分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計探討

梁建賓 田海濤

摘要：分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計是當(dāng)前各個地市設(shè)計公司面臨的挑戰(zhàn)，伴隨太陽能發(fā)電設(shè)備的降價及國家的鼓勵政策，越來越多的企業(yè)和用戶開始利用光伏太陽能來發(fā)電，并根據(jù)容量多少接入相應(yīng)電網(wǎng)。作為設(shè)計者而言，合理的并網(wǎng)設(shè)計是高效利用能源的前提。文章以110kV電網(wǎng)接入為例，探索了分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的設(shè)計相關(guān)要素。

關(guān)鍵詞：分布式光伏發(fā)電；并網(wǎng)設(shè)計；太陽能發(fā)電；發(fā)電設(shè)備；電網(wǎng)建設(shè) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）20-0008-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.004

太陽能資源是當(dāng)今發(fā)電系統(tǒng)中重要的無污染清潔能源，光能資源的利用不僅可以解決當(dāng)前電力短缺的問題，同時可以從環(huán)境上改善民生，促進電力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。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。作為輸電網(wǎng)重要的電壓等級110kV，其光伏電能的并網(wǎng)更是從客戶配電端輸送電流，將實現(xiàn)光伏電能的最大利用化。

1 設(shè)計要點

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計主要涉及光伏接入電壓等級、接入路徑選擇、變電站入網(wǎng)穩(wěn)定計算、變壓器通信控制光纜、環(huán)境評價、投資估算及經(jīng)濟效益分析。

從以往的設(shè)計出發(fā)，如《黃石鐵山光伏接入系統(tǒng)可研報告》，其從接入系統(tǒng)的電壓等級、路徑選擇、穩(wěn)定計算條件、通信設(shè)備及投資估算方面做了分析，較為全面地分析了分布式發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)要求。但從深度出發(fā)，該可研報告仍可以從其他方面進行深化研究，本文從該可研報告出發(fā)，分析分布式發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計的深度探索研究，以期望更好地做好分布式電源的接入工作。

1.1 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、線路及變電站的負載率出發(fā)，綜合考慮各方面因素，選擇了設(shè)計的最終接入變電站。

1.2 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。

路徑選擇不僅要考慮以上問題，更要考慮線路線徑的選擇，合理的導(dǎo)線型號不僅可以滿足當(dāng)前傳送的功率，更要滿足遠期電網(wǎng)功率的傳送，在設(shè)計時更要考慮線徑的大小適度，這不僅可以降低線路電能損失，更能做到線路的投資最優(yōu)化，杜絕線路的浪費投資及重復(fù)投資現(xiàn)象。

1.3 環(huán)境評估與效益

從節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟角度出發(fā)，分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)是充分利用可再生能源，且不需要消耗任何燃料，且相比傳統(tǒng)發(fā)電模式，可節(jié)約大量的燃煤量。下面的公式反映了光伏發(fā)電的節(jié)約燃煤量：

式中：為節(jié)約燃煤量；nhs為總小時數(shù)；為光伏發(fā)電機組替代的容量；為第i個小時光伏額定發(fā)電百分比；為常規(guī)能源機組效率；LCV為常規(guī)機組燃煤的低位熱值（kJ/kg）。

光伏相比傳統(tǒng)能源發(fā)電，具有明顯的環(huán)境無污染優(yōu)勢，且不用因污染而采取清除與賠償成本。

根據(jù)當(dāng)前國家電網(wǎng)鼓勵分布式光伏的入網(wǎng)條件，光伏發(fā)電的收益可用以下公式計算：

式中：R（t）為每平方米太陽能電池板光照；（t）

為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率；n為壽命年；為每年能量消耗的數(shù)目；為每年能量消耗的能量；P為當(dāng)前電價。

2 深度研究

第一，從國網(wǎng)典型設(shè)計出發(fā)，不考慮專用及公用問題，多角度對線路的改造進行優(yōu)化設(shè)計，如接入專用線路或接入專用變電站，將其均看作公共資源，以便設(shè)計出最優(yōu)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式。在當(dāng)前，面對經(jīng)濟的發(fā)展，專用線路、專用變電站的資源越來越稀缺，變電站的間隔及線路走廊問題日益突出，因此在當(dāng)前設(shè)計中可考慮將專網(wǎng)線路及專用變電站納入到主網(wǎng)中，將有限的電網(wǎng)資源利用擴大化。同時形成有效的雙聯(lián)絡(luò)、雙環(huán)網(wǎng)、單環(huán)網(wǎng)、πT接線等模式，不僅可以提高變電站及電能資源的利用率，同時可以提升專用變電站或用戶的電能質(zhì)量及供電能力。以本文中所舉的工程為例，其現(xiàn)有變電站的接線方式及規(guī)范后的電網(wǎng)接線如圖1所示：

