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      分布式光伏發(fā)電站的并網控制技術分析

      2024-05-22 07:25:02遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司馬兆飛
      電力設備管理 2024年6期
      關鍵詞:閥室電池板屋面

      遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司 馬兆飛

      盤山配水站位于遼寧省的港口城市錦州,境內山脈連綿起伏,地勢特征是西北高東南低,屬暖溫帶半濕潤氣候。配水站占地2413.92m2,其中辦公樓、附屬用房、檢修閥室-流量計室-調流閥室-檢修閥室的占地面積分別為734m2、294m2、1385.92m2。配水站主要用電設備為辦公樓的監(jiān)控中心、辦公用電、空調用電、充電樁、起重機、調流閥、電動蝶閥、流量計等電氣設備。經計算,配水站總體計算負荷為440kW,選用1臺500kVA 變壓器作為工程主用電源,另設一臺250kW 柴油發(fā)電機保障配水站基本用電需求。

      盤錦地區(qū)太陽能資源非常豐富,絕大多數(shù)地方年均峰值日照時數(shù)都在1400h 以上,本工程計劃利用現(xiàn)有建筑屋面空間建設屋面光伏系統(tǒng),根據(jù)可利用屋面可用于光伏發(fā)電面積進行統(tǒng)計,總裝機容量486kW,年發(fā)電容量約為592.87MWh。

      1 分析分布式光伏發(fā)電站的并網控制技術

      為達到節(jié)能減排目標,降低工程日常運行成本,本工程初步擬定利用當?shù)氐奶柲苜Y源,采用自發(fā)自用余電上網的形式實現(xiàn)滿足日常用電需要。

      1.1 接入系統(tǒng)方案

      現(xiàn)階段,常見的電網運營模式為余量上網、統(tǒng)購統(tǒng)銷、自發(fā)自用,本工程采用自發(fā)自用余量上網運營模式。所以,要將其與分布式電源裝機容量數(shù)據(jù)相關聯(lián)后確定分布式電源,進而滿足電源輸送階段的功率交換需求。根據(jù)系統(tǒng)電壓、負荷分布、分期投產容量確定接入系統(tǒng)的電壓和并網點,8kW 以下的用戶報裝容量可接入220V 電網系統(tǒng),8kW 以上、400kW 以下的用戶報裝容量可接入380V 電網系統(tǒng)。本工程單個并網點的裝機容量20~400kW,故接入380V 電網系統(tǒng)。結合新能源AVC 主站,對新能源并網側電壓、一次設備狀態(tài)進行實時監(jiān)測,尤其是母線電壓控制模式,依托于循環(huán)掃描及時發(fā)現(xiàn)指令偏差,得到最優(yōu)調節(jié)策略[1]。

      1.2 接線設計

      光伏并網系統(tǒng)有多種并網電路結構可供選擇,具體要根據(jù)安裝地點的實際狀況及設計指標的要求進行選擇。本工程適用于接入用戶電網的光伏電站,接入方案為XGF380-Z-2,具體接入方案以當?shù)仉娏Σ块T批準的接入方案為準。另外,本工程采用并網型逆變器,單臺逆變器容量在125kW 以下,滿足當?shù)仉娋W接入條件。其中電氣主接線采用單母線形式,輻射狀結構。

      1.3 光伏電池板選型及布置

      1.3.1 電池板選型

      光伏電池板作為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,其參數(shù)指標直接關系到最終電力供應水平,同時,光伏電池板也是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中造價占比較大的支出,在本案例工程占比約50%。故本工程優(yōu)選主流產品中符合屋面敷設條件的單晶硅單面組件。確定光伏電池板類型后,根據(jù)工程裝機容量優(yōu)選單位面積功率較大的電池板,同時考慮后期維護開支、系統(tǒng)接線復雜程度、工程整體工程量等方面,確定選用JAM72S30-540/MR,其不僅衰減效應較慢、轉換效率較高,還可簡化組件間的接線操作,通過降低故障概率提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性[2]。

      本工程光伏電池板參數(shù)如下:太陽電池組件重量28.1kg、太陽電池組件效率20.9%、峰值功率540Wp、太陽電池組件尺寸結構為2278×1134×35mm、開路電壓溫度系數(shù)-0.275%/℃、短路電流溫度系數(shù)0.045%/℃、開路電壓(Voc)49.6V、短路電流(Isc)13.86A、工作電壓(Vmppt)41.64V、工作電流(Imppt)12.97A、峰值功率溫度系數(shù)-0.350%/℃、首年衰減2%、逐年功率衰減0.55%。

      1.3.2 電池板布置

      為最大限度利用外觀整體布局與空間,本工程采用屋面光伏布置形式,布置時為提高對太陽能的采集與利用,需要計算最佳傾角。由于本工程采用固定軸形式對光伏電池板進行安裝,故電池板最佳傾角與系統(tǒng)全年最大發(fā)電量對應的傾斜角相同。根據(jù)當?shù)夭煌路?、不同傾斜角度下的平均太陽輻射量(由Retscreen 軟件計算即可),以及整體安裝難度、后續(xù)維護需求等方面,本工程根據(jù)不同建筑屋面的位置確定相應的光伏電池板傾斜角。

