分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀分析及技術(shù)改進研究

向萌

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430000）

1 引言

作為典型的自然能源，太陽能具有污染可控、能耗低、發(fā)電期間不會產(chǎn)生有害物質(zhì)等優(yōu)勢，由此而衍生出的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出了極為迅猛的發(fā)展勢頭。事實證明，分布式發(fā)電可使太陽能得到最大程度的開發(fā)，確保太陽能盡快轉(zhuǎn)化成電能并供居民使用?？梢灶A見的是，未來該技術(shù)將得到更加廣泛的運用，因此，圍繞該技術(shù)的不足展開討論很有必要。

2 分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀

我國太陽能十分豐富，在政府大力扶持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的當下，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)均得到了長足的進步，其中，最具代表性的是分布式光伏發(fā)電技術(shù)。其優(yōu)勢主要是能夠解決各地區(qū)日照長度、太陽能儲量不均的情況，通過對各構(gòu)件進行科學布設的方式，使太陽能得到充分開發(fā)，由此來保證光伏發(fā)電的經(jīng)濟效益。

但由于我國引入分布式光伏發(fā)電技術(shù)的時間較晚，在利用該技術(shù)對光伏發(fā)電相關(guān)項目進行開發(fā)時，仍有亟待解決的問題存在，例如，有關(guān)人員未能做到嚴格管控組件質(zhì)量，導致不達標組件進入項目，使發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到負面影響[1]；太陽能不穩(wěn)定，光伏發(fā)電期間極易出現(xiàn)電網(wǎng)波動的情況，進而使發(fā)電系統(tǒng)難以正常運行；在儲存電能、并網(wǎng)的過程中，光伏電網(wǎng)的電壓不固定，這一問題同樣影響著光伏發(fā)電優(yōu)勢的發(fā)揮。

現(xiàn)階段，亟待解決的問題主要包括以下兩個：（1）除特殊情況外，集中進行供電的配電網(wǎng)均存在電力輻射的情況，若配電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)，其電壓將沿功率傳輸方向緩慢下降，但運用分布式光伏發(fā)電技術(shù)后，電網(wǎng)內(nèi)將形成多個電源節(jié)點，同時傳輸功率潮流的變化方向也發(fā)生了改變，使各節(jié)點對應電壓不斷變化，若不盡快解決該問題，將導致電壓偏壓持續(xù)增大，進而對電網(wǎng)的安全性造成不利影響。（2）若供電系統(tǒng)因故停止運行，但光伏發(fā)電仍處于供電狀態(tài)，會造成孤島現(xiàn)象。一般來說，孤島現(xiàn)象主要分為非計劃性和計劃性兩類，非計劃孤島往往難以預測。此外，考慮到主網(wǎng)難以做到有效控制孤島輸電頻率和電壓，隨著孤島現(xiàn)象存在時間的增加，其他設備受損的概率將大幅提高。

3 分布式光伏發(fā)電的技術(shù)改進探究

3.1 科學調(diào)壓

分布式光伏發(fā)電的性質(zhì)較為特殊，極易由于自然光能的影響而出現(xiàn)發(fā)電不穩(wěn)定的情況。對電力資源進行并網(wǎng)期間，頻繁變化的光伏電壓對電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響有目共睹，若不盡快解決該問題，將在極大程度上降低項目的安全性。鑒于此，有關(guān)人員指出，應酌情引入調(diào)壓技術(shù)。簡單來說，就是利用電壓調(diào)節(jié)器對電力進行控制，縮小電壓波動范圍。長期處于高效運行狀態(tài)的發(fā)電系統(tǒng)較易發(fā)生線路輕載或類似情況，以往在電網(wǎng)末端安裝調(diào)壓設備的方法，會導致光伏電網(wǎng)在并網(wǎng)期間所形成電壓超出限值，進而使并網(wǎng)效果和可靠性受到負面影響[2]。為避免上述情況出現(xiàn)，有關(guān)人員最終決定以發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出的運行狀態(tài)為依據(jù)，在儲能階段增設調(diào)壓器，利用調(diào)壓器對電壓波動加以控制。事實證明，此舉可使發(fā)電系統(tǒng)具有更加理想的穩(wěn)定性及安全性，需要引起重視。

3.2 孤島保護

要使光伏發(fā)電存在的不足得到彌補，關(guān)鍵是明確問題成因，同時制訂相應的改進方案。研發(fā)孤島保護相關(guān)技術(shù)的初衷主要是杜絕并網(wǎng)期間兩者出現(xiàn)短暫失聯(lián)，導致光伏電網(wǎng)失去獨立運行的能力。對該技術(shù)加以運用，可在極大程度上提高光伏電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性，通過主動切斷連接設備的方式，使維護及檢查工作得到高效開展。若存在計劃外的孤島運行情況，則要對電網(wǎng)處于該工況時對電氣設備、工作人員所產(chǎn)生的影響進行分析，從而制訂切實可行的預控計劃，同時針對常見事故，擬定相應的處理方案，為光伏電網(wǎng)的長期運行提供保障。

3.3 光伏列陣

若光伏電站所用支架為固定支架，待安裝組件、支架的工作告一段落，將無法再次調(diào)整方陣傾斜角度，由此可見，提前確定符合實際情況的傾斜角度極為重要。在此過程中，要先對當?shù)刈罴褍A角、陣列間距進行計算，計算方法如下。

