太陽能光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用解析

宋山茂

摘要：在全面國家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)達(dá)成的背景下，全面推進(jìn)新型清潔能源廣泛應(yīng)用，成為完成綠色低碳轉(zhuǎn)型的新方向，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用比例也因此大幅提升。但是由于并網(wǎng)技術(shù)未能得到全面提高，以至出現(xiàn)了電壓波動、諧波干擾、孤島效應(yīng)等影響光伏發(fā)電并網(wǎng)效果的問題。文章結(jié)合當(dāng)前光伏發(fā)電項目建設(shè)案例和發(fā)展趨勢，對光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)類型進(jìn)行分析，同時從儲能系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、主設(shè)備選型、升壓系統(tǒng)、保護(hù)措施與防雷接地等方面探討了并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方案，旨在提高光伏電池組效率，改善逆變器的轉(zhuǎn)換效率，增強入網(wǎng)傳輸效率，提高光伏并網(wǎng)的應(yīng)用可靠性與安全性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電??儲能方案??孤島效應(yīng)??并網(wǎng)技術(shù)??設(shè)備選型

中圖分類號：TM615????文獻(xiàn)標(biāo)注碼：A

Analysis?of?the?Application?of?Solar?Photovoltaic?Power?Generation?and?Grid-Connected?Technology

SONG??Shanmao

（Qinghai?Huanghe?New?Energy?Engineering?Construction?Branch，?Xining，?Qinghai?Province，?810000?China）

Abstract：?Under?the?underground?of?the?achievement?of?the?goal?of?the?comprehensive?national?carbon?dioxide?peaking?and?carbon?neutrality，?comprehensively?promoting?the?wide?application?of?new?clean?energy?has?become?a?new?direction?to?complete?the?green?and?low-carbon?transformation，?and?the?application?proportion?of?solar?photovoltaic?power?generation?systems?has?also?been?greatly?increased.?However，?because?the?grid-connected?technology?has?not?been?comprehensively?improved，?there?are?some?problems?affecting?the?grid-connected?effect?of?photovoltaic?power?generation，?such?as?the?voltage?fluctuation，?harmonic?interference?and?islanding?effect.?Combined?with?the?current?construction?cases?and?development?trends?of?photovoltaic?power?generation?projects，?this?paper?analyzes?the?types?of?grid-connected?technologies?of?photovoltaic?power?generation，?and?discusses?the?application?scheme?of?grid-connected?technology?from?the?aspects?of?structure?of?energy?storage?systems，?main?equipment?selection，?boost?systems，?protection?measures?and?lightning?protection?grounding，?aiming?to?improve?the?efficiency?of?photovoltaic?cell?packs，?improve?the?conversion?efficiency?of?inverters，?enhance?the?transmission?efficiency?in?the?network，?and?improve?the?reliability?and?security?of?photovoltaic?grid-connected?applications.

Key?Words：?Photovoltaic?power?generation;?Energy?storage?scheme;?Island?effect;?Grid-connected?technology;?Equipment?selection

光伏發(fā)電為終端用戶提供了綠色節(jié)能的用電解決方案，同時剩余電量也可以合并電網(wǎng)提供能源補充，光伏發(fā)電并網(wǎng)及時逐漸成為當(dāng)前清潔能源的重點研究方向[1]。然而光伏并網(wǎng)的應(yīng)用層面上，還需解決壓波動、諧波干擾、孤島效應(yīng)等關(guān)鍵問題，因而研究太陽能光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方案具有重要意義。

1?太陽能光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)分類

1.1?逆流型

逆流型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是市場上較早的清潔能源解決方案。光伏電池在提供電能的同時也可能存有剩余，通過逆變器和并網(wǎng)保護(hù)裝置來調(diào)節(jié)功率，可提高剩余存儲電能的利用率，為其他負(fù)載所用，作為電力系統(tǒng)的電能補充。當(dāng)太陽能電池難以滿足負(fù)載用電量時，則從電力系統(tǒng)中獲取電能供給，適用于工業(yè)及家庭用電等多種場景，是較為普遍的并網(wǎng)方案之一。

