太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)分析

徐偉

(中國能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司 黑龍江哈爾濱 150078)

微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上解決了太陽能使用需要大規(guī)模的限制，使太陽能的使用變得更加靈活與快捷，有效彌補(bǔ)了大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的功能缺失，由此也推動了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步與系統(tǒng)類型的豐富，在滿足我國生產(chǎn)與生活日益提高的電力多樣化需求方面發(fā)揮了積極作用。

1 太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)概述

太陽能光伏發(fā)電可以分為并網(wǎng)發(fā)電與獨(dú)立發(fā)電兩種系統(tǒng)，而根據(jù)國電電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)定，電網(wǎng)中接入的是太陽能光伏低壓并網(wǎng)，也就是分布式電源類型，而微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，就是要對分布式電源類型進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，解決現(xiàn)階段分布式電源類型存在的弊端。

在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，電源提供能量，而電源與負(fù)荷之間的平衡由微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，一方面微電網(wǎng)技術(shù)會使得短路器自動實(shí)現(xiàn)斷路，保證微電網(wǎng)在孤島模式下保持工作狀態(tài)，另一方面當(dāng)電網(wǎng)因故障原因出現(xiàn)大規(guī)模崩潰時(shí)，微電網(wǎng)技術(shù)可利用自身優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)能量的供需調(diào)節(jié)，在相對平衡的狀態(tài)下降低損失，保持穩(wěn)定，確保安全。

2 太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)

進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)，應(yīng)找準(zhǔn)重點(diǎn)與關(guān)鍵，竭力構(gòu)建完整的發(fā)電系統(tǒng)。具體太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，應(yīng)在太陽能電池組合方陣、儲能蓄電池、充放電控制器、子系統(tǒng)等方面下功夫。具體分析如下。

2.1 太陽能電池組合方陣

在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的過程中，太陽能電池組合方陣的設(shè)計(jì)是核心內(nèi)容，之所以要形成太陽能電池組合方陣，是由于單一太陽能電池的電壓與電流過小，無法滿足使用所需的負(fù)載輸出功率。為此，在進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，太陽能電池組是最小的電源的單位，而將最小單位進(jìn)行串聯(lián)形成的太陽能電池組合方陣是太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)保障。

2.2 儲能蓄電池

正常狀態(tài)下，電源能夠保證功率的輸出，但一旦受到外界影響，如天氣的變化，就可能使得太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用受阻，為此需要安裝儲能蓄電池，以確保在平時(shí)的工作中，將部分直流電轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以進(jìn)行儲存與電能的調(diào)節(jié)，當(dāng)需要時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行輸出，以確保太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定與持續(xù)性。在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)與構(gòu)件時(shí)，儲能蓄電池盡可能選用大容量的鉛酸蓄電池。

2.3 充放電控制器

充放電控制器是一種蓄電池保護(hù)裝置，是為了避免蓄電池在頻繁過充放電的過程中使用壽命受損。充放電控制器發(fā)揮作用的依據(jù)是蓄電池電壓值與最大負(fù)荷值的比較，通過比較能夠判斷蓄電池是否達(dá)到過充放電的臨界點(diǎn)，一旦達(dá)到臨界點(diǎn)，充放電控制器開關(guān)會發(fā)揮作用，對充放電操作進(jìn)行終止?，F(xiàn)階段，隨著太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄電池整體的容量逐漸增大，為適應(yīng)發(fā)展，充放電控制器開關(guān)裝置的精密性與安全性不斷提高，監(jiān)測與保護(hù)的水平不斷提高，在智能電網(wǎng)建設(shè)的過程中，充放電控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能控制，自動化操作。

2.4 子系統(tǒng)

子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足光伏模塊、逆變器并網(wǎng)等子系統(tǒng)的相對獨(dú)立性，以此確保子系統(tǒng)在三項(xiàng)交流電接入升壓變壓器與電網(wǎng)的結(jié)合得以實(shí)現(xiàn)，這是太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)能夠在供電網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用的關(guān)鍵所在，對微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展有重要影響。

3 太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)特征

微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上加速了太陽能光伏發(fā)電的推廣，相比于風(fēng)能、生物能等清潔能源，太陽能光伏發(fā)電的地域限制更小，維護(hù)成本更低，能源的獲取更加簡單，在我國新型能源應(yīng)用的過程中，太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)一直是重要的應(yīng)用內(nèi)容。

隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，微電網(wǎng)技術(shù)在使用太陽能光伏發(fā)電作為主要供電電源的同時(shí)，還可以利用其它可再生能源以應(yīng)對不同天氣狀況，并做為電力供應(yīng)的補(bǔ)充，在儲能系統(tǒng)中增加的自控技術(shù)與遠(yuǎn)程技術(shù)，進(jìn)一步提高了太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的智能化與現(xiàn)代化水平，使得供電的穩(wěn)定性顯著提高?？傮w來看，在現(xiàn)階段背景條件與發(fā)展?fàn)顩r下，太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)包括新能源形式的組合互補(bǔ)、儲能技術(shù)的穩(wěn)定性提高、電力質(zhì)量控制與保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化以及微電網(wǎng)信息系統(tǒng)的構(gòu)建完善。具體分析如下。

3.1 新能源形式的組合互補(bǔ)

