分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀分析及技術(shù)改進研究

田豐

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司榆樹井煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 016200）

0.引言

我國西部地區(qū)擁有豐富的太陽能，光伏發(fā)電效益顯著，而分布式光伏發(fā)電能夠有效解決太陽能分布不均的問題，在科學合理的設計下實現(xiàn)太陽能的最大化開發(fā)利用，提高光伏發(fā)電的經(jīng)濟效益。

1.分布式光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

分布式光伏發(fā)電項目所具有的分散化能源供應能力逐漸替代非專業(yè)化的光伏電站建設，成為諸多企業(yè)開展光伏發(fā)電的主要方向。近年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是高度的政策驅(qū)動產(chǎn)業(yè)，在政府遏制盲目性投資、出臺平價上網(wǎng)等政策后，企業(yè)在分布式光伏發(fā)電建設中不斷探究技術(shù)的發(fā)展進步與成本控制，以求達到高質(zhì)量的經(jīng)濟效益。從光伏發(fā)電發(fā)展的大環(huán)境來看，分布式光伏發(fā)電項目開發(fā)過程中出現(xiàn)了一些問題，影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量與安全，而且光伏發(fā)電本身受限于太陽能的不穩(wěn)定性會對電網(wǎng)并網(wǎng)造成一定影響，需要在最大限度收集太陽能的同時降低電網(wǎng)運行的風險系數(shù)。榆樹井煤礦沒有盲目建設分布式光伏發(fā)電項目，而是在完場項目現(xiàn)場調(diào)研，編制分布式光伏發(fā)電項目可行性研究報告，通過市場調(diào)研，選取適合單位實際情況的光伏板、匯流箱、計量柜等軟硬件設備后才開始分布式光伏發(fā)電項目的建設，高質(zhì)量的準備為地面分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運作提供了保障，光伏板發(fā)電正常，無高出要求諧波，電壓穩(wěn)定，輸出電壓380V，日發(fā)電量7548度，符合設計要求?；旧弦?guī)避了分布式光伏發(fā)電項目開發(fā)過程中的常見問題，確保分布式光伏發(fā)電項目的有效運用，實現(xiàn)了對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與組件設備的質(zhì)量控制管理，保障了光伏發(fā)電的整體運行穩(wěn)定性[1]。

2.影響分布式光伏發(fā)電效益的因素

2.1 光伏技術(shù)

“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，光伏發(fā)電技術(shù)以及其他技術(shù)工藝本身決定了光伏發(fā)電成本以及發(fā)電效率，隨著光伏發(fā)電項目補貼逐漸減低，在光伏發(fā)電項目的技術(shù)工藝以及材料設備對于分布式光伏發(fā)電效益的影響將會越來越大。光伏技術(shù)本身在分布式控制下雖然可以帶來一定的積極作用，但受限于技術(shù)工藝發(fā)展水平以及設備設施瓶頸因素，分布式控制技術(shù)在通信傳輸過程中的準確性和速度容易受到強電系統(tǒng)的電磁干擾影響。而且配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)也會影響到光伏發(fā)電效益，像是過往電壓調(diào)節(jié)多采用投切電容電抗器，沒有配置動態(tài)調(diào)節(jié)設備，這就造成電壓調(diào)節(jié)沒有對電流負荷進行預測，不僅會降低發(fā)電效率，而且可能會引起電壓超標問題。企業(yè)在分布式光伏發(fā)電項目建設中只有最大限度地優(yōu)化技術(shù)工藝，確保各項技術(shù)的有效運用，才能提高光伏發(fā)電的經(jīng)濟效益。