3.3.1 最佳傾角

導致光伏發(fā)電難以大范圍推廣的原因，主要是其效率及成本均未能達到理想水平，應用固定光伏方陣前，先要確定陣列傾斜角度[3]。為保證太陽輻射量達到預期，可選擇以下公式對斜面輻射總量Ht進行計算：

式中，Hbt為太陽散射傾斜面的輻射量；Hdt為太陽直射傾斜面的輻射量；Hrt為地面反射對應輻射量；Rb為直射傾斜面和水平面的輻射量之比；Hb為氣象站觀測所得水平面直射輻射初始值；Hd為氣象站觀測所得水平面散射輻射初始值；H0為大氣層以外水平面對應輻射量；H為水平面對應太陽輻射總量，由氣象臺提供；ρ為地面反射率，通常為0.2，實際工作中，可根據(jù)地面狀態(tài)進行調(diào)整，相關(guān)數(shù)值見表1；ωs′為傾斜面對應日沒時角；ωs為水平面對應日沒時角；φ為電站緯度，南半球的取值為負，北半球的取值為正；β為組件傾角；δ為赤緯角。

表1 不同狀態(tài)地面所對應反射率

實際工作中，有關(guān)人員應根據(jù)當?shù)厍闆r，對不同陣列方位角對應輻射總量進行計算，由此確定陣列安裝方向，通過酌情調(diào)整傾角的方式，確保輻射量可達到預期水平。

3.3.2 陣列間距

北半球所安裝光伏方陣均面向正南方向，只有保證傾角合適，才能使斜面所接受輻射量達到預期。另外，為避免前后排間出現(xiàn)陰影遮擋的情況，導致發(fā)電系統(tǒng)無法高效運行，應對陣列間距進行計算，確保冬至日9∶00～15∶00，陣列不會出現(xiàn)遮擋問題。以光伏電站所對應太陽位置、地理坐標還有方陣高度為依據(jù)，利用下列公式對間距D進行計算：

式中，H′為陣列高度；L為陣列實際寬度；d為陰影長度；β′為陣列當前傾角。

在圖1中，D為間距；αs為太陽光線與地平面夾角。出于降低計算難度的考慮，利用VB程序?qū)τ嬎憬M件間距的方法進行編寫，只需在所編寫程序內(nèi)輸入陣列傾角、寬度及緯度，便可得出包括陣列間距最小值、垂直高度還有陰影長度在內(nèi)的相關(guān)數(shù)值。

圖1 組件間距示意圖

3.3.3 發(fā)電量和傾角的關(guān)系

本文所討論分布式光伏電站與常規(guī)電站的區(qū)別，主要是其能夠最大限度地接近用戶，減少電能運輸期間的損耗量?，F(xiàn)階段，國內(nèi)多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)均建設在屋頂上，由于可供使用的場地面積較小，電站容量往往難以達到預期，鑒于此，應盡快提高電站的發(fā)電量。

某廠區(qū)內(nèi)車棚的平面圖如圖2所示。有關(guān)人員計劃在該區(qū)域建設光伏車棚，該項目的占地面積約為1 035 m2。對光伏方陣進行布置的形式有兩種，分別是橫向布置和豎向布置，各方案占地面積大致相同，本項目計劃采取橫向布置方案。為保證所獲得太陽輻射達到預期，應朝南布置列陣，同時確保其傾斜角度達到最佳。實地勘測結(jié)果表明，發(fā)電量、裝機容量和傾角間的關(guān)系如圖3所示。

圖2 廠區(qū)內(nèi)車棚的平面圖（單位：m）

由圖3所傳遞信息可知，電站容量和傾角度數(shù)的關(guān)系為負相關(guān)，土地利用率也會隨著傾角度數(shù)的增加而降低。在傾角為最佳值時，發(fā)電量、裝機容量均為最小值，若將傾角改為0°，則發(fā)電量、裝機容量可達到最大值。導致上述情況出現(xiàn)的原因，主要是陣列間距將隨著傾角度數(shù)的加大而加大，裝機容量隨之減少。由此可見，在預留空間有限的情況下，可酌情減小傾角度數(shù)，增加發(fā)電量以及裝機容量，為土地利用率提供保證。

圖3 發(fā)電量、裝機容量和傾角間的關(guān)系

在光伏技術(shù)持續(xù)發(fā)展的當下，組件所具有的發(fā)電效率也較以往有所提高，土地成本給電站所產(chǎn)生影響有目共睹，要想在對土地進行充分利用的前提下，使發(fā)電量達到預期水平，應明確以下內(nèi)容：（1）在可供使用的面積有限的情況下，發(fā)千瓦發(fā)電量和單位面積所對應發(fā)電量的關(guān)系為互逆；（2）在確定傾角時，不應僅考慮組件或土地利用率，還要參考地貌地形和氣象條件，同時對發(fā)電成本加以分析，確保發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的運行。

4 結(jié)語

通過上文的分析能夠看出，在開發(fā)分布式光伏發(fā)電相關(guān)項目時，為保證電網(wǎng)始終處于穩(wěn)定且安全的運行狀態(tài)，有關(guān)人員應對現(xiàn)有技術(shù)進行相應的改進，通過科學調(diào)壓還有孤島保護等方式，使光伏發(fā)電的價值得到最大化的體現(xiàn)。