逆流型并網(wǎng)技術(shù)可以將電能直接輸入電網(wǎng)，相當(dāng)于節(jié)約了電能中轉(zhuǎn)的存儲設(shè)備，那么也將減少蓄電池再釋放過程的消耗，故而投建成本相對較低，且能量消耗較小，間接降低了系統(tǒng)的運維和投資成本。這種不帶蓄電池的逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更加適用于住宅家庭用戶，但是對于用電量較大的商業(yè)體或工業(yè)產(chǎn)區(qū)并不實用。以中來縣分布式光伏發(fā)電項目為例，其開發(fā)總量為300?MW，每年可提供3.88億kW·h清潔電力，同比減排968萬tC02，節(jié)能減排效益顯著，但是也僅用于分布式發(fā)電的普通用戶。

1.2?混合型

混合型并網(wǎng)系統(tǒng)是在光伏發(fā)電基礎(chǔ)上引入其他電能，如燃料電池或風(fēng)力發(fā)電等與電力系統(tǒng)并網(wǎng)，其中太陽能光伏發(fā)電利用風(fēng)能進(jìn)行補充是較為常見的共儲能方案之一，以風(fēng)能作為持續(xù)發(fā)電的主要供電設(shè)備時，光伏發(fā)電的共享能源則可以作為補充能源為供電設(shè)備提供協(xié)助電能的補充作業(yè)[2]。由于風(fēng)能發(fā)電受到氣候環(huán)境變化的影響更為嚴(yán)重，所以光伏發(fā)電的儲能方案具有更加穩(wěn)定的配電補充作業(yè)優(yōu)勢，可以為緩解電氣設(shè)備棄風(fēng)狀態(tài)下的能源供給增加電能消納，達(dá)到平滑風(fēng)電輸出的積極效果。

以安徽風(fēng)儲交流耦合“平滑與消納”共享發(fā)電應(yīng)用場景為例，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采集能源后傳輸?shù)健帮L(fēng)光互補”控制器中，光伏矩陣發(fā)電機(jī)組同時將采集能源匯總后傳入儲能設(shè)備，再通過電網(wǎng)逆變器支持并網(wǎng)供電需求，以中央調(diào)控的核心系統(tǒng)作為分配組織單位，在風(fēng)能不足供給不足的情況下補充光伏能源供給。當(dāng)超出“共享”電池最大承受范圍的能源供給時，再次啟用風(fēng)能發(fā)電持續(xù)供電。安徽風(fēng)儲交流耦合“平滑與消納”共享發(fā)電項目中，配置了20?MW/20?MW·h的儲能設(shè)備，陽光電源為該項目提供整套儲能系統(tǒng)解決方案，支持35?kV交流側(cè)耦合儲能的共享電能需求，可以在極大程度上緩解棄風(fēng)狀態(tài)下的電能補充需要，滿足電能供給的消納需求，實現(xiàn)平滑風(fēng)電輸出的積極效果，進(jìn)而增強了電網(wǎng)持續(xù)供電的穩(wěn)定性。

1.3?切換型

切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、并網(wǎng)逆變器、切換器等設(shè)備組成。正常運行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)各自獨立運行，當(dāng)光照不足、陰雨天氣、夜間、電池儲能消耗殆盡等情況下，則切換器選擇以電力系統(tǒng)作為負(fù)載供電。那么切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池容量則可以適當(dāng)下調(diào)，初期建設(shè)成本也可以適當(dāng)壓縮。還有一種是自運行模式下的切換型并網(wǎng)系統(tǒng)，適用于災(zāi)害狀態(tài)下調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)的供給負(fù)載。系統(tǒng)自帶并網(wǎng)保護(hù)裝置，可以對供電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)某地區(qū)遇到自然災(zāi)害而無法適用常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)供電時，帶有蓄電池的切換型并網(wǎng)設(shè)備可以為臨時通信、道路指示、加油站等設(shè)施提供電源。

在橫濱商用光儲項目中，選擇了73.7?kW·h電池容量、30?kW/73.7?kW·h的儲能設(shè)備、50?kW的光伏并網(wǎng)逆變器等設(shè)備，可滿足居民社區(qū)、大型商業(yè)區(qū)，以及大規(guī)模工業(yè)區(qū)的并/離網(wǎng)儲能，適合在事故災(zāi)害中提供緊急供電。切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)同時適用于微電網(wǎng)系統(tǒng)和光伏自發(fā)自用等應(yīng)用場景，是提高光伏能源利用率的主要并網(wǎng)發(fā)電措施之一。