2.2 投資成本

分布式光伏發(fā)電項目的前期投資與后期運維成本均較高，雖然光伏項目能夠為投資者帶來良好的收益，但是投資前期需要采購的設備硬件較多，筆者所在地區(qū)太陽能豐富、日照時間長，年太陽輻射總量在5711MJ/m2～ 6096MJ/m2，年日照時數(shù)在3000h左右，且年平均降水量在300mm以下，獨特的氣候條件具有可觀的光伏發(fā)電效益，才在建筑、車間、停車場等屋頂設置光伏發(fā)電裝置，并直接并入礦井低壓電網(wǎng)，為礦井能源系統(tǒng)用電提供補充。隨著光伏發(fā)電項目的大規(guī)模應用與可持續(xù)發(fā)展，光伏發(fā)電的投資成本還在不斷降低，特別是在煤炭價格上升后，煤炭發(fā)電成本相比光伏發(fā)電成本在不考慮環(huán)境影響的情況下沒有顯著優(yōu)勢，何況光伏發(fā)電成本隨著技術(shù)進步呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，2010—2018年，光伏組件價格下降80%左右，而且煤炭發(fā)電的環(huán)境代價容忍性較低，使得光伏發(fā)電項目在綜合經(jīng)濟效益上占據(jù)發(fā)展優(yōu)勢。在后期運營成本上，光伏組件設備的價格降低以及效率提升，也間接降低了后期的運營與維護成本。當然，最關(guān)鍵的依然是分布式光伏發(fā)電項目的經(jīng)濟收益，除了補貼政策獲得的資金外，自發(fā)電力節(jié)省的電費以及出售多余電量的收入都伴隨著前期投資成本的降低而穩(wěn)步提高，這為分布式光伏發(fā)電技術(shù)優(yōu)化研究提供了經(jīng)濟基礎[2]。

2.3 補貼政策

補貼是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的根本，2008—2018年，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中補貼政策對促進發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。光伏發(fā)電技術(shù)的進步以及補貼政策的不斷調(diào)整為分布式光伏發(fā)電項目，其中有關(guān)明確縮小補貼規(guī)模且只有被承認規(guī)模管治的光伏發(fā)電項目才享受補貼。為此，榆樹井煤礦嚴格按照國家及電力行業(yè)項目規(guī)范標準建設執(zhí)行，確保所發(fā)電能質(zhì)量與電網(wǎng)完全一致，并根據(jù)不同太陽電池陣列選用不同類型與功率的并網(wǎng)組件設備，保證光伏系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電網(wǎng)的交流電，能夠享受到光伏發(fā)電的補貼政策?？傮w來看，光伏發(fā)電補貼正在逐漸降低，想要依靠光伏發(fā)電補貼獲取收益并不現(xiàn)實，只有憑借光伏發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢以及企業(yè)用電需求拉動光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展才是分布式光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要方向，不過當前在技術(shù)改進以及經(jīng)濟效益計算中依然可以加入補貼資金，以此找到未來確保經(jīng)濟效益和技術(shù)改進的方向。

3.分布式光伏發(fā)電技術(shù)改進策略

3.1 實施孤島保護

分布式光伏發(fā)電的規(guī)模化應用使得諸多逆變器設備并入電網(wǎng)，而這也產(chǎn)生諸多公共耦合點諧波過大、逆變器脫網(wǎng)、非計劃性孤島運行等問題，對電網(wǎng)的安全運行帶來影響。在光伏系統(tǒng)正常工作時，逆變器將會把發(fā)出的電能輸送至電網(wǎng)，而當電網(wǎng)故障時，系統(tǒng)無法及時檢測到電網(wǎng)狀態(tài)而繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電能，就會造成系統(tǒng)出現(xiàn)孤島效應，會對整個系統(tǒng)中的設備造成影響甚至損壞。而孤島保護技術(shù)就是為了維持分布式光伏電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，主動斷開并網(wǎng)連接設備的一種技術(shù)。此技術(shù)需要對非計劃的孤島運行狀態(tài)有著準確的判斷，并能夠分析在孤島狀態(tài)下電網(wǎng)會對電氣設備造成何種影響，是否存在安全風險，為設計人員或維護人員提供安全控制數(shù)據(jù)和應急處理預案，確保分布式光伏電網(wǎng)的正常運行。榆樹井煤礦使用的設備防護包括DC記憶反接保護、直接輸入開關(guān)、絕緣阻抗檢測、交流短路保護、浪涌保護、防PID保護、AFCI保護等，在孤島保護技術(shù)運用中主要是通過被動過、欠壓孤島檢測或是電壓相位突變檢測方法來檢測孤島效應，這兩種方法簡單便捷，容易實現(xiàn)，但缺陷是對閾值設定準確度要求較高，否則容易出現(xiàn)檢測盲區(qū)。而在信息技術(shù)和網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展中，通過實時監(jiān)測主動實施孤島保護成為可能，通過在控制電流的幅值、頻率或相位上加入一個擾動來判斷是否存在孤島效應，正常情況下擾動受限于大電網(wǎng)的鉗制作用，不會造成明顯變化，而存在孤戰(zhàn)狀況時，擾動作用就比較明顯，以此來判斷是否發(fā)生孤島。可采用主動頻率偏移法、自動相位偏移法、GE防孤島方法、無功功率擾動法等，這些方法都能主動檢測孤島效應，根據(jù)國家光伏并網(wǎng)技術(shù)標準的要求，必須要設置主動和被動各一種防孤島效應保護方法，確保在電網(wǎng)失壓時，防孤島保護可以在2s內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，保障光伏系統(tǒng)及其設備的安全。

