光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置研究與實(shí)例計(jì)算

端柯羽　趙溢康　梁夢(mèng)馨

摘要：針對(duì)光伏發(fā)電問(wèn)題，提出了一套完整的光伏發(fā)電并網(wǎng)、采集與預(yù)測(cè)體系。首先，詳述了光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置各個(gè)組件的原理，提出了部分改進(jìn)措施;其次，針對(duì)光伏發(fā)電實(shí)例進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，該光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置不僅可以指導(dǎo)未來(lái)光伏發(fā)電高效并網(wǎng)，還能在此基礎(chǔ)上取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;新能源;并網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM615? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）06-0009-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.003

0? ? 引言

正如電力“十三五”規(guī)劃所論述的那樣，目前我國(guó)正處于深化改革的攻堅(jiān)期，也是電力工業(yè)加快轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要機(jī)遇期。在這樣的新時(shí)期，能源格局進(jìn)一步調(diào)整，環(huán)境資源的約束也進(jìn)一步加強(qiáng)，給我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)。隨著世界氣候形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，人們對(duì)清潔能源的需求正不斷增長(zhǎng)，加速對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為電力人義不容辭的責(zé)任，電源結(jié)構(gòu)的清潔化必然逐漸成為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主流。

取之不竭，安全可靠，無(wú)噪聲污染，不受資源分布地域的限制，建設(shè)周期短，獲取能源花費(fèi)的時(shí)間周期短，光伏發(fā)電因以上優(yōu)點(diǎn)在清潔能源建設(shè)中占據(jù)了很大比重。在光伏發(fā)電的用電需求側(cè)，對(duì)于小區(qū)家庭用戶，新能源供電裝置（以屋頂光伏發(fā)電裝置為例）大大緩解了能源供給/消耗矛盾，以“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的原則，有力地推動(dòng)了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于光伏發(fā)電原理的論文較多，但很少有論文將原理與實(shí)例的計(jì)量與預(yù)測(cè)進(jìn)行聯(lián)系。文獻(xiàn)[1-4]提出的是光伏發(fā)電裝置各組件的原理與改進(jìn)措施，但并未涉及實(shí)例的計(jì)算;文獻(xiàn)[5]提出的是小區(qū)屋頂光伏應(yīng)用的實(shí)例計(jì)算，但并未詳述光伏應(yīng)用各組件原理。本文基于以上研究，提出了一套完整的光伏發(fā)電并網(wǎng)、采集與預(yù)測(cè)體系。

1? ? 小區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置

本文按照國(guó)家電網(wǎng)公司《關(guān)于促進(jìn)分布式電源并網(wǎng)管理工作的意見(jiàn)（修訂版）》接入系統(tǒng)一般原則設(shè)計(jì)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置。

與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)單一的潮流流向不同，光伏發(fā)電的潮流流向具有雙向性，用戶側(cè)的節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)用戶的發(fā)電量和負(fù)載量在電源節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換。本文利用充放電控制器、雙向變流器、功率調(diào)節(jié)和并網(wǎng)保護(hù)等裝置組成光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

下面分別對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1? ? 充放電控制器

充放電控制器[1]的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。本文以STC15W4K60S4_PDIP40單片機(jī)為控制中心，將采用軟硬件結(jié)合的方式采集到的電流和電壓通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，從單片機(jī)輸出的數(shù)值經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)MOSFET管處理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充放電的控制。通過(guò)該充放電控制系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池板的電能在用戶側(cè)得到最優(yōu)化利用，蓄電池電壓在（10.5±0.5）V至（14.5±0.5）V之間浮動(dòng)，單片機(jī)在蓄電池到達(dá)下限和上限時(shí)分別實(shí)現(xiàn)充電和放電控制。

在采集模塊中，采用分流器接入的方式提供電流采樣，采用電阻分壓的方式進(jìn)行電壓衰減采樣。電壓通道允許最大輸入差分電壓設(shè)置為±165 mV，共模電壓設(shè)置為100 mV。輸入電壓的衰減通過(guò)9級(jí)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。精度校驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行分級(jí)調(diào)整，到最高級(jí)時(shí)，精度調(diào)整至0.05%。用8421編碼設(shè)置該衰減網(wǎng)絡(luò)的校驗(yàn)范圍，允許在±30%左右，用電阻和電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)分壓網(wǎng)絡(luò)-3 dB的頻率。設(shè)計(jì)選用RC濾波器，可以避免分流器寄生電感產(chǎn)生的影響，同時(shí)也能顧及通道平衡。根據(jù)計(jì)算和通道1與通道2的匹配，選定合適的電容與電阻。

