新能源發(fā)電“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式下的防逆流安全自動(dòng)控制裝置的應(yīng)用研究

楊志銀

(協(xié)鑫能源工程有限公司，蘇州 215100)

0 引言

分布式電源[1]是指接入35 kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)，位于用戶附近，在35 kV及以下電壓等級(jí)就地消納為主的電源，包括同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、變流器等類(lèi)型電源，可為太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等類(lèi)型。

近年來(lái)，新能源發(fā)電發(fā)展迅速，尤其是光伏發(fā)電越發(fā)成熟，而且目前國(guó)家電網(wǎng)對(duì)于分布式光伏發(fā)電采取鼓勵(lì)和合作的態(tài)度。目前我國(guó)分布式光伏電站接入電網(wǎng)的模式主要分為“全額上網(wǎng)”“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”及“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”3種。

1)“全額上網(wǎng)”模式。“全額上網(wǎng)”意味著無(wú)論光伏發(fā)電系統(tǒng)所在接入點(diǎn)是否可以消納，其所發(fā)電力都會(huì)統(tǒng)一輸送給電網(wǎng)，并且按照電站所在資源區(qū)的固定標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)結(jié)算。該模式發(fā)展較為成熟，由于模型簡(jiǎn)單，電費(fèi)支付為國(guó)家電網(wǎng)和國(guó)家可再生能源補(bǔ)貼，因此收益相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)較低，是我國(guó)分布式光伏電站接入電網(wǎng)的主要方式。但是從2017年12月起，光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)開(kāi)始大幅降低，已由2013年的最高超過(guò)1元/kWh降低至2018年的約0.4元/kWh(全國(guó)各類(lèi)太陽(yáng)能資源區(qū)的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)略有不同)，全額上網(wǎng)的分布式光伏電站無(wú)法獲得預(yù)期收益。因此，從2017年之后，“全額上網(wǎng)”模式的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的投資規(guī)模大幅降低。

2)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。在該模式下，分布式光伏電站建設(shè)時(shí)，會(huì)優(yōu)先根據(jù)企業(yè)用戶的用電負(fù)荷水平，評(píng)估光伏發(fā)電的安裝潛力，在用戶側(cè)配電線路容量滿足要求的情況下，盡可能按照消納能力設(shè)計(jì)分布式光伏電站中光伏組件的總裝機(jī)容量。分布式光伏電站發(fā)出的電力優(yōu)先給其所利用屋頂?shù)钠髽I(yè)用戶消納，若該用戶暫時(shí)無(wú)法消納，可將多余電量賣(mài)給電網(wǎng)，地方電力公司將按照收購(gòu)電廠當(dāng)?shù)氐拿摿蛉济簶?biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)支付給分布式光伏電站的投資商。“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的發(fā)展也已較為成熟。圖1為采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的屋頂分布式光伏電站的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的屋頂分布式光伏電站Fig. 1 “Power generation used by self and residual power connected to power grid”mode of rooftop distributed PV power station

3)“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式?！白园l(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”意味著企業(yè)用戶必須全部消納該分布式光伏電站所發(fā)電量，并且不允許將多余電量上送至公共電網(wǎng)。因此采用該模式時(shí)，企業(yè)用戶需安裝防逆功率(防逆流)裝置，該裝置可在出現(xiàn)逆功率上送時(shí)切斷分布式光伏電站的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)?！白园l(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式受技術(shù)條件、業(yè)主消納水平及投資收益比的限制和影響，發(fā)展較為緩慢，實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目較少。

2020年2月12日，江蘇省鎮(zhèn)江市、泰興市等地區(qū)的地方供電公司收到上級(jí)通知，根據(jù)通知要求，受消納空間所限，2020年春節(jié)過(guò)后，江蘇省工商業(yè)分布式項(xiàng)目(包括低壓上網(wǎng)項(xiàng)目)只允許電力自發(fā)自用，余電不得上網(wǎng)，并要求安裝防逆流裝置。事實(shí)上，山東省、江蘇省、安徽省等華東、華北地區(qū)的光伏發(fā)電消納問(wèn)題在2019年的光伏發(fā)電競(jìng)價(jià)中已經(jīng)略顯疲態(tài)，尤其是皖北、蘇北等地區(qū)；而在2020年的光伏發(fā)電競(jìng)價(jià)中，消納已經(jīng)成為最大挑戰(zhàn)之一。

