典型分布式光伏發(fā)電工程電力系統(tǒng)接入的優(yōu)化設(shè)計(jì)

■ 李晟 吳江 朱軍峰

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司；2.中冶華天南京電氣工程技術(shù)有限公司)

0 引言

分布式光伏發(fā)電是指利用工商企業(yè)廠房屋頂或者廠區(qū)內(nèi)其他空間資源，裝機(jī)規(guī)模一般較小，發(fā)電單元布置在負(fù)荷側(cè)，通常是以10 kV及以下電壓等級(jí)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)。典型的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目消納模式采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)節(jié)”，從技術(shù)性來看，既可以減少能源的傳輸損耗，又能保證用戶能源供給的穩(wěn)定可靠；從經(jīng)濟(jì)性來看，由于政策的引導(dǎo)，收益也高于“標(biāo)桿電價(jià)”全額上網(wǎng)的消納模式。得益于技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以自發(fā)自用為主的分布式光伏發(fā)電工程的投資建設(shè)及技術(shù)研究受到了極大關(guān)注，該電力系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)也取得了豐富的研究成果[1-2]。

在很多研究和工程實(shí)踐中，往往將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與其所依存的企業(yè)配電網(wǎng)相割裂，忽視了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與企業(yè)配電網(wǎng)之間的相互影響和相互制約，降低了光伏工程的經(jīng)濟(jì)效益和配電網(wǎng)安全。本文以典型分布式光伏發(fā)電工程為例，在深入分析和研究企業(yè)配電網(wǎng)現(xiàn)狀與特性的基礎(chǔ)上，提出了分布式光伏發(fā)電工程電力系統(tǒng)接入優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法。

1 企業(yè)配電網(wǎng)情況分析

某汽車制造公司10 kV供電系統(tǒng)的電源來自上級(jí)110 kV變電站。廠區(qū)10 kV開閉所設(shè)置了3條獨(dú)立母線，不設(shè)母聯(lián)。其中：

1)Ⅰ段母線電源由上級(jí)變電站1F71間隔引來，該段母線設(shè)置15臺(tái)配電設(shè)備，主要供給焊裝車間、總裝車間、涂裝車間、綜合站房用電。Ⅰ段母線單線原理圖如圖1所示，Ⅱ、Ⅲ段母線與之類似。

2)Ⅱ段母線電源由上級(jí)變電站1F74間隔引來，該段母線設(shè)置14臺(tái)配電設(shè)備，主要供給焊裝車間、總裝車間、沖壓車間、涂裝車間、綜合站房、高壓空壓機(jī)用電。

5×1 0 Y-1 2 T M k V 1 0線母段I線母1 0 k V A 1 2 5 0 A 只級(jí)5 k k V 5 0 H 1柜柜P 2 1 0 1 A 線置器關(guān)用出中路0 0/5，3.5/5 8 0 0備斷/0 Z-1 7/4 5，開空5 W 地真C T：2 0.2 S Y H 接……5 0 A A 1 2只級(jí)0 5 k 1 H 7柜柜1 0 k V A H 1 A 線置器關(guān)間出中路0 0/5，3.5/5 P 2 8 0 0斷/0 Z-1 7/4 5，開0 0 k V A車空5 W 地1 6裝真C T：2 0.2 S 焊A Y H柜只級(jí)0 5 k k V接級(jí)，3 H 6線出柜1 2 5 0 A P 2 1 0組組1 A 組置器關(guān)7 5 0)器器中路0 0/5，3.5/5開8 0 0容容斷/0 Z-1 7/4 5，地4 5 0+電電空C T：2 0.2 S 5 W Y H 接1 2 0 k V a r(2 A柜V備只3 5 k H 5設(shè)/0.5真線柜1 A 母置1-1 2只：1 0 k 1 8 0 0 1 0 k V 中R P X N P T：1 0 k V，(1 0/3)/(0.1/3)/(0.1/3)k V Z-1 7/4 5，5 W 器Y H 諧消柜只級(jí)H 4總網(wǎng)柜1 2 5 0 A 2 0 1 A 并置器V 路0 0/5，3置8 0 0 1 0 k 中斷裝空保真C T：8 0.5/0.5/5 P繼V柜只.1 k H 3量級(jí)/0.5 1 0/0級(jí).2柜1 A 計(jì).2 S k V 置0 0/5，2/0 1-1 2 8 0 0 1 0中：6 R P 只，0 C T 0.2 S X N：1 0 k V，2 P T A A柜5 k H 2線柜1 2 5 0 1 A 進(jìn)k V 置車N-1 2 6 9 0 k V A 8 0 0 1 0中手離Z-1 7/4 5，5 W D X 1 0 Y H.5 H 1柜柜V 1 A 變用置-1 2/3 1.4 k y n 1 1 8 0 0所中R T 1 0-3 0/1 0隔X N S C 1 0/0 D，3 0 k V A數(shù)參號(hào)稱型備量寬注編名柜設(shè)容柜備要主圖理原線單線母段Ⅰ網(wǎng)電配業(yè)1 企圖