2?光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用問題

2.1?電壓波動

光伏發(fā)電在自然環(huán)境受到影響時，因光照條件不足而造成輸出功率降低的問題較為普遍。《電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定》中明確規(guī)定，電力系統(tǒng)輸出電壓應(yīng)在±7%的可接受范圍內(nèi)。光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)中，對于電壓穩(wěn)定性要求也是對輸電性能的重大考驗。分布式光伏發(fā)電被廣泛應(yīng)用之后，電力主網(wǎng)的供電質(zhì)量往往會超過輸出電壓上限，從而產(chǎn)生巨大的電壓波動，供電質(zhì)量很難得到真正保障。電壓波動會直接造成傳輸功率銳減，符合節(jié)點上的電壓容易出現(xiàn)激增現(xiàn)象，而電源接入位置則需要利用變壓器調(diào)節(jié)，控制晝夜電壓盡量保持平衡狀態(tài)。

2.2?諧波干擾

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆流型、切換型、混合型3種技術(shù)都需要使用逆變器來完成并網(wǎng)供電。但是在光伏電能不穩(wěn)定的情況下主網(wǎng)被迫頻繁切換輸出方式，因而開關(guān)頻率周圍產(chǎn)生了諧波分量，也因此對電網(wǎng)造成諧波污染[3]。若并網(wǎng)環(huán)境下的諧波過大，則會造成電器損傷，而光伏并網(wǎng)的逆變器相當(dāng)于造成電流諧波的浮動因素。電網(wǎng)總諧波要求低于15%，但是大量逆變器頻繁使用造成了諧波指數(shù)級增長，同時諧波敏感負(fù)荷增多，造成電網(wǎng)波形中諧波占比過高，電力設(shè)備的平均使用壽命嚴(yán)重縮短。

2.3?孤島效應(yīng)

伴隨分布式光伏設(shè)備應(yīng)用比例大幅增長，大批光伏并網(wǎng)后公共電網(wǎng)接收光伏電能的比例隨之增加，與此同時也增加了孤島效應(yīng)的發(fā)生率。孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因故障事故或停電維修等多種原因跳脫時，用戶端光伏并網(wǎng)發(fā)電的末端系統(tǒng)未能發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的停電狀態(tài)，也因此未能檢測出自身切離市電，電網(wǎng)系統(tǒng)也未能及時發(fā)現(xiàn)離網(wǎng)狀態(tài)下的少數(shù)自給供電孤島，造成了獨立負(fù)載運行的光伏設(shè)備孤立。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)很難完全規(guī)避孤島效應(yīng)，而且對末端用戶電氣設(shè)備損耗具有較大危害性，甚至可能會破壞整個配電系統(tǒng)，更有甚者將威脅到輸電線路維修工作人員的生命安全。

3?太陽能光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方案

3.1?儲能系統(tǒng)優(yōu)化方案

儲能系統(tǒng)是太陽能光伏系統(tǒng)最為重要的子系統(tǒng)之一，目前應(yīng)用最為廣泛的是電化學(xué)儲能技術(shù)，運行壽命可以達(dá)到15年左右，額定功率可以保持在0～0.8萬kW，放電時間可以維持在10?h以內(nèi)，單瓦投資在11元/w以下，轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到65%～85%，建設(shè)周期僅為0.25～1年。綜合使用規(guī)模、便利程度、研發(fā)及發(fā)展?jié)摿Φ汝P(guān)鍵性指標(biāo)來看，電化學(xué)儲能優(yōu)勢更為突出?；瘜W(xué)儲能中鋰離子電池儲能原理見圖1所示。

綜合電池安全性、循環(huán)次數(shù)、充放電倍率、度電成本等關(guān)鍵性指標(biāo)，鋰離子電池更適用于儲能市場應(yīng)用。以磷酸鐵鋰電池為例，充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到6?000次以上，電芯成本不超過0.7W·h/元，充放電深度（DOD）能夠達(dá)到95%以上，充/放電效率接近95%，充放電倍率≤2C，能量密度較高且安全性較好，全系統(tǒng)成本≤1.3W·h/元，度電成本僅為0.5元/kW·h。截至2020年底，我國投運光伏儲能項目總規(guī)模達(dá)到了35.6GW，其中電化學(xué)儲能達(dá)到了3?269.2MW，鋰離子電池的累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了2?902.4MW，總體占比達(dá)到了88%，成為當(dāng)前最為主要的光伏儲能解決方案。太陽能光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)持續(xù)開發(fā)鋰離子電池技術(shù)，從而提高儲能設(shè)備性能，進(jìn)一步增強光伏電池組效率。