從圖1中可以看出，現(xiàn)有的接線模式為：220kV鐵山變電站→110kV橋洞變（T接110kV土橋降壓站）→（T接110kV還地橋變）→下陸變電站；220kV鐵山變電站→110kV橋洞變→紅峰牽引站；220kV秀山變→110kV華祥降。若將線路按公專網(wǎng)相連，不考慮專線專用，可設(shè)計成如圖所示：20kV鐵山變電站→110kV橋洞變（T接110kV土橋降壓站）→110kV華祥將變→220kV秀山變電站；220kV鐵山變電站→110kV橋洞變→紅峰牽引站→110kV還地橋變電站→220kV秀山變電站。從這兩張圖中可以看出，下圖比上圖的優(yōu)勢在于110kV變電站土橋降、華祥降、紅峰牽引站、橋洞變、還地橋變的供電能力提升，有同一座變電站供電可轉(zhuǎn)為兩座變電站供電、線路走廊充分利用、變電站的間隔利用率也大大提升。從根本上下圖相比上圖具備一定的經(jīng)濟優(yōu)勢和設(shè)計優(yōu)勢，也是對當(dāng)前經(jīng)濟能源、土地資源最大化的一種表現(xiàn)。

第二，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)。

第三，考慮光伏接入的電壓頻率。分布式電源入網(wǎng)的頻率變化也是電能調(diào)節(jié)的重點，根據(jù)國網(wǎng)電能頻率的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用50Hz頻率，在低于或高于該頻率5%的情況都視為電壓不合格，因此在分布式電源入網(wǎng)側(cè)需對電壓進行測量、并對電能的傳送功率進行計量，對于過大或過小的電壓需進行相應(yīng)矯正，以滿足電能供網(wǎng)的需求。

3 市場價值

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)是否具備應(yīng)有的使用價值及推廣價值，已經(jīng)得到論證。從本文的實例分析，該分布式電網(wǎng)的接入，其年產(chǎn)發(fā)電量、投資總成本等，經(jīng)過計算，預(yù)計約8年可收回投資，從字面上看，該效益上尚在可接受的范圍內(nèi)。但考慮到環(huán)境氣候的影響及電能傳送的影響，該效益需打20%折扣，預(yù)計約10年收回成本。因此在可研設(shè)計階段不僅要考慮電能的入網(wǎng)問題，更要從側(cè)面考慮該方案是否具備可行性，是否在將來因投資效益問題而擱置，白白浪費電網(wǎng)的有限資源等問題。

分布式電源的入網(wǎng)若取得成效將帶動其他地區(qū)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此在設(shè)計時是否考慮模塊化建設(shè)，是否針對該類型的問題提出模塊化建議。在設(shè)計時，是否在考慮個性化設(shè)計的同時考慮設(shè)計的普及化，這是設(shè)計分布式電源的一個切入點，考慮電壓質(zhì)量測量、接入系統(tǒng)模塊、接入電壓頻率測試等均可以設(shè)計成模塊化，因此好的設(shè)計可以帶來類同化的效益，同時對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行普及推廣，有效提升分布式電能的能源占比。

4 結(jié)語

通過簡要分析分布式電能的接入設(shè)計，引出了當(dāng)前值得深思的問題，分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)是否得到足夠快的推廣，不僅與當(dāng)前典型設(shè)計有關(guān)，更應(yīng)與設(shè)計的思路變更（充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源）、設(shè)計的市場推廣應(yīng)用有關(guān)，優(yōu)秀的設(shè)計理念可以提升設(shè)計成品的實踐化、遍布化。

參考文獻

[1] 陳赟.風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)問題研究[D].上海交通大學(xué)，2009.

[2] 張燕妮.淺談光伏發(fā)電的方案設(shè)計[J].東北電力技術(shù)，2014，（2）.

[3] 王培波.光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)的研究[D].華北大學(xué)，2008.

[4] 鄭詩程.光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2004.