微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏發(fā)電模塊配置問題及改進(jìn)探索

■ 丁 驍 趙 謙

（1.國家電網(wǎng)許繼微電網(wǎng)公司；2.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

一 引言

一直以來，提高一次能源供給中可再生能源的占比是能源工程研究的目標(biāo)。一次能源向二次能源的轉(zhuǎn)化技術(shù)直接表征社會電氣化水平和人居環(huán)境適宜度。電能，作為優(yōu)質(zhì)的二次能源，是標(biāo)準(zhǔn)化的能量媒介，可容納各種一次能源的接入。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，基于可再生能源的電能供應(yīng)成為現(xiàn)實并逐漸產(chǎn)生市場效應(yīng)?？稍偕茉醇瓤捎糜诩惺桨l(fā)電，也可用于分布式發(fā)電，而后者是解決能源短缺問題、實現(xiàn)能源階梯利用的必由之路?？稍偕茉磁c電網(wǎng)高效、安全、穩(wěn)定地融合是電網(wǎng)智能化研究的主要方向。

微電網(wǎng)是一種局域化的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，它伴隨分布式發(fā)電技術(shù)的興起，致力于解決分布式電源電能質(zhì)量控制和電網(wǎng)可靠性控制兩大難題[1]。微電網(wǎng)系統(tǒng)集發(fā)電、儲能、負(fù)荷及控制裝置為一體，目的在于將分散能源就地轉(zhuǎn)換成電能，然后就近供給本地負(fù)載。微電網(wǎng)本身或獨立于大電網(wǎng)、或交互于大電網(wǎng)、或兩者兼而有之，具有靈活配電、復(fù)雜控制的特征。

以太陽輻射為基礎(chǔ)，實現(xiàn)光能與電能直接轉(zhuǎn)換的光伏發(fā)電是一種重要的分布式發(fā)電技術(shù)。在分散供能特性方面，它比風(fēng)力、水力、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)有明顯優(yōu)勢。對于強調(diào)局域性清潔能源利用的微電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電模塊是不可或缺的電源類別。從本世紀(jì)初“微電網(wǎng)”這一概念被提出以來，各國或各組織研發(fā)的微電網(wǎng)系統(tǒng)中皆包含光伏模塊[2]。但是，由于光伏發(fā)電存在天然的間歇性特征，微電網(wǎng)控制較傳統(tǒng)電網(wǎng)控制要更為復(fù)雜。光伏發(fā)電作為分布式發(fā)電的主力與微電網(wǎng)系統(tǒng)共生、互惠、同進(jìn)退。

本文詳細(xì)解析了微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和光伏支路設(shè)計，提出了微電網(wǎng)系統(tǒng)對光伏發(fā)電模塊的技術(shù)要求。本文研究的目的，一方面在于提高光伏模塊配置方案的可塑化，使其適應(yīng)微電網(wǎng)系統(tǒng)靈活、高效、智能的運行模式，從而達(dá)到區(qū)域分散能源的最高利用效率；另一方面也探索光伏發(fā)電模塊接入微電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為微電網(wǎng)融合及電網(wǎng)智能化奠定基礎(chǔ)。

二 微電網(wǎng)系統(tǒng)

從整個電力系統(tǒng)的角度來看，微電網(wǎng)是一個頗具獨立性的自適應(yīng)智能單元。通過電力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層和綜合管理架構(gòu)層之間鑲嵌式協(xié)作，達(dá)到域內(nèi)自治、電力平衡的目標(biāo)。

微電網(wǎng)內(nèi)最典型的能量運行組塊有兩類：微電源和局域負(fù)載。兩者通過能量儲存、交換、調(diào)節(jié)系統(tǒng)相互匹配。在并網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)系統(tǒng)整體又與主網(wǎng)存在電能交換。以上電能運行各部分皆屬于微電網(wǎng)的電力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層。

微電源的接入與切割，域內(nèi)負(fù)載的并入和卸除，是微電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜控制策略的來源。促進(jìn)能量高效利用，實現(xiàn)系統(tǒng)有效控制與保護(hù)的部分屬于微電網(wǎng)綜合管理架構(gòu)層。微電網(wǎng)雙層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，兩層之間存在類似機體與神經(jīng)的交互關(guān)聯(lián)。

微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的最主要因素包括以下幾個方面：微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量最優(yōu)化；可再生能源利用率最大化；降低系統(tǒng)建設(shè)造價和運行成本。

以上三大要求在某一具體工程中很難做到絕對統(tǒng)一，通常因地制宜尋找折中設(shè)計方案。

在微電網(wǎng)項目實踐中，根據(jù)不同的基建環(huán)境,微電網(wǎng)可劃分成孤島型和并網(wǎng)型兩類。孤島型微電網(wǎng)不與大網(wǎng)產(chǎn)生任何形式的能量交換，系統(tǒng)內(nèi)部能量供應(yīng)自給自足。圖2是一個典型的對稱可裂解光伏柴發(fā)一體化孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖2 對稱可裂解光伏柴發(fā)一體化孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

圖3 多回路光伏水電一體化并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

并網(wǎng)型微電網(wǎng)則與大網(wǎng)連接，主網(wǎng)與微電網(wǎng)可在特定條件下交換能量。根據(jù)控制策略不同，其運行狀態(tài)又可分為孤島模式和并網(wǎng)模式。當(dāng)然，即便在并網(wǎng)條件下，也要盡可能減少系統(tǒng)對大電網(wǎng)的依賴程度。這是微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略基本宗旨。圖3是一個單母線多回路光伏水電一體化并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)。

