用為主，供應廠區生產、照明和空調系統部分電力，少余電量上網。

圖3為一期工廠的物流中心的光伏發電接入系統圖。

4.3 主要設備選型

4.3.1 太陽能電池組件

電池是太陽能光伏系統中最重要組成部分，是電池主要負責收集陽光。把很多的電池合在一起就構成了光伏器件。光伏器件又可以分為單晶硅、多晶硅和非晶硅組件。其中單晶硅器件具有較高的電池轉換效率、穩定性，但是其成本昂貴。多晶硅器件具有較高的生產效率，但其轉換效率低，優點是成本不高。非晶硅器件的優點是簡單的生產工藝，較高的生產效率，最低的生產成本，缺點是轉換效率不高。與晶體硅相比，非晶硅光伏器件具有比較好的弱光性，較長的日發電時間，但受目前市場的局限，計算專用于非晶硅發電量的軟件及公式還沒有問世。經過比較以上電池器件的各方面性能，本項目決定選擇275Wp多晶硅太陽能電池組件。

圖3

表2 太陽能電池組件參數

4.3.2 逆變器的選型

本工程所建設的光伏發電系統采用帶功率流向檢測的并網模式，光伏系統所發電能由樓內用電設施就地消耗。逆變器選用最大直流輸入功率175kW，電網工作電壓范圍380（±10%）V，電網工作頻率范圍50（± 0.5）Hz，功率因數>0.98，電流總諧波畸變率THD<3%。

4.4 光伏并網要求

（1）有功功率

全部裝機容量指的是小型光伏發電系統10min內，有功功率變化的最大限值，1min內有功功率變化最大限值為0.2MW。

（2）無功功率

當有功功率大于額定功率一半時，功率因數大于0.98，輸出有功功率在20～50%之間，功率因數大于0.95。

（3）電壓范圍

按照表3要求的時間停止向電網線路送電。

表3 電網電壓異常時的要求

（4）頻率范圍

并網點頻率超過49.5～50.2Hz范圍時，應在0.2s內停止向電網線路送電。

5 結束語

本文通過東莞地區分布式光伏發電接入系統的設計，結合國家現有的分布式光伏接入技術的經典設計案例，針對分布式光伏接入對系統帶來的影響，詳細分析了分布式光伏發電接入技術系統的設計方案。由于條件和時間有所限制，本文只研究了光伏發電站直接接入380V電網，仍需要進行進一步的研究完善直接接入10kV電網方面的工作，另外分布式光伏在不同的方式接入、不同的電壓等級對電網的綜合性影響將是同行今后的主要研究方向。

最后，以前期試點工程為基礎，分布式光伏接入技術的發展應形成一定的施工及運行經驗，并分析總結運行中的項目，從而解決實際中突發的問題。同時發布與分布式光伏發電相關的技術、運維、設計、試驗等方面的標準，循序漸進的推廣分布式光伏發電在電網中的大規模接入。

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1004-7344（2016）15-0057-03

2016-5-12