3)Ⅲ段母線電源由上級(jí)變電站1F75間隔引來，該段母線設(shè)置13臺(tái)配電設(shè)備，主要供給高壓制冷機(jī)、焊裝車間、涂裝車間用電。但Ⅲ段母線所接高壓制冷機(jī)總柜1AH1負(fù)荷為7158 kVA，每年僅在夏季使用5個(gè)月左右，為典型的季節(jié)性負(fù)荷。

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算表和供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將各用電負(fù)荷計(jì)算參數(shù)分配至各條母線，則3段母線的負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)(考慮了設(shè)備的利用系數(shù)、同時(shí)系數(shù))如表1所示。

表1 各段母線負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)

考慮電氣配電網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)為最大生產(chǎn)率下的負(fù)荷工況，而實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)低于上述參數(shù)。假設(shè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的有功功率為最大值的70%，則Ⅰ段母線有功功率為4940 kW，Ⅱ段母線有功功率為5121 kW，Ⅲ段母線有功功率為5020 kW(啟用高壓制冷機(jī))和1420 kW(停用高壓制冷機(jī))。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量和發(fā)電功率預(yù)計(jì)

根據(jù)光伏可用空間面積和前期規(guī)劃，擬建分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為10 MWp，分為9個(gè)光伏發(fā)電單元；每個(gè)單元的光伏陣列安裝光伏組件約1.11 MWp，每個(gè)單元配置1臺(tái)1 MW集中式逆變機(jī)房和1臺(tái)箱式升壓變壓器。

根據(jù)項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，一年中出現(xiàn)水平面輻射強(qiáng)度超過光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件要求的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1000 W/m2的概率極少，而光伏組件的容量都是按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件標(biāo)定的，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率出現(xiàn)超發(fā)、滿發(fā)的概率極低。即使短時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到了超發(fā)和滿發(fā)的條件，考慮到分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率(PR)為80%左右，則整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的交流輸出功率應(yīng)在8 MW左右；折算至每個(gè)發(fā)電單元，最大交流輸出功率約為880 kW。

圖2 單個(gè)光伏發(fā)電單元的電氣原理圖

3 電力接入方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 并網(wǎng)點(diǎn)光伏裝機(jī)容量分析

由于本項(xiàng)目的裝機(jī)容量達(dá)到了10 MWp，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家電網(wǎng)公司的有關(guān)規(guī)范要求，本項(xiàng)目應(yīng)采用10 kV電壓等級(jí)接入企業(yè)配電網(wǎng)，并且設(shè)置不低于2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，以滿足單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)光伏裝機(jī)容量不高于6 MW的要求[3-4]。而企業(yè)配電網(wǎng)分為3段獨(dú)立母線，具備設(shè)置33個(gè)光伏并網(wǎng)點(diǎn)的條件，因此，接入方案存在多種組合方式。在可能的組合方案中，必須考慮應(yīng)滿足如下幾個(gè)前提：

1)每個(gè)光伏并網(wǎng)點(diǎn)配置的裝機(jī)容量必須固定，避免保護(hù)、調(diào)度系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)，確保配電網(wǎng)的可靠性。

2)考慮到在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)、特殊情況(如節(jié)假日、淡季時(shí)段、檢修等)等主要生產(chǎn)負(fù)荷停用時(shí)段的情況，因此，并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)盡可能多，以便在少量不停用負(fù)荷上得到盡可能多的消納。

3)在充分考慮了企業(yè)生產(chǎn)與用能特性的基礎(chǔ)上，滿足光伏電力最大比例的被生產(chǎn)負(fù)荷所消納，盡量避免余電上網(wǎng)的情況。