3.2 增強運維管理

榆樹井煤礦大規(guī)模利用新能源，建設新能源綜合利用控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多種能源的有效結(jié)合，而相關(guān)系統(tǒng)與設備的應用也帶來了電能的大量消耗，為了堅持節(jié)能減排和環(huán)境保護的基本方針，結(jié)合當?shù)毓庹諝夂蛱攸c，開發(fā)光伏發(fā)電來補充電能消耗，實現(xiàn)能耗平衡。能耗平衡的關(guān)鍵在于分布式光伏發(fā)電項目的高效運用，這就需要光伏發(fā)電運維管理的有效支撐，而技術(shù)和管理是促進分布式光伏發(fā)電項目發(fā)展的主要推動力。分布式光伏發(fā)電技術(shù)改進的關(guān)鍵在于光伏技術(shù)發(fā)展和成本控制，與技術(shù)和管理相互對應。在技術(shù)工藝改進方面，專業(yè)光伏產(chǎn)業(yè)自然是優(yōu)化光伏技術(shù)，而客戶方面也需要注重光伏材料成本、光伏組件壽命、電池結(jié)構(gòu)的研究和簡化，通過技術(shù)改進來降低材料成本，提升組件的使用期限，創(chuàng)新光伏發(fā)電的應用模式。例如：使用先進信息技術(shù)智能化構(gòu)建分布式光伏，智能運行管理和維護，并結(jié)合企業(yè)單位的具體情況科學配置分布式光伏發(fā)電的形式，促進光伏與建筑或是其他設備的一體化系統(tǒng)建設，依靠企業(yè)本身特點形成自己的光伏發(fā)電優(yōu)勢。而在運營管理方面，應當將大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)應用于智能光伏發(fā)電系統(tǒng)之中，分析發(fā)電效率低、可靠性低等問題，并為運行和管理提供實時數(shù)據(jù)，建設智能化的光伏電力管控中心，設立基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理標準，加入專家分析系統(tǒng)，使分布式光伏發(fā)電的運營管理更加完善。在系統(tǒng)化、一體化、規(guī)范化的分布式光伏發(fā)電管理環(huán)境中，光伏發(fā)電技術(shù)才能得到有效的支持和創(chuàng)新發(fā)展，比如電力系統(tǒng)管理人員通過手機就可以實現(xiàn)各個場域發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)管，維護人員也可以使用手機來進行遠程訪問，監(jiān)控建筑屋頂?shù)陌l(fā)電設備運行情況。網(wǎng)絡的優(yōu)勢為遠程管理與無人值守提供了幫助，減少資源投入，實現(xiàn)資源的有效配置[3]。