3.2?主設(shè)備選型

光伏電站主設(shè)備基本組成結(jié)構(gòu)是光伏列陣、控制器、蓄電池，以及逆變器，見圖2所示。其中，并網(wǎng)逆變器是最為核心的設(shè)備之一。在并網(wǎng)逆變器主設(shè)備選型方面，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前區(qū)域的用電量和太陽能光伏發(fā)電設(shè)備的投產(chǎn)量來確定[4]。比如，在浙江金晟光伏電站并網(wǎng)發(fā)電項目中，總裝機(jī)容量達(dá)到了2.1?MW，采用自發(fā)自用結(jié)合余電上網(wǎng)的應(yīng)用模式。此項光伏發(fā)電的并網(wǎng)項目中，主設(shè)備選用了固德威GW120K-HT和GW100K-HT大功率逆變器設(shè)備。主設(shè)備120?kW低壓并網(wǎng)逆變器性能優(yōu)越，380?V低電壓并網(wǎng)模式對于配備變壓器的性能要求不高，其他電氣設(shè)備的投建費用也相對較低。380V低電壓并網(wǎng)單瓦費用可以節(jié)約0.2元/W左右，可以在很大程度上節(jié)約光伏電站的初期投資成本。

與此同時，主設(shè)備選型還需依據(jù)光伏電站匹配的供電需求，設(shè)計主設(shè)備型號的組合方案。比如：美國光儲直流側(cè)耦合項目中，主設(shè)備組合方案為“5MW儲能變流器+1.5MW直流變換器+3.836MWh鋰電池”，主設(shè)備組合方案適應(yīng)更高的容配比。此項目為中國1?500V光儲直流側(cè)耦合方案首次在美國成功投運，高容配比方案DC/AC=1.8，主設(shè)備組合以“PCS+DC/DC+鋰電池系統(tǒng)”的一體化方案，結(jié)合先進(jìn)的光儲直流耦合控制算法和直流側(cè)能量，提高了太陽能光伏系統(tǒng)的總體管理效率，解決了光伏系統(tǒng)超配和限發(fā)等諸多難點，對提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率同樣具有重要支持作用，實現(xiàn)了平滑并網(wǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，同時最大限度地改善了光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3?升壓系統(tǒng)

由于電壓波動始終存在，低壓狀態(tài)下對光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重干擾。所以，多數(shù)情況下光伏電站選擇運用升壓系統(tǒng)來維持電站供電的穩(wěn)定性[5]。比如：山東半島光伏電站并網(wǎng)發(fā)電項目中，100?MW/200?MW·h儲能項目全部沖擊送電。光伏電站通過PCS儲能變流器系統(tǒng)對光伏電能進(jìn)行控制，同時附加了40套1?500?V、2.5?MW儲能變流升壓機(jī)。升壓機(jī)可以對光伏矩陣電能完成電壓調(diào)節(jié)，每個單元由獨立的5?MW·h電池集成，同時依靠2.5?MW升壓機(jī)協(xié)調(diào)電壓穩(wěn)定性，光伏電站安全可靠性大幅提升，對提高供電降本增效起到了重要的支持作用。

2.5?MW儲能變流升壓一體機(jī)，主要是以1?500?V集成系統(tǒng)設(shè)計方案來穩(wěn)定電壓，占地面積相對較小并不會影響光伏系統(tǒng)的建設(shè)方案調(diào)整，也更加便于后期調(diào)試和維護(hù)。LCOS成本相對更低，故而持續(xù)供電的成本效益有所提高。同時PCS采用兩組電池接口設(shè)計，可獨立進(jìn)行充放電管理，兼具智能強制風(fēng)冷散熱設(shè)計，環(huán)境溫度低于50℃的情況下仍然可以額定滿載運行，更加適合在沿海地區(qū)極為復(fù)雜的自然環(huán)境下運行，確保光伏電站運行可靠穩(wěn)定和增值創(chuàng)收。再如，珠海南方電網(wǎng)儲能項目具有電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻功能，總?cè)萘窟_(dá)到了5?MW/15.889?MW·h，交流側(cè)使用了兩套邁格瑞能20尺的MEGA2500升壓一體機(jī)，可以大幅提升光伏電站的供電穩(wěn)定性，支持有功及無功輸出等多種供電方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對有功、無功功率的獨立解耦控制，極大地改善了入網(wǎng)傳輸效率。

