微電網中的分布式光伏發電技術

徐大明

（重慶交通大學 重慶市 400000）

1 微電網技術

1.1 微電網的組成及研究

微電網的英文名稱是Micro-Grid，簡稱為微網，它在分類上屬于一種電壓等級一般為10kV 或者400V 的新型的網絡結構，是一種由分布式電源、能量轉換裝置，儲能裝置，監控，負載和保護裝置等組成小型的發電及配電系統，簡而言之就是由負荷和微電源組成的并且可以提供電能和熱能的系統。微電網能夠解決形式復雜多樣，數量龐大的分布式電源的并網問題，實現分布式電源的靈活、高效應用。研究微電網技術，并在此基礎上提出優化與改進方案，能夠充分促進分布式電源和可再生清潔環保能源的大規模接入，同時使負載端的供給可靠性大大增強，加快傳統電網向智能電網的進化進程。

1.2 微電網相對傳統電力系統的優勢與劣勢

為了解決傳統化石燃料發電所面臨的這些問題，微電網技術應運而生并且在“低碳”的這個號召下發展迅速。這種由分布式電能源和電負荷組成的電網系統通過與傳統電網相比來說較低的電壓與配電網進行連接，運行方式靈活，性能可調度。另外，微電網可以當做電力系統內部的一個受控制的實體，可以作為單一負荷運行更是確定了其高可控性，高可控性則保障了其高供電質量。而且微電網環保節能，發電成本低，相比傳統電網來說能夠減少環境的壓力，節約發電成本。微電網由多個微電源組成，能夠直接將電能分配給本地用戶，而不用從很長的輸電線上進行輸送，從而極大減少電源與負載之間的距離，從而減少了電能在輸電線路上的熱損耗，而且也不用進行建設很長的架空輸電線路，減少了輸電的建設成本，也不會存在因為天氣原因或者地理因素導致的供電成本提高與供電可靠性降低的問題。并且在熱電聯產運行模式下對余熱還可以進行重新回收利用，使得微電網對能源得到利用率高于80%，所以，在全球能源互聯網這種大環境下，微電網的發展具有非常多的有利條件。

但是微電網相對于傳統電網來說起步較晚，也存在一些不利條件，其發展也存在一些挑戰及其他的制約因素。比如分布式電源相比傳統電源來說成本高，運行與保護的技術標準還有待提升，電能生產與存儲需要根據負載的需求進行合理調整，監管制度相對松懈，立法也需要進一步完善。

2 分布式光伏發電系統的組成

分布式發電（DistributedGeneration），一般是指那些發電功率比較小，分散，非外送型，直接布置在用戶負載周圍，電能可以不用遠距離輸送而是直接就近消納。分布式發電系統有：以液體或者氣體為能源的內燃機、熱電聯產機組、微型燃氣輪機，燃料電池，太陽能光伏發電、風力發電、生物質能發電等類別。

圖1：光伏發電的原理圖

分布式光伏發電則主要為太陽能光伏發電，分為離網式和并網式兩種。離網式指的是不將電力系統并入其它電網來運行，所以離網發電系統主要由太陽能發電組件，控制器和蓄電池組成，若要為交流負載進行供電，則還需要逆變器將直流電轉化為交流電。而離網發電系統的范圍包括對邊遠地區的供電系統、太陽能路燈、通信信號電源等各種帶有蓄電池等儲能元件的可以獨立運行的光伏發電系統。而且要求儲能元件的續航能夠保證3 到5 個陰雨天的能量供給。

并網發電系統是太陽能發電組件產生直流電經過逆變器轉換后成為傳統電網要求的交流電之后，才能夠接入公共電網。這種電網雖然可以不需要儲能元件，但是卻需要并入電網才能保證供電可靠性。并網光伏發電分為：有逆流和無逆流光伏發電系統，這兩者的區別就在于能否在電量充裕時向公共電網供電。另外還有切換型并網光伏發電系統和帶儲能裝置的并網光伏發電系統。前者的主要特點是可以在光伏發電系統因多云等原因不能正常工作時自動切換到公共電網，當公共電網出現癱瘓時還能自動切換回光伏發電。后者的主要特點就是除了并入公共電網以外還帶有儲能元件，這種發電系統主動性很強，當光伏發電系統和公共電網都因為故障而癱瘓時可以用儲能元件作為后備電源，這種系統可以應用于緊急通信電源，加油站，醫療場所，避難所指示燈及照明等重要應急負載。