1.2? ? 雙向變流器

根據(jù)接入光電的容量以及用戶端節(jié)點(diǎn)PDGi與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)Pi功率大小情況，調(diào)整接入節(jié)點(diǎn)的功率方向。本項(xiàng)目使用雙向變流器和充放電控制器共同實(shí)現(xiàn)潮流流向的控制。通過(guò)利用單相輸出的并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕涣麟?，一部分自用，余電進(jìn)行并網(wǎng)，在負(fù)荷功率超過(guò)光伏接入點(diǎn)功率時(shí)，從電網(wǎng)取電。

如圖3所示，雙向變流器主要由交流回路、功率橋回路、直流回路組成[2]。在電流方向從網(wǎng)側(cè)指向變流器且雙向變流器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)控制V的大小和相角來(lái)實(shí)現(xiàn)變流器在以P、Q、-P、-Q對(duì)應(yīng)的有功放電4個(gè)特殊工作點(diǎn)的平面里做四象限運(yùn)行。

1.3? ? 功率調(diào)節(jié)裝置

目前，光伏發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)裝置主要采用雙向DC-DC變換器。而本文采用的是雙向全橋隔離型DC-DC變換器[3]，變換器由全橋整流器、高頻變壓器和全橋逆變器3個(gè)部分組成，電壓型變換器位于兩端構(gòu)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制變壓器原副邊處的兩個(gè)H橋方波電壓信號(hào)的相位與占空比，達(dá)到控制變換器傳遞功率方向和大小的效果，具有隔離、大電壓變比、高效、高功率密度等特點(diǎn)。

將輸入和輸出的H橋看作是兩個(gè)電源，分別簡(jiǎn)化到變壓器的兩端，通過(guò)傅里葉變換計(jì)算得出：變壓器副邊繞組的有功功率與移相角的正弦值成正比，有功功率為正值時(shí)，由變壓器原邊流向副邊，副邊吸收有功功率;當(dāng)有功功率為負(fù)值時(shí)，由變壓器副邊流向原邊，副邊繞組發(fā)出有功功率。

1.4? ? 并網(wǎng)保護(hù)裝置

針對(duì)分布式電源特性，本文基于傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)裝置做出以下改進(jìn)[4]：

1.4.1? ? 運(yùn)行方式

在運(yùn)行方式方面，本文采取以下兩種技術(shù)方案：

（1）孤島方案。移除原有的線路保護(hù)裝置，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)重新進(jìn)行規(guī)劃，在線路出現(xiàn)故障時(shí)，光伏發(fā)電單元獨(dú)立供電，將配電網(wǎng)分為數(shù)個(gè)孤島，將故障控制在一定范圍之內(nèi)。

（2）切源方案。線路出現(xiàn)故障，在重合閘操作之前將光伏發(fā)電單元從線路中切斷，使用傳統(tǒng)配電線路以及保護(hù)措施。

1.4.2? ? 距離保護(hù)

本文利用四邊形距離繼電器這一保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)距離保護(hù)的改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)線路的有效保護(hù)。借助距離繼電器對(duì)距離以及方向的精準(zhǔn)測(cè)量，使整定電阻分量和整定三段式電抗定值達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，從而完成距離保護(hù)。

1.4.3? ? 繼電保護(hù)

對(duì)于繼電保護(hù)，本文擬采用以下兩種方案：

（1）TCM方案。選擇時(shí)限最短的繼電保護(hù)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)方案最優(yōu)，將故障切除的時(shí)間控制在最短。

（2）電流分量檢測(cè)方案。采用過(guò)電流保護(hù)措施，只對(duì)比零序和負(fù)序電流分量，當(dāng)電流值達(dá)到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

2? ? 某住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電實(shí)例預(yù)測(cè)

以上文中的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，本文選取了一個(gè)屋頂光伏發(fā)電條件良好的小區(qū)作為例子，對(duì)其光伏年發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1? ? 小區(qū)基本情況