3.4?保護(hù)措施與防雷接地

升壓設(shè)備在高溫環(huán)境下往往容易出現(xiàn)跳閘保護(hù)情況，電壓過載狀態(tài)下自動保護(hù)裝置的重要性更為突出。光伏保護(hù)裝置主要是用來防止電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)，光伏并網(wǎng)脫離主電網(wǎng)時，自動保護(hù)裝置可以及時檢測末端用戶配電狀態(tài)，檢測孤島現(xiàn)象的末端用戶數(shù)量。這種裝置適用于10?kV及低壓400?V光伏電站的小電源并網(wǎng)供電系統(tǒng)，若光伏電站遭遇孤島現(xiàn)象，則可以及時切除與并網(wǎng)點連接，使光伏電站與電網(wǎng)側(cè)迅速脫離，那么也就不會造成嚴(yán)重的用電風(fēng)險或維修風(fēng)險。保護(hù)措施對逆功率、過/低電壓、頻率突變、高/低頻率、外部聯(lián)跳等檢測速度更快，可以對光伏電站的并網(wǎng)安全性起到重要保護(hù)作用[6]。除此之外，F(xiàn)A饋線自動化技術(shù)也是一種保護(hù)光伏電站良好運行的有效措施，全自愈FA功能對并網(wǎng)點線路故障信息可自動研判，故障區(qū)域的鎖定速度更快。系統(tǒng)自動遠(yuǎn)程遙控并網(wǎng)點開關(guān)，實現(xiàn)了故障區(qū)域光伏電站的快速隔離，同時可以及時恢復(fù)非故障區(qū)域的快速供電。

光伏系統(tǒng)作為帶電設(shè)備在極端雷雨天氣環(huán)境下，極易受到外部環(huán)境干擾，裸露在外太陽能板遭遇雷擊，整個光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)各處組件均會遭受不同程度的重創(chuàng)。故而，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的避雷接地設(shè)計尤為重要，應(yīng)在升壓電站或光伏電池組件等重要位置安裝避雷帶，以環(huán)形避雷帶的防雷效果最為突出，可以獨立設(shè)置為引下線，從而保護(hù)重要設(shè)備組件在雷雨惡劣天氣下保護(hù)終端用戶使用安全。而針對變壓器等電氣設(shè)備所設(shè)計的防雷裝置，應(yīng)當(dāng)采取外殼接地的架構(gòu)方案，這對提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安全性能具有重要支持作用。

4?結(jié)語

目前應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)主要有逆流型、混合型、切換型3種類型。然而這些并網(wǎng)技術(shù)并未真正解決電壓波動、諧波干擾、孤島效應(yīng)等關(guān)鍵問題。進(jìn)一步構(gòu)建太陽能光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方案，還需重視儲能系統(tǒng)優(yōu)化方案，以電化學(xué)儲能技術(shù)為先導(dǎo)，進(jìn)一步從使用規(guī)模、便利程度、研發(fā)及發(fā)展?jié)摿Φ汝P(guān)鍵性指標(biāo)方面進(jìn)行優(yōu)化，同時提高光伏電池的安全性、循環(huán)次數(shù)、充放電倍率、度電成本，為光伏系統(tǒng)并網(wǎng)優(yōu)化儲能方案。與此同時應(yīng)注重光伏系統(tǒng)的主設(shè)備選型，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前區(qū)域的用電量和太陽能光伏發(fā)電設(shè)備的投產(chǎn)量來確定選型方向，同時依據(jù)光伏電站匹配的供電需求確定主設(shè)備所配備的各項組件，達(dá)到提高供電效率和能源轉(zhuǎn)化率的最佳效果，同時最大限度地提高光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，應(yīng)合理運用升壓系統(tǒng)來維持電站供電的穩(wěn)定性，通過相應(yīng)的保護(hù)措施與防雷接地設(shè)計提高安全性能，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后能夠全面提高供電質(zhì)量，為清潔能源的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造良好市場環(huán)境和技術(shù)支持，全面提升光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后的應(yīng)用可靠性與安全性。

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