淺析光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

高子元

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

引言

光伏發(fā)電就是通過利用光電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)化，以此來提供綠色清潔能源。光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，具有更高的安全性可靠性，并且不會(huì)產(chǎn)生污染和大量的噪聲，還可以廣泛應(yīng)用于沙漠、戈壁等環(huán)境惡劣的地區(qū)。為大幅度降低電力損耗，保護(hù)電力資源，完善電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏發(fā)電和并網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合成為我國電網(wǎng)建設(shè)的重要措施[1]。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 光伏發(fā)電簡介

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是由繼電保護(hù)裝置、太陽能光伏列陣、控制器、逆變器、儲能裝置、配電柜以及最大功率點(diǎn)跟蹤裝置等部分組成。

太陽能光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，太陽能光伏陣列由太陽能光伏電池串并聯(lián)形成。最初的光伏電池原材料為硅，用硅作為襯底，成本高、損耗大，故對光伏電池進(jìn)行改進(jìn)后，當(dāng)前普遍應(yīng)用的光伏電池內(nèi)部由薄膜電池和晶體硅構(gòu)成，不僅可以減小損耗，還可以提高光伏轉(zhuǎn)化效率[2]。最大功率點(diǎn)裝置是為了能夠高效利用太陽能源，使光伏陣列在系統(tǒng)運(yùn)行過程中時(shí)刻保持最大功率輸出。儲能裝置的主要作用就是對電能進(jìn)行控制，例如當(dāng)太陽能源充足時(shí)，可以利用儲能裝置將電網(wǎng)中多余的電能儲存起來，當(dāng)太陽能源匱乏時(shí)，通過逆變器再將儲存的電能釋放出去，以此來保證發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。逆變器可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過變壓器轉(zhuǎn)化成供人們?nèi)粘Ｊ褂玫臉?biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。

1.2 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)介紹

1.2.1 子系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏模塊子系統(tǒng)、逆變器并網(wǎng)子系統(tǒng)、直流配電子系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成[4]。其中，逆變并網(wǎng)子系統(tǒng)起著核心作用，這個(gè)子系統(tǒng)可以將系統(tǒng)中產(chǎn)生的380 V 三相交流電，通過升壓變壓器進(jìn)行電能并網(wǎng)轉(zhuǎn)換。

1.2.2 主設(shè)備

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，對于主設(shè)備的選擇要進(jìn)行多方面考量。一方面，為降低成本，可以選擇容量大的器件。另一方面，減小主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)對系統(tǒng)的沖擊，又不可以選擇容量過大的器件。故綜合考慮，選擇容量相對較大且與系統(tǒng)的適配性較高的設(shè)備。并網(wǎng)逆變器作為主設(shè)備的核心設(shè)備，還應(yīng)具有過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、頻率保護(hù)等保護(hù)功能。光伏電池組件與并網(wǎng)逆變器之間的“橋梁”，是直流配電監(jiān)測裝置，它可以保證系統(tǒng)工作的安全性。同時(shí)，并網(wǎng)逆變器最好獨(dú)立分散成并網(wǎng)的形式[5]，用來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

1.2.3 增壓系統(tǒng)

通過增壓系統(tǒng)中的升壓變壓器可以將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成滿足需求的交流額定電壓。升壓變壓器的變比和類型選取要根據(jù)實(shí)際發(fā)電量來決定，一般選取箱型干式變壓器。升壓變電站采用分層設(shè)計(jì)的原理，上層作為監(jiān)測逆變器的逆變工作室，下層是配電工作室[6]。對于高壓進(jìn)線柜一般選取中置式空氣絕緣開關(guān)柜，對于低壓進(jìn)線柜一般選取低壓抽出式開關(guān)柜，同時(shí)，引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，通過分析利用監(jiān)測得到的線路電壓、電流以及頻率、溫度等信息，控制升壓系統(tǒng)。

1.2.4 保護(hù)措施

為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要有一系列的保護(hù)措施。例如：通過安裝能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)保護(hù)的安全裝置，保護(hù)高溫跳閘時(shí)的開關(guān)柜和變壓器。安裝測控保護(hù)裝置，可以應(yīng)對電壓過高或過低、頻率過高或過低現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

1.2.5 防雷接地

電氣設(shè)備要安裝接地裝置、避雷帶等避免雷擊，保護(hù)工作人員的安全。

1.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)

光伏發(fā)電并網(wǎng)就是把太陽能和電能聯(lián)系在一起，把光伏發(fā)電和并網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系在一起，給電力系統(tǒng)提供有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)太陽能資源向電能資源的轉(zhuǎn)化。在變壓器的作用下，使電能資源和電網(wǎng)電壓相一致，保證電壓在電力系統(tǒng)中的正常傳送。

光伏發(fā)電需要利用電網(wǎng)供給電能，在并網(wǎng)過程中存在一系列問題，會(huì)導(dǎo)致電能穩(wěn)定性、可靠性受到一定的影響。以下著重從電網(wǎng)質(zhì)量問題、對配電網(wǎng)的影響、電網(wǎng)的調(diào)度問題三個(gè)方面來進(jìn)行分析。

2 電網(wǎng)質(zhì)量問題

光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化成電能供人類使用，在實(shí)際并網(wǎng)過程中要求電流要和電力系統(tǒng)的電流、頻率及相位保持一致。但在并網(wǎng)和電網(wǎng)的互相影響下會(huì)產(chǎn)生諧波，當(dāng)諧波的量積累到一定程度時(shí)，將會(huì)演變成諧波污染?，F(xiàn)階段，我國針對電壓（相電壓）和諧波畸變率對應(yīng)關(guān)系有著明確的標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

