分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究與設(shè)計

李冉

摘要：作為電力需求的大國，中國在光伏發(fā)電技術(shù)上的應(yīng)用逐步走向前列，其入網(wǎng)設(shè)計等級涵蓋當(dāng)前的各個電壓等級。但是，為了實現(xiàn)分布式光伏柔性并網(wǎng)，科學(xué)地制定并網(wǎng)接入方案方面的研究比較少。因此，需要加強分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的設(shè)計，使其構(gòu)成一個站用電微網(wǎng)系統(tǒng)，形成一種變電站輔助設(shè)備新型高效節(jié)能用電的解決方案，能有效為變電站提供一個高效、可靠、安全、經(jīng)濟的供電環(huán)境。文章就此進行分析。

關(guān)鍵詞：分布式；光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)；設(shè)計

1 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池組件、并網(wǎng)逆變器等組成。有些系統(tǒng)還包括匯流箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、運行顯示和監(jiān)控等設(shè)備。光伏并網(wǎng)發(fā)電方式是將太陽能電池陣列所發(fā)出的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)變成交流電能輸送到電網(wǎng)中。

1.2 太陽能電池工作原理

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。其基本原理是當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓。光能以產(chǎn)生電子空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

1.3 逆變器工作原理

逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電轉(zhuǎn)換成交流電。逆變器主要由晶體管等開關(guān)元件構(gòu)成，通過有規(guī)則地讓開關(guān)元件重復(fù)開-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。一般還需采用高頻正弦脈寬調(diào)制，使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開關(guān)元件按一定頻率朝一方向動作，這樣形成一個脈沖波，然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。同時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的并網(wǎng)逆變器擁有自動相位和電壓跟蹤裝置，能夠非常好地配合電網(wǎng)的微小相位和電壓波動，不會對電網(wǎng)造成影響。

2 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計要點

2.1 設(shè)計入網(wǎng)問題

接入電壓等級及接入變電站選擇是分布式光源并網(wǎng)的重點，依據(jù)國家電網(wǎng)公司給出的分布式電源接入相關(guān)要求，從電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案出發(fā)，綜合合理考慮周邊電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、周邊的路徑現(xiàn)狀及城市規(guī)劃布局。如本文提到的黃石鐵山光伏接入系統(tǒng)的裝機容量為50MVA，同時考慮周邊無35kV電壓等級，考慮從110kV電壓接入。黃石鐵山光伏接入系統(tǒng)周邊有2座220kV變電站、2公用3專用共5座110kV變電站，設(shè)計從間隔使用及擴建角度出發(fā)，考慮了110kV、220kV變電站實際間隔情況，然后根據(jù)變電站的距離、運行情況、線路及變電站的負(fù)載率出發(fā)。

2.2 設(shè)計路徑問題

路徑選擇是接入系統(tǒng)報告面臨的一項重要問題，可行的路徑及最優(yōu)的路徑方案，不僅要滿足國網(wǎng)要求的線路典型設(shè)計（雙聯(lián)絡(luò)、單環(huán)網(wǎng)、雙輻射等），更要使得線路設(shè)計最優(yōu)化、經(jīng)濟最優(yōu)化，為達(dá)到以上要求，本文涉及的可研從鐵山城區(qū)通過，從導(dǎo)線選擇上可選用架空線及電纜，從線路廊道上可直接從城區(qū)主干網(wǎng)絡(luò)通過也可從山邊沿綠化道通過（線路相對前者超20%），通過技術(shù)性及經(jīng)濟性比較，最終選用了較為經(jīng)濟的架空線路，避免從城區(qū)與水網(wǎng)、石油管道及地下通信電纜相交叉現(xiàn)象。

2.3 繼電保護設(shè)計

光伏電源的并網(wǎng)會造成電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及短路電流的大小、流向發(fā)生變化，配電網(wǎng)也從原來的單電源系統(tǒng)變成多電源系統(tǒng)。分布式電源側(cè)宜配置相應(yīng)的繼電保護裝置，且配電網(wǎng)原有的系統(tǒng)保護和重合閘裝置需相應(yīng)地調(diào)整，并需要具有方向性，確保配電網(wǎng)保護能準(zhǔn)確、快速地切除故障。

2.3.1 繼電保護配置

35/10kV電壓等級接入時，若光伏側(cè)設(shè)有母線，不必配置專用的母線保護裝置。當(dāng)發(fā)生故障時，通過光伏的后備保護（線路保護）切除故障；并網(wǎng)點處需配置安全自動裝置，若線路保護具備失壓跳閘及低壓閉鎖合閘功能，也可不配置單獨的安全自動裝置。

專線接入時，線路保護需配置方向過電流保護（或距離保護，若靈敏度要求較高時，也可以配置縱差保護）。T接于配電網(wǎng)線路的分布式電源側(cè)應(yīng)配置電流速斷保護。

2.3.2 電壓波動率計算

光伏電源輸出功率受光照影響大，具有波動性、間歇性的特點，會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃變。根據(jù)Q/GDW11147-2013《分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的要求，光伏接入公共連接點造成的電壓波動率dPV不能超過5%。GB/T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》給出了電壓波動率d的計算公式：

式中：ΔSi為三相負(fù)荷變化量，即指光伏工作容量，由于各電氣設(shè)備和電纜會造成電力損耗，光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率通常≤80%，因此，光伏工作容量可以按照安裝容量PCOI的0.8倍計算。Ssc為公共連接點在正常較小方式下的短路容量，可以按照0.7倍的最大短路容量計算。

2.4 光伏接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計

考慮光伏接入系統(tǒng)的穩(wěn)定計算問題，光伏接入是否帶來電壓的異常、是否對調(diào)度的運行產(chǎn)生大的影響等。光伏接入的電壓等級、變電站的負(fù)載能力、是否升壓、是否倒供、是否改變電壓大小等均是設(shè)計考慮的主要問題。因光伏發(fā)電具備點多面廣問題，因此在接入電網(wǎng)系統(tǒng)中不再是像發(fā)電廠那樣得升壓作為電源首端輸出電能，分布式光伏發(fā)電將根據(jù)地理優(yōu)勢，廣布點接入電網(wǎng)，因此電能質(zhì)量、頻率、電壓穩(wěn)定等均成為分布式電源的校驗重點。本文舉例工程從220kV鐵山變?nèi)刖W(wǎng)，該220kV常供110kV電能為61.5MW，大于光伏發(fā)電的最大負(fù)荷50MW，因此在傳送時不考慮其電能送往上級情況，但在此電壓變化中，需考慮電壓由光伏側(cè)至鐵山變電站側(cè)的電壓降，對加入無功補償或調(diào)壓器對電壓進行補償，以降低電壓波動，滿足電壓電能傳送標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，光伏發(fā)電是我國重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，大力推進光伏發(fā)電應(yīng)用對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、改善生態(tài)環(huán)境、轉(zhuǎn)變城鄉(xiāng)能耗方式具有重大戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]記者馬俊婭.個別地區(qū)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)困難[N].中國電力報，2016-08-01003.