三 微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏模塊設(shè)計

理想微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中的微電源模塊應(yīng)具備即時接入與即時退出功能，相應(yīng)的裂解與并入動作要求平滑可控，從而滿足上文所提到的三點要求。對每一個特定的光伏發(fā)電模塊而言，它本身獨有的接口、控制、保護(hù)與微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)息息相關(guān)。

光伏發(fā)電模塊由組件系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及管理系統(tǒng)組成。光伏支路的設(shè)備包括：光伏組件群、匯流配電設(shè)備、直交流電壓調(diào)節(jié)設(shè)備、逆變設(shè)備、隔離開關(guān)設(shè)備、入網(wǎng)接口裝置，以及監(jiān)測、控制、保護(hù)裝置。

微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏模塊設(shè)計一般遵循如圖4所示流程，以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計合理性和功能完備性。

不可否認(rèn)，光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電相比，存在不少缺點。

首先，光伏發(fā)電產(chǎn)出功率與太陽輻射量、太陽光譜特性密切相關(guān)，從而具有不穩(wěn)定性和難以平滑調(diào)節(jié)的自然缺陷；其次，逆變組團(tuán)的功率因數(shù)高達(dá)0.99，因此，在有功功率不變的情況下，無功功率幾乎不存在可調(diào)空間；最后，逆變器換流運行中，由于功率電子器件工作而產(chǎn)生的各次諧波注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

四 光伏模塊配置改進(jìn)探索

基于對上述缺點的考慮，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏模塊配置需要做相應(yīng)改進(jìn)。

1 光伏支路設(shè)備成本降低

微電網(wǎng)工程建設(shè)成本中的重要份額主要落在光伏支路上。光伏支路各環(huán)節(jié)中設(shè)備的成本控制仍舊是今后微電網(wǎng)項目的重要課題。

2 太陽電池轉(zhuǎn)換效率提升

工業(yè)化太陽電池轉(zhuǎn)換效率提升的價值是不言而喻的。成本穩(wěn)定前提下的器件效率提升會產(chǎn)生一系列的連環(huán)增益。

3 太陽電池的短波相應(yīng)增強

圖4 光伏支路設(shè)計流程

和大型光伏電站相比，微電網(wǎng)光伏支路的設(shè)計環(huán)境要復(fù)雜很多。在緊密關(guān)聯(lián)負(fù)載的人居環(huán)境中，良好的短波相應(yīng)能有效提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體能源利用效率。

4 陣列失配改進(jìn)

太陽電池生產(chǎn)雖然采用較為精密的微電子制造工藝，但最終成型的組件狀態(tài)一致性不佳。在同一逆變組團(tuán)內(nèi)，不均勻的光伏陣列會發(fā)生運行失配。雖然導(dǎo)致失配的原因是多方面的，但從生產(chǎn)工藝上研究改進(jìn)是最根本的方法。

除此之外，單組件MPPT控制也是解決陣列失配的可行性方案。

5 監(jiān)測系統(tǒng)智能化

光伏支路的監(jiān)測目標(biāo)除陣列本身的輸出外，還應(yīng)考慮到溫度、太陽輻射強度、太陽輻射量、太陽光譜特性等相關(guān)量。采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)量和光伏輸出，經(jīng)由特殊算法，可有效支持光伏發(fā)電支路的智能化。

6 電能質(zhì)量改善

電能質(zhì)量控制是光伏模塊的軟肋，是光伏發(fā)電無法從輔助能源轉(zhuǎn)變?yōu)樘娲茉吹淖畲笃款i。

光伏支路運行中的電能質(zhì)量問題主要有：滲入的直流分量、電力電子器件運行產(chǎn)生的諧波污染、電壓波動閃變、波形畸變以及三相不平衡。

基于儲能設(shè)備和電能質(zhì)量管理設(shè)備的綜合治理在目前看來是最有效的方案。

7 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化

光伏支路相關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化將有助于簡化控制系統(tǒng)的工作，有利于微電網(wǎng)智能化運行的實現(xiàn)。微電網(wǎng)融合技術(shù)將對光伏設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化提出更高要求。

8 提高擴(kuò)展延伸性

由于負(fù)荷變動的需要，微電網(wǎng)光伏支路在規(guī)劃布局上必須充分考慮擴(kuò)展延伸能力。在微電網(wǎng)工程初期，就得充分預(yù)留電力和通訊接口。監(jiān)控平臺的設(shè)計也要考慮系統(tǒng)的可能延伸范圍。

9 功率調(diào)節(jié)和功率預(yù)測

在功率檢測基礎(chǔ)上的功率調(diào)節(jié)和預(yù)測是光伏模塊控制與保護(hù)的核心技術(shù)。

另外，并網(wǎng)型微電網(wǎng)還必須同時具備孤島保護(hù)和低電壓穿越能力。

五 結(jié)語

微電網(wǎng)的發(fā)展將從根本上改善以往電力負(fù)荷畸形增長帶來的不穩(wěn)定因素，在節(jié)能減排、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性方面具有巨大潛力，是電網(wǎng)智能化的關(guān)鍵策略之一。接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏發(fā)電模塊，由于其本身的自然屬性和電力系統(tǒng)的特殊環(huán)境，存在配置失調(diào)問題。探求這些問題的解決方案是微電網(wǎng)系統(tǒng)逐步走向成熟的先決條件。

[1]楊恢宏, 余高旺, 樊占峰, 等. 微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器的研發(fā)及實際應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(19):126-129.

[2]Nikos Hatziargyriou, Hiroshi Asano, Reza Iravani, et al. Microgrids:An Overview of Ongoing Research, Development, and Demonstration Projects[J]. IEEE power and energy magazine, July/August 2007:78-94.