3 分布式光伏發電系統的工作機制

光伏發電系統的原理就是利用太陽能電池的光生伏打效應，利用太陽能電池板將太陽光中的光能轉化為電能供用戶負載端使用。光伏發電系統的主要部件有太陽能電池組件、防雷系統、配電室、匯流箱、逆變器等。

光伏太陽能電池板作為整個系統中的最關鍵的核心組件，負責將太陽的光能轉化為電能。而且由于太陽能能量密度低的特點，需要很大面積的光伏太陽能電池陣列，為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連接線的數量，還要用到匯流箱。光伏太陽能電池所產生的電為直流電，所以還需要逆變器將直流電變成我們常用頻率的交流電。發電系統還需要一些基本的防雷措施，能夠保證在雷雨天氣的時候為發電系統中如電池板和逆變器等重要部分提供保護。帶有低壓負荷的室內配電場所稱謂稱為配電室，主要負責為低壓用戶配送電能。因為分布式光伏發電系統一般都是10kV 以下，所以配置低壓配電室即可滿足用電需求。另外為了保證供電的可靠性，還需要搭載儲能元件或者將系統并入電網中。這樣，就形成了一套完整的發電與用電系統。光伏發電的原理圖如圖1 所示。

4 分布式光伏發電系統的技術要點

4.1 分布式光伏發電系統的并網控制

對于不帶蓄電池的分布式光伏發電系統需要并入電網來保證供電可靠性。而分布式光伏發電系統有多并網逆變器以及多能量來源的特點，所以并網控制方面的影響因素是我們要進行充分考慮的。因為分布式發電系統的能源特點是具有多并網逆變器，其在并網運行中的相互耦合影響機理是在設計的時候需要重點注意的。同時這個也涉及到一些并網協調性能的控制問題，所以也應該重視多個逆變器在獨立運行中如何協調控制頻率與電壓，從而更好地使負荷合理動態地分配。針對上述的并網多能源逆變器的特點，來開展關于獨立并網控制模式和協調控制策略的研究。

4.2 改善分布式光伏發電的系統的電能質量

分布式光伏發電所輸出的電能形式是直流電，但是一般用戶端的負載都是使用交流電的。如果想要使用光伏發電系統輸出的電能，就要將直流電轉換成特定頻率的交流電，這樣的話就要用到逆變器。但是在并網運行的條件下，逆變器在正常運行的過程中會不可避免的產生諧波以及直流分量，這樣會對電網造成污染，使得電網的電能質量降低。尤其是當電網直接與用戶側的負載相連接的時候，即便是微小的諧波和直流分量也會對用戶用電端口的負載造成很大的影響，使設備不能正常工作甚至損壞設備。并且當用戶負載區域的感性負載數比較多的時候，在接入分布式光伏發電系統后則會出現功率因數cosφ 比原來降低很多的情況，從而使得電機等感性負載難以正常運行，還會出現發熱量大大增加的情況，導致感性負載設備損壞。出現這種情況的原因是因為分布式光伏發電系統基本上只能夠輸出有功功率，或者電網原有的無功功率補償裝置與現有的光伏發電系統不匹配所導致。所以，如果想要控制分布式光伏發電系統所輸出出來的電能的質量，逆變器的輸出是關鍵。可以通過采用可調節功率因數cosφ，能夠輸出三電平組串逆變器較為適宜，也可以采用并聯電容器等裝置來配置動態無功功率補償，從而改善并網連接的光伏發電系統輸出的電能的質量問題。

4.3 電網結構及其配置優化

因為分布式光伏發電系統主要以太陽能為發電的能量來源，而太陽能會隨著當地的氣候和所處的地理位置等外界因素有一定的隨機性，并且光伏發電的核心器件天陽能電池板的能量密度也不是特別高，其網絡結構相比較與其它的傳統電網有一定的差異性。因為上述原因，我們在進行電網的設計過程中，應該充分考慮當地的可再生能源的分布預測，評估負荷水平的可用性、隨機性以及合理性。在需要實施光伏發電的區域做一些實地考察，對當地的電網和用戶的用電負荷做一些深入的了解與分析，從而確定在當地的哪些區域作多少確定容量的分布式光伏發電設備，在做出完善的當地總體規劃后再進行分步實施。進而避免出現負荷過小或者某一個電網單元負荷過大的情況，從而提升當地電網運行的可靠性。