本文基于逆功率保護(hù)原理，結(jié)合自動(dòng)控制理論，提出了一種新的適用于新能源發(fā)電的“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式下的防逆流安全自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了防逆功率的自動(dòng)控制及功率恢復(fù)功能。該裝置可用于在10 kV、35 kV電壓等級(jí)側(cè)并網(wǎng)的裝機(jī)容量為6～30 MWp的“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的新能源發(fā)電項(xiàng)目(如風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目、光伏發(fā)電項(xiàng)目)。本文以光伏發(fā)電項(xiàng)目為例進(jìn)行說(shuō)明并展開(kāi)研究。

1 “自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的介紹

為了更好地理解“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式，首先需要理解“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。

1.1 “自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式

“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式是指用戶優(yōu)先消納分布式光伏電站所發(fā)電力，未消納完的剩余光伏電力饋入電網(wǎng)。企業(yè)用戶在建設(shè)分布式光伏電站時(shí)，應(yīng)根據(jù)自身負(fù)荷消納水平及企業(yè)配電網(wǎng)接入能力設(shè)計(jì)光伏組件的總裝機(jī)容量，光伏組件總裝機(jī)容量應(yīng)盡可能滿足企業(yè)用戶的消納水平?！白园l(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 “自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的拓?fù)鋱DFig. 2 Topological diagram of“power generation used by self and residual power connected to power grid”mode

在“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式下，由企業(yè)用戶自身消納的光伏電量，以節(jié)省電費(fèi)的方式按照當(dāng)?shù)孛摿蛉济簶?biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)直接享受電網(wǎng)的銷(xiāo)售電價(jià)，剩余反送至公共電網(wǎng)的電量單獨(dú)計(jì)量，并以規(guī)定的當(dāng)?shù)貥?biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行單獨(dú)結(jié)算，部分地區(qū)還可同時(shí)享受光伏發(fā)電政策補(bǔ)貼。

1.2 “自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式

相于對(duì)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式就是要求分布式光伏電站所發(fā)電量由企業(yè)用戶全部消納，禁止將剩余電量饋送至公共電網(wǎng)，同時(shí)電網(wǎng)公司要求用戶安裝防逆流裝置[2]，杜絕分布式光伏電站將剩余電量倒送至公共電網(wǎng)?！白园l(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 “自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的拓?fù)鋱DFig. 3 Topological diagram of“power generation used by self and prohibiting residual power connected to power grid”mode

由于該模式禁止余電上網(wǎng)，因此當(dāng)企業(yè)用戶不能全部消納分布式光伏電力時(shí)，分布式光伏電站需要在部分時(shí)段停機(jī)，但這樣做將直接影響分布式光伏電站的投資收益。

2 “自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)光伏組件總裝機(jī)容量的大小，分布式光伏電站分別對(duì)應(yīng)不同的并網(wǎng)電壓等級(jí)[3]。下文分別按照8～500 kWp、500 kWp～6 MWp、6～30 MWp這3個(gè)不同光伏組件裝機(jī)容量的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行討論分析。

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景1

光伏組件裝機(jī)容量為8～500 kWp的分布式光伏電站可通過(guò)逆變器直接在380 V電壓側(cè)并網(wǎng)。此類(lèi)分布式光伏電站多安裝于小型工商業(yè)屋頂，由于組件總裝機(jī)容量小，企業(yè)用戶基本能完全消納光伏電力，同時(shí)市場(chǎng)上也有用于在380 V電壓側(cè)并網(wǎng)的防逆流裝置，比如華為技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SmartLogger(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“華為SmartLogger”)，該裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)公共連接點(diǎn)(PCC點(diǎn))關(guān)口表電流方向控制逆變器的啟停。通過(guò)逆變器直接并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 通過(guò)逆變器直接并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱DFig. 4 Topological diagram of application scenario of direct grid connected through inverter

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景2

光伏組件總裝機(jī)容量在500 kWp～6 MWp的分布式光伏電站可通過(guò)10 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)。分布式光伏電站經(jīng)1條10 kV并網(wǎng)出線接入企業(yè)用戶10 kV配電系統(tǒng)，若電站出現(xiàn)逆流，將直接切除并網(wǎng)斷路器。通過(guò)斷路器并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 通過(guò)斷路器并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱DFig. 5 Topological diagram of application scenario of grid connected through circuit breaker

華為SmartLogger會(huì)在檢測(cè)到逆流時(shí)動(dòng)作，并聯(lián)動(dòng)斷開(kāi)并網(wǎng)斷路器。此時(shí)整個(gè)分布式光伏電站退出運(yùn)行，企業(yè)用戶將直接損失光伏電力，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 應(yīng)用場(chǎng)景3