3.3 完善接入方案

分布式光伏發(fā)電項目接入系統(tǒng)的方案根據(jù)實際情況而定，本文以全部自用的方式提出接入系統(tǒng)方案。主要的接入設備包括導線、斷路器和無功補償裝置，需要根據(jù)光伏發(fā)電項目本身的發(fā)電功率以及并網(wǎng)電壓來決定，榆樹井煤礦的分布式光伏系統(tǒng)容量為1500kW，在各廠房屋頂和空閑場地配置并網(wǎng)逆變器和匯流箱，光伏并網(wǎng)電壓以380V匯入?yún)R流箱并輸入電網(wǎng)，所有線路導線都經(jīng)過校核，符合供電容量要求。斷路器選擇小型和萬能式斷路器兩類，具備開斷故障電流的能力，并且有低壓并網(wǎng)專用斷路器，具備失壓跳閘與有壓合閘功能。無功補償裝置根據(jù)不同場域之間的發(fā)電功率因素來確定，場域間發(fā)電功率因素超過0.97則無需配置無功補償裝置。其他設備及組件均符合國家及電力行業(yè)相關(guān)技術(shù)標準，具備認證報告，并且新的光伏發(fā)電項目均建設在廠區(qū)內(nèi)部，只需與原有供電設施和公共電網(wǎng)連接即可，無需另外架設電路。在技術(shù)改進方面，并網(wǎng)電能表采用GPRS三相靜止式多功能電能表，精度高于0.5S級，電流互感器與電壓互感器達到0.2S與0.2級。在接入方案的優(yōu)化中還需考慮分布式光伏發(fā)電產(chǎn)生的諧波、電壓波動等可能對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素，可采用獨立監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)24h不間斷監(jiān)測并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況以及并網(wǎng)逆變器的運行數(shù)據(jù)，確保分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。另外，需要注意的是不同場域光伏發(fā)電項目接入方案存在差異，不同場域的負荷情況各不相同，部分區(qū)域可能存在用電量波動幅度較大的情況，特別是建筑較多的區(qū)域，需要通過對用電信息進行采集和數(shù)據(jù)分析，計算出24h內(nèi)的有功功率，了解區(qū)域最大、最小以及平均負荷。在正常情況下光伏發(fā)電項目先要接入用電線路進行負荷供電，剩余部分用電線路進入主二次母線，不供電至公共電網(wǎng)，才能確保在最大負荷下光伏發(fā)電的電能可以高效運用。

3.4 優(yōu)化調(diào)壓技術(shù)

調(diào)壓技術(shù)是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見的一種技術(shù)工藝，受制于太陽光線的直接影響，光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定性，在電力并網(wǎng)中光伏電力產(chǎn)生較大的電力波動很容易對主電網(wǎng)造成一定干擾，影響到分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。為了解決這種問題，調(diào)壓技術(shù)便是利用電壓調(diào)節(jié)器對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行合理控制，對處在負荷點的電壓進行控制，確保電壓產(chǎn)生的波動能夠處在安全范圍內(nèi)，即便在光伏發(fā)電效率較高，出現(xiàn)線路輕載的問題，電壓調(diào)節(jié)器依然能夠保障并網(wǎng)過程中光伏電網(wǎng)的電壓低于安全電壓，保障并網(wǎng)工作的質(zhì)量與安全。在技術(shù)層面上優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)主要是采用調(diào)度自動化和系統(tǒng)通信技術(shù)兩種方面，自動化技術(shù)采用智能系統(tǒng)憑借傳感器反饋的數(shù)據(jù)自動執(zhí)行調(diào)壓，不過這對系統(tǒng)性能和傳感器的要求較高，投入成本較大，多是在并網(wǎng)末端或是電網(wǎng)關(guān)鍵位置采用。而通過傳感器上傳電壓信息至光伏發(fā)電管理部門，由信息系統(tǒng)分析并反饋給管理人員判斷成為一種更加經(jīng)濟的方式，只需采取相應監(jiān)測與補償措施，管理人員便能使電壓滿足接入電網(wǎng)的要求。而在設計建設方面，可以將調(diào)壓器的接入位置安設在光伏發(fā)電儲能階段，即在開發(fā)階段便能夠合理調(diào)節(jié)與控制光伏發(fā)電的波動，保障分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性。這需要管理人員了解分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際運行狀況，根據(jù)具體要求與設備系統(tǒng)連接，組成合理的布局，做到對電壓的精準控制[5]。

4.結(jié)語

總而言之，分布式光伏發(fā)電在太陽能資源充足的區(qū)域可以得到有效應用，而在技術(shù)運用與項目開發(fā)過程中，為了保證光伏電網(wǎng)的質(zhì)量安全，需要了解分布式光伏發(fā)電效益的主要因素。通過合理改進技術(shù)方案，優(yōu)化孤島保護技術(shù)和調(diào)壓技術(shù)，完善并網(wǎng)接入方案，增強光伏發(fā)電系統(tǒng)運維管理，促進分布式光伏發(fā)電技術(shù)的應用。