為避免諧波危害，在并網(wǎng)運(yùn)行前應(yīng)提前做好諧波的計(jì)算和檢測工作，可以安裝濾波設(shè)備來避免諧波污染。同時(shí)，在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，要對諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制諧波畸變率在規(guī)定范圍內(nèi)，可以從以下兩個(gè)方面對電流諧波含量進(jìn)行控制：一是在逆變器中運(yùn)用諧波抑制電路和功率因素校正電路，二是在供電設(shè)備處對高次諧波進(jìn)行處理[8]。

光伏發(fā)電極易受到環(huán)境因素的影響，而產(chǎn)生電壓波動(dòng)。例如：在陰雨天氣里，太陽被云層遮擋，導(dǎo)致太陽光照減弱，則光伏電源的功率就會(huì)大幅度降低。反之，在晴朗天氣太陽光照強(qiáng)烈時(shí)，光伏電源的功率就會(huì)大幅度升高。此類情況的出現(xiàn)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大頻率的波動(dòng)。

在并網(wǎng)正式運(yùn)行過程中，要根據(jù)外界溫度、光照、季節(jié)和氣候等因素的影響，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，對電壓波動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和記錄，結(jié)合實(shí)際情況對電壓波動(dòng)進(jìn)行控制和補(bǔ)償。

3 配電網(wǎng)影響

3.1 潮流

配電網(wǎng)是在電力系統(tǒng)中起分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)，一般采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行，結(jié)構(gòu)一般呈輻射狀。潮流是用來表示電力系統(tǒng)的一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，支路潮流電壓具有單向流動(dòng)的特性，即隨著與發(fā)電廠距離的增大，電壓功率等參數(shù)逐漸下降。但是，當(dāng)電網(wǎng)中接入光伏電源后，情況有所不同。當(dāng)接入電源后，線路上的傳輸功率減少，可能會(huì)使節(jié)點(diǎn)電壓升高，導(dǎo)致潮流方向的變化變得不可預(yù)測，即電壓降落和電壓調(diào)整難以計(jì)算，致使電壓調(diào)整設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)，還可能導(dǎo)致變壓器電壓、容量超量程等問題，這些情況都會(huì)使發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性受到影響。

為應(yīng)對光伏發(fā)電過程中的隨機(jī)性和波動(dòng)性，需要發(fā)電系統(tǒng)中具備足夠的調(diào)峰電源和調(diào)頻機(jī)組，當(dāng)出現(xiàn)末電壓升高引起潮流方向變逆，電壓倒送情況時(shí)，通過調(diào)整變壓器的調(diào)壓開關(guān)，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置配合使用，降低傷害。

3.2 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)就是在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，因出現(xiàn)突發(fā)狀況強(qiáng)迫電網(wǎng)中斷供電，但發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)突變，仍舊維持著負(fù)載供電模式，一直向外界輸出電能，此種情況被稱為“孤島效應(yīng)”。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)在“孤島狀態(tài)”運(yùn)行時(shí)，將對配電網(wǎng)和負(fù)載造成極大的危害。

1）電網(wǎng)內(nèi)部的電壓和頻率變得不穩(wěn)定且無法控制，會(huì)給設(shè)備運(yùn)行帶來威脅。

2）由于處于孤島狀態(tài)中的供電系統(tǒng)依然帶電，可能會(huì)給工作人員的安全造成危害，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3）當(dāng)故障解決、恢復(fù)正常工作時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重新并網(wǎng)，此時(shí)可能會(huì)因相位等參數(shù)不一致，引起極大的電流沖擊[9]。

針對孤島效應(yīng)，研究其解決方法和保護(hù)措施顯得尤為必要。保護(hù)措施可以采用反孤島保護(hù)技術(shù)，這種技術(shù)可以在危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)控制電網(wǎng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，避免了電壓不穩(wěn)的情況出現(xiàn)。孤島檢測方法可以分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。主動(dòng)型檢測法主要包括有源頻率偏移法（AFD）、滑膜頻率偏移法（SMS）和帶正反饋的有源頻率偏移法（AFDPF）等。被動(dòng)型檢測法主要包括高低頻檢測、相位突變檢測和電壓諧波檢測等。

4 電網(wǎng)調(diào)度問題

現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有自動(dòng)調(diào)度功能，不能控制和參與電網(wǎng)頻率、電壓的調(diào)整，從而加大了電網(wǎng)調(diào)度的難度。在實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)有大規(guī)模、大容量甚至不同類型的分布式光源接入配電網(wǎng)。因此，要提高配電網(wǎng)對此類光伏電源的消納能力，也可以利用風(fēng)光儲互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，對分布式光伏電源和分布式電源進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行[10]。在高級配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以對新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的互聯(lián)、接口、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在不同用戶、不同電壓波動(dòng)下的情況進(jìn)行研究。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電形式的一種，因其獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)具有廣闊的發(fā)展前景。但是，在光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列問題，接入電網(wǎng)后引起的電壓波動(dòng)和孤島效應(yīng)將會(huì)給配電網(wǎng)帶來不小的影響。針對以上問題，可以通過安裝濾波設(shè)備、運(yùn)用校正電路、調(diào)整電壓開關(guān)和運(yùn)用反孤島技術(shù)等方法，確保電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行。