該小區(qū)位于南京市江寧區(qū)秣陵街道，占地面積50.40 hm2，建筑面積350 000 m2。小區(qū)已有部分業(yè)主安裝屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，以中電電氣在徐先生家安裝的12 kW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例：該發(fā)電裝置采用雙玻組件進(jìn)行安裝，利用雙玻組件透光的特點(diǎn)，在光伏發(fā)電的同時(shí)，不影響業(yè)主享受陽(yáng)光的體驗(yàn)，集美化屋頂、遮風(fēng)擋雨、綠色節(jié)能、透光可控等多種優(yōu)點(diǎn)于一體，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自用的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還帶來(lái)了促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展等可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，隨著充電汽車(chē)的普及，加快屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)可以有效緩解公共電網(wǎng)的負(fù)載壓力，所以本文對(duì)該小區(qū)光伏發(fā)電的效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以展望小區(qū)光伏發(fā)電廣泛投入使用后的美好藍(lán)圖。

2.2? ? 小區(qū)屋頂光伏發(fā)電量預(yù)測(cè)

南京市地處江蘇南部、長(zhǎng)江南岸，太陽(yáng)能資源十分豐富，年總輻射量約為1 416.77 kW·h/m2，日平均日照小時(shí)數(shù)約為3.96 h。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，考慮到土地周?chē)ㄖ飳?duì)屋頂?shù)挠绊?、土地?nèi)建筑物之間的相互遮擋等因素，建筑物屋頂?shù)目捎霉夥娣e應(yīng)滿足冬至09：00—15：00日照時(shí)數(shù)3 h以上的要求。

該小區(qū)的屋頂面積數(shù)據(jù)如下：排屋屋頂總面積約為25 328.33 m2，高層屋頂總面積約為8 724.83 m2，根據(jù)公式Apr=Kpr Aroof計(jì)算可知，該小區(qū)屋頂光伏可安裝面積為15 456.11 m2。公式中，Apr為屋頂光伏可安裝面積;Kpr為屋頂光伏可利用系數(shù)（假設(shè)排屋取0.50，高層取0.32）;Aroof為屋頂總面積。

再通過(guò)Epr=ApzGpηλ計(jì)算該小區(qū)屋頂光伏年發(fā)電量約為89.96萬(wàn)kW·h。公式中，Epr為屋頂光伏年發(fā)電量;Apz為屋頂光伏組件有效面積（假設(shè)光伏組件有效面積系數(shù)為0.39）;Gp為光伏組件所接收到的輻射量（按江寧太陽(yáng)高度角34.62°計(jì)算）;η為理論測(cè)試的光伏模塊轉(zhuǎn)換效率（假設(shè)取多晶硅組件光伏效率0.16）;λ為光伏系統(tǒng)的運(yùn)行效率（假設(shè)取80%）[5]。

假設(shè)該小區(qū)每戶居住2.8人，人均年用電量500 kW·h，則該小區(qū)每年需要235.9萬(wàn)kW·h的電量。根據(jù)預(yù)測(cè)，該小區(qū)利用光伏發(fā)電取得的電量可以滿足其電力消耗的38.13%，能夠極大地緩解配電網(wǎng)的高負(fù)荷壓力，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，同時(shí)也為小區(qū)未來(lái)太陽(yáng)能汽車(chē)入戶，太陽(yáng)能充電樁進(jìn)一步發(fā)展提供了充裕的空間。該小區(qū)全面光伏發(fā)電預(yù)計(jì)效益如表1所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

在能源結(jié)構(gòu)加速調(diào)整的今天，對(duì)于清潔能源，應(yīng)該加快推動(dòng)其從理論向?qū)嵺`發(fā)展。本文提出的光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置涉及較為完整的光伏發(fā)電原理，對(duì)于設(shè)備的安裝和改進(jìn)也有一定的實(shí)際意義。本文介紹的小區(qū)屋頂光伏設(shè)備發(fā)電量預(yù)測(cè)，對(duì)于光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)意義做出了較為完善的說(shuō)明，也可以為小區(qū)推動(dòng)光伏發(fā)電設(shè)備建設(shè)提供一定的借鑒。

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收稿日期：2021-12-08

作者簡(jiǎn)介：端柯羽（2001—），男，江蘇泰州人，研究方向：繼電保護(hù)。