光伏組件總裝機(jī)容量在6～30 MWp的光伏電站可通過(guò)10 kV、35 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，大部分情況是以多條10 kV匯集線接入新建光伏開(kāi)關(guān)站(10 kV母線)，最終經(jīng)1條出線并網(wǎng)接入用戶高壓配電系統(tǒng)。多條光伏匯集線通過(guò)并網(wǎng)柜并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱D如圖6所示。此類(lèi)光伏電站多用于電力負(fù)荷較大的工企、礦企，如屋面資源豐富的大型煉鋼廠，靠近荒山、荒地的水泥廠或礦場(chǎng)等。由于這些企業(yè)用電負(fù)荷較高，配電系統(tǒng)接入容量大，基本24 h運(yùn)轉(zhuǎn)全年無(wú)休；同時(shí)，該類(lèi)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模大，具備大型新能源發(fā)電(如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電)的投資能力。

圖6 多條光伏匯集線通過(guò)并網(wǎng)柜并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景拓?fù)鋱DFig. 6 Topological diagram of application scenario of several PV collection lines are connected to grid through grid cabinet

由于采用“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的項(xiàng)目極少，目前還未有成熟的防逆流實(shí)際應(yīng)用方案。市場(chǎng)上現(xiàn)有的逆功率保護(hù)裝置大部分用于發(fā)電機(jī)保護(hù)，應(yīng)用于新能源發(fā)電項(xiàng)目的案例較少； 而且如果逆功率保護(hù)裝置跳閘出口，直接跳開(kāi)光伏電站并網(wǎng)線路[4]，光伏電站將直接退出運(yùn)行，不利于提高企業(yè)用戶的新能源發(fā)電消納水平。

下面為應(yīng)用場(chǎng)景3的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例，說(shuō)明防逆流安全自動(dòng)控制裝置有實(shí)際的應(yīng)用需求，存在研究的必要性。

1)工程背景：為發(fā)展新能源，促進(jìn)江蘇省光伏發(fā)電應(yīng)用，常州臺(tái)鑫新能源科技有限公司在常州市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)啟動(dòng)了“常州臺(tái)鑫新能源科技有限公司建設(shè)中天鋼鐵集團(tuán)有限公司屋頂一期5.643 MW、二期5.2206 MW光伏電站項(xiàng)目”，擬利用中天鋼鐵集團(tuán)有限公司南廠區(qū)屋頂建設(shè)分布式光伏電站，且該項(xiàng)目已獲常州經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)投資項(xiàng)目備案證。

2)接入系統(tǒng)方案：該項(xiàng)目的接入系統(tǒng)方案由國(guó)網(wǎng)常州供電公司評(píng)審，在評(píng)審意見(jiàn)的第2章節(jié)“一次接入系統(tǒng)方案”第3條提出：“本工程所發(fā)電量全部自用，用戶應(yīng)采取措施，保證光伏發(fā)電量全部在內(nèi)部消納，不得上送電網(wǎng)?！?/p>

3 防逆流安全自動(dòng)控制裝置

現(xiàn)有的“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的項(xiàng)目大部分都是采用逆功率控制柜，其通過(guò)監(jiān)測(cè)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)功率的實(shí)際值，與設(shè)定的整定控制功率臨界定值進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)逆變器的功率輸出或切斷分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。但這一方案只適用于單體裝機(jī)容量在500 kWp以下的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，且逆功率控制柜與逆變器之間采用RS485通信，整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)通信的依賴(lài)太高，通信中斷后逆功率控制柜會(huì)直接切斷光伏發(fā)電系統(tǒng)，造成光伏電力的浪費(fèi)。

雖然逆功率保護(hù)裝置[5]可達(dá)到防逆流的目的，但常規(guī)的逆功率保護(hù)裝置主要是用于發(fā)電機(jī)，該裝置的保護(hù)原理簡(jiǎn)單，出口單一，且不具備功率恢復(fù)功能；若將其應(yīng)用于新能源發(fā)電項(xiàng)目，當(dāng)出現(xiàn)逆功率時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作出口，直接斷開(kāi)并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，將降低用戶的新能源消納水平。因此，本文提出了一種新的適用于新能源發(fā)電“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的防逆流安全自動(dòng)控制裝置，并已成功申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利。

3.1 裝置的基本原理

防逆流安全自動(dòng)控制裝置在逆功率保護(hù)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)控制功能，且配置有多組跳閘出口及合閘出口。該裝置的基本原理為：監(jiān)測(cè)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的電壓和電流，通過(guò)邏輯控制跳合閘出口實(shí)時(shí)投退新能源發(fā)電單元匯集線(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“匯集線”)、并網(wǎng)出線，達(dá)到控制產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的功率方向及提高新能源發(fā)電消納水平的目的。典型的接入系統(tǒng)主接線圖如圖7所示。