太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用受天氣狀況的影響較大，一般只能在天氣晴好的白天進(jìn)行供電，在與電網(wǎng)主干相連的情況下，太陽能光伏發(fā)電的容量激增會對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成一定的影響，一旦這種影響成為一種沖擊，就會影響到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的正常工作。為此，在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的過程中配合采用新能源形式的組合互補(bǔ)，是減緩微電網(wǎng)技術(shù)使用波動，增加穩(wěn)定性的有效措施，一旦太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用因電量下降出現(xiàn)波動，那就可以利用其他新能源形式進(jìn)行補(bǔ)充。這是一種“新新結(jié)合”的能源利用方式，有利于對電網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)新能源的整合與利用率提高。

3.2 儲能技術(shù)的穩(wěn)定性提高

任何技術(shù)都不能保證百分之百的穩(wěn)定性，太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也是如此，為此，儲能技術(shù)是應(yīng)對太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況的關(guān)鍵所在，特別是當(dāng)故障發(fā)生無法供電時(shí)，儲能技術(shù)一方面能夠發(fā)揮備用電源的作用，另一方面能保證用電負(fù)荷的安全穩(wěn)定。所以在現(xiàn)階段的太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用過程中，提高儲能技術(shù)的穩(wěn)定性十分必要。

在現(xiàn)階段，儲能技術(shù)在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用應(yīng)滿足3個(gè)方面，第一個(gè)方面是當(dāng)電源或者電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，儲能技術(shù)能夠迅速發(fā)揮作用，成為備用電源為微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用供電，以大電流密度代替主電源。第二個(gè)方面是提供瞬時(shí)大電流以滿足微電網(wǎng)技術(shù)大型負(fù)荷啟動的需要，這是因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)技術(shù)大型負(fù)荷啟動時(shí)所需的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)行的電流量。第三個(gè)方面是在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)以及其他電網(wǎng)發(fā)電不足時(shí)，起到為微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用內(nèi)負(fù)荷供電的功能。

3.3 電力質(zhì)量控制與保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化

在太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中，每個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)的電源與負(fù)荷都處于匹配的狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì)階段就需要考慮地部分。雖然在設(shè)計(jì)階段對太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)電源與負(fù)荷進(jìn)行了匹配的設(shè)想，但是由于太陽能光伏發(fā)電存在一定的不穩(wěn)定性與波動性，所以電源與負(fù)荷的匹配只存在于理想狀態(tài)，這就需要利用到電力質(zhì)量控制與保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對電力質(zhì)量控制與保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，是確保系統(tǒng)能夠依托微電網(wǎng)控制中心，對電源、負(fù)荷、儲能、開關(guān)狀態(tài)、電力質(zhì)量、能量參數(shù)等進(jìn)行有效控制，控制主要通過開關(guān)的形式進(jìn)行。這種控制一方面在微電網(wǎng)技術(shù)中的各個(gè)裝置內(nèi)進(jìn)行，另一方面則是在本地控制器中進(jìn)行，但是控制的基礎(chǔ)都是與控制中心處于聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)。微網(wǎng)控制中心還必須有在孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行之間的切換裝置，和針對負(fù)荷、電源和電網(wǎng)的保護(hù)裝置。

微電網(wǎng)內(nèi)部的總體容量較小，這就使得微電網(wǎng)功率因數(shù)受到負(fù)荷阻抗感性與容性的影響較大，由此就必須通過配置補(bǔ)償系統(tǒng)以降低影響，另外，多電源的并網(wǎng)可能會造成網(wǎng)內(nèi)的諧波分量較大，紋波系數(shù)較高，因此，要有消除高次諧波的裝置。

4 太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

4.1 提高轉(zhuǎn)換效率，降低運(yùn)行成本

提高轉(zhuǎn)換效率是未來太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵所在，這與太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)中的電池使用有很大關(guān)系，如電池表面結(jié)構(gòu)就是對電池轉(zhuǎn)換效率影響較大的特性。一般情況下，當(dāng)太陽光集中輻射時(shí)，能夠更好利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提高，從而使得運(yùn)行成本的降低。

4.2 增大光伏面積，提升發(fā)電能力

屋頂、建筑物立面等都是城市內(nèi)可以用來作為增加光伏發(fā)電面積的位置，而在沙漠、戈壁等地區(qū)，光伏發(fā)電面積增加的前景更加廣闊。只有增大光伏面積，才能更好地實(shí)現(xiàn)太陽能的收集，才能通過能量的轉(zhuǎn)換使得發(fā)電的能力提高。未來，我國的西北部地區(qū)，將是良好地光伏發(fā)電建設(shè)基地，有利于為太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定客觀基礎(chǔ)。

4.3 降低材料成本，嘗試新型技術(shù)

微電網(wǎng)電池材料的使用，主要材料是硅，尤以多晶硅的使用量最大。但是多晶硅材料市場價(jià)格高且浮動較大，對于材料使用的成本控制形成阻礙。為此，應(yīng)大膽嘗試薄膜電池、砷化鎵電池等新型電池技術(shù)，使得轉(zhuǎn)化率提高，使用壽面增加，材料成本降低，進(jìn)一步優(yōu)化太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，為進(jìn)一步推廣奠定良好地市場基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

太陽能是一種可再生清潔能源，光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)新型能源技術(shù)，太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)是我國能源事業(yè)發(fā)展的未來，具有無限的可能與廣大的應(yīng)用前景。為此，對于太陽能光伏發(fā)電微電網(wǎng)技術(shù)的研究，應(yīng)緊緊抓住安全性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，以推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。