表2為可選接入容量的匹配方案，并給出了2種方案的對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

表2 可選接入容量匹配方案

由于Ⅲ段母線存在周期性負(fù)荷，其變化占比高達(dá)72.69%，所以可以預(yù)期：如果采用方案1，在周期負(fù)荷停用的時(shí)段內(nèi)，該段母線上的光伏系統(tǒng)發(fā)電量至少有一半將不能實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用。在相同的負(fù)荷工況下，若采用方案2，通過合理調(diào)整各段母線并網(wǎng)點(diǎn)的光伏裝機(jī)容量，各個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的理論自發(fā)自用率均可達(dá)到100%，明顯優(yōu)于方案1。

3.2 電力接入方案確定

根據(jù)上述比選分析，按照方案2給出的并網(wǎng)點(diǎn)光伏裝機(jī)容量，依照國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的參考設(shè)計(jì)方案[4]，設(shè)計(jì)本分布式光伏發(fā)電工程的電力系統(tǒng)接入方案，如圖 3所示。

4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入企業(yè)配電網(wǎng)后的無功平衡

一般情況下，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處功率因數(shù)接近0.99，其輸出功率絕大部分為有功功率，無功功率非常低。雖然可以通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使光伏并網(wǎng)逆變器可輸出一定的容性或感性無功功率，但這需要占用逆變器自身的輸出能力，會(huì)降低發(fā)電效益。

在特定時(shí)間內(nèi)，假定配電網(wǎng)中用電設(shè)備的有功負(fù)荷為P，無功功率為Q，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率為P1，必然對(duì)配電網(wǎng)計(jì)量點(diǎn)(或者系統(tǒng)接入點(diǎn)，PCC)處的功率因數(shù)存在影響[5-6]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前的功率因數(shù)φ為：

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后的功率因數(shù)φ1為：

在忽略光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的無功功率的情況下，結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后對(duì)配電網(wǎng)無功平衡的影響，具體數(shù) 據(jù)如表3所示。

圖3 本分布式光伏發(fā)電工程的電力系統(tǒng)接入方案示意圖

表3 接入光伏發(fā)電系統(tǒng)前、后的計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)對(duì)比

從表3數(shù)據(jù)可明顯看出，接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后，對(duì)于配電網(wǎng)計(jì)量點(diǎn)而言，由于各段母線上負(fù)荷所需要的無功功率未發(fā)生改變，而光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出了大量有功功率，因此減少了負(fù)荷從電網(wǎng)中獲得的有功功率，必然導(dǎo)致了計(jì)量點(diǎn)處功率因數(shù)的下降。

又由于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率會(huì)隨著光照情況而發(fā)生變化，生產(chǎn)負(fù)荷也會(huì)隨著工況變化不斷變化。針對(duì)這種情況，如果不在原有配電網(wǎng)增設(shè)合適容量的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，如靜止無功發(fā)生器(SVG)裝置，將會(huì)由于低功率因數(shù)問題導(dǎo)致企業(yè)需繳納電網(wǎng)公司的低力率調(diào)整電費(fèi)。

根據(jù)分析計(jì)算，本項(xiàng)目在3段母線上各設(shè)計(jì)安裝了1套2 MVar的SVG裝置，并將配電網(wǎng)計(jì)量點(diǎn)功率因數(shù)作為控制目標(biāo)，以滿足配電網(wǎng)無功平衡的需要。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)際運(yùn)行效果

根據(jù)項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行一年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，由于合理匹配并網(wǎng)點(diǎn)的光伏裝機(jī)容量，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)年平均自發(fā)自用率達(dá)到90%左右(由于節(jié)假日及生產(chǎn)檢修期間用電量較少，存在余電上網(wǎng)情況，因此必然低于生產(chǎn)時(shí)段的自發(fā)自用率)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)月平均功率因數(shù)均高達(dá)0.98，驗(yàn)證了企業(yè)配電網(wǎng)無功平衡問題已得到了良好的解決。

6 總結(jié)

本文以典型工程為例，研究了合理優(yōu)化配置光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量、容量，以匹配生產(chǎn)負(fù)荷電力消納特性的設(shè)計(jì)思路，從而提高自發(fā)自用率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益；并且提出了應(yīng)將包含光伏發(fā)電系統(tǒng)的企業(yè)配電網(wǎng)看作整體，從全局上考慮系統(tǒng)的無功功率平衡問題，以滿足電網(wǎng)安全、調(diào)度、平衡的需要。通過對(duì)分布式光伏發(fā)電工程電力系統(tǒng)接入優(yōu)化設(shè)計(jì)，為類似工程提供了有益借鑒。