圖7 典型的接入系統(tǒng)主接線圖Fig. 7 Typical main wiring diagram of access system

防逆流安全自動(dòng)控制裝置通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)實(shí)時(shí)正向功率P(電網(wǎng)系統(tǒng)指向用戶為正向)，將P與控制功率定值Pk進(jìn)行比較。

1)當(dāng)P≥Pk時(shí)，進(jìn)入投入?yún)R集線判據(jù)，若所有匯集線已處于投入運(yùn)行狀態(tài)，則執(zhí)行結(jié)束；若有未投入的匯集線，則比較差值ΔP與未投入的匯集線中第i條匯集線的額定功率定值Pi的大小，Pi為裝置設(shè)定的每條匯集線的額定功率定值，i為編號(hào)。

ΔP的公式為：

若ΔP>Pi(若多條匯集線處于分位，ΔP優(yōu)先與較大的額定功率定值Pi進(jìn)行比較)，則執(zhí)行“合第i條匯集線開(kāi)關(guān)”的操作；反之，執(zhí)行“結(jié)束”。

2)當(dāng)P

式中，∑Pi為已投入的匯集線的額定功率定值的和；Ps為實(shí)時(shí)處于合位的理論最大發(fā)電量與1個(gè)可自行設(shè)置的常數(shù)之和；Pt為可自行設(shè)置的常數(shù)。

若ΔP′

防逆流安全自動(dòng)控制裝置的控制邏輯流程圖如圖8所示。

圖8 防逆流安全自動(dòng)控制裝置的控制邏輯流程圖Fig. 8 Control logic flow of anti-reflux safety automatic control device

3.2 裝置的硬件組成

防逆流安全自動(dòng)控制裝置主要由電源板(開(kāi)入板)、交流板、CPU板、出口板幾個(gè)部分組成。

1)電源板(開(kāi)入板)：包含裝置電源及遙信電源，負(fù)責(zé)為裝置供電及提供遙信回路電源，設(shè)計(jì)多組遙信開(kāi)入點(diǎn)用于采集匯集線開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以及普通遙信開(kāi)入。

2)交流板：用于采集產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的電壓和電流，供CPU板計(jì)算分析實(shí)時(shí)正向功率P，用于邏輯執(zhí)行。

3) CPU板：該裝置的中央處理系統(tǒng)，用于信號(hào)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯執(zhí)行。

4)出口板：出口板配置有7組合閘出口、8組跳閘出口，用于執(zhí)行CPU板發(fā)出的指令，投入或退出匯集線及跳開(kāi)并網(wǎng)出線開(kāi)關(guān)，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求靈活配置出口板數(shù)量。

防逆流安全自動(dòng)控制裝置的背板接線圖如圖9所示。

圖9 防逆流安全自動(dòng)控制裝置的背板接線圖Fig. 9 Backplane wiring diagram of anti-reflux safety automatic control device

4 防逆流安全自動(dòng)控制裝置的優(yōu)勢(shì)

1)與現(xiàn)有的防逆流裝置相比，本文提出的防逆流安全自動(dòng)控制裝置在應(yīng)用上更加廣泛，可替代傳統(tǒng)方案。傳統(tǒng)的防逆流方案是通過(guò)通信方式調(diào)節(jié)逆變器的功率輸出，對(duì)通信的依賴(lài)性較高，且只適用于單體裝機(jī)容量在500 kWp以下的小型光伏發(fā)電項(xiàng)目；本文提出的防逆流安全自動(dòng)控制裝置可用于單體裝機(jī)容量在6～30 MWp的“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的大中型新能源發(fā)電項(xiàng)目，具有較大的實(shí)際應(yīng)用空間。

2)相比于傳統(tǒng)的逆功率保護(hù)裝置，本文提出的防逆流安全自動(dòng)控制裝置具備逆功率跳閘的功能，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)實(shí)時(shí)功率的大小及方向，邏輯控制匯集線的退出與投入，通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)實(shí)時(shí)正向功率的大小，以達(dá)到防逆流、提高新能源發(fā)電消納水平的目的。

3)防逆流安全自動(dòng)控制裝置的工作原理邏輯可靠，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的接線原理清晰，符合國(guó)家電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置在可靠性、靈敏性、選擇性、速動(dòng)性[6]這4個(gè)方面的基本要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種新的適用于新能源發(fā)電“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的防逆流安全自動(dòng)控制裝置。該裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的接線原理清晰；與現(xiàn)有的防逆流裝置相比，該裝置的應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，可應(yīng)用于單體裝機(jī)容量在6～30 MWp的“自發(fā)自用、禁止余電上網(wǎng)”模式的大中型新能源發(fā)電項(xiàng)目；該裝置具備逆功率跳閘的功能，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)實(shí)時(shí)功率的大小及方向。