      其中,對于附屬用房屋面和辦公樓屋面,前者屋頂面積在294m2左右,后者屋頂面積在734m2左右,敷設方式為金屬支架,共敷設375塊光伏電池板,總占地面積為969m2,光伏板傾角采用10°。對于檢修閥室-調流閥室的光伏電磁板布置,本工程利用1#檢修閥室、流量計室、調流閥室和2#檢修閥室屋頂進行敷設,通過橫向鋼梁(或混凝土梁)將4座建筑物屋頂連通,形成長、寬分別為56.8m、24.4m 的光伏發(fā)電區(qū)域,光伏板采用屋面光伏型式,共敷設480塊光伏電池板,總占地面積1227m2,光伏電池板傾角采用5°。

      1.4 并網逆變器及其并網結構

      1.4.1 逆變器選型

      作為分布式光伏發(fā)電站實現(xiàn)太陽能發(fā)電、用電、輸電的關鍵,逆變器需根據(jù)工程實況合理選擇,本工程可利用地點(建筑屋面)較為分散,存在較多小面積光伏分布情況,雖然總容量相對較大,但仍需接入低壓配電系統(tǒng),故選用壁掛式安裝的并網型逆變器[3]。設備技術參數(shù)如表1所示。

      表1 并網逆變器技術參數(shù)

      1.4.2 并網結構及并聯(lián)方案

      現(xiàn)階段并網控制規(guī)模呈明顯上升趨勢,可供選擇的并網結構也越來越多,如集中式、交流模塊式、多支路式等。其中,集中式是并聯(lián)連接多個光伏組件,搭配使用旁路、阻塞二極管得到電路拓撲,整體結構簡單,逆變效率較高,但由于二次管的設計使用,電能損耗也會增大,甚至引發(fā)功率失配,故不考慮使用;交流模塊結構主要是聯(lián)結多個獨立發(fā)電單元,每個單元均設置相應的并網逆變器與光伏組件,雖然該結構符合本工程較為分散的光伏布置,也為后續(xù)容量擴充、維護提供便利,但日常統(tǒng)一協(xié)調控制難度較大,且獨立配置的逆變器容量較小、成本較高、發(fā)電量有限,故不考試使用。

      多支路結構是先串聯(lián)(同組光伏組件)、后并聯(lián),然后借助直流-直流變換器升壓、直流-交流逆變器轉換,從而得到交流電。但通過綜合考慮本工程建設成本、條件,選用多支路結構不僅可將多種光伏組件匯集至母線,實現(xiàn)逆變控制的統(tǒng)一實施,還能夠提高控制器獨立水平,獲得最大功率跟蹤控制的同時減少干擾、降低損耗,且后續(xù)維護改造也較為方便。所選并網結構中電池組件串聯(lián)數(shù)量計算公式為:Udcmin/Ump≤N≤Udcamx/Uoc,式中:Udcmin為逆變器輸入側最小直流電壓(V);Udcamx為逆變器輸入側最大直流電壓(V);Ump為電池組件最佳工作電壓(V);Uoc為電池組件開路電壓(V)。

      根據(jù)本工程逆變器技術參數(shù),外加所選的單晶硅單面電池組件參數(shù),將其帶入以上公式可得到電池板串聯(lián)數(shù)。但所得數(shù)據(jù)并不能直接使用,還要考慮金屬支架的承載能力、后期維護空間等。對于本工程所采用的固定式安裝結構而言,每一串聯(lián)支路單晶硅電池組件的額定功率計算公式為:P∑T=Ppv×NT,式中:NT為組件串聯(lián)數(shù)量;Pp為組件額定功率(kW)。

      本工程選用金屬支架固定安裝電池方陣,考慮到太陽日照陰影影響,還需計算陣列間的最小距離,計算公式為:D=Lcosβ+Lsinβ(0.70tanψ+0.4338)/(0.707-0.4338tanΨ),式中:L為光伏電池板斜面長度(m);β為光伏電池板方陣傾角(°);Ψ為工程所在地區(qū)緯度(°)。此外,實施新能源AVC 接入聯(lián)調,通過遙信與遙測信息上送驗證、曲線下發(fā)驗證、無功設備優(yōu)先級驗證等,實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制,提高并網電壓穩(wěn)定性[4]。

      1.5 并網控制系統(tǒng)

      本工程所設計應用的基本電路結構為,通過并網逆變器將光伏電池產生的直流電轉換為交流電,然后依次經過變換器、變壓器等設備實現(xiàn)交流配電網的接入。為提高太陽能利用效率,同時實現(xiàn)光伏的最大功率跟蹤控制,并網控制結構以逆變控制算法為核心,搭配使用滑??刂扑惴▋?yōu)化調節(jié),實現(xiàn)光伏并網目標。

      1.6 自動化控制系統(tǒng)

      為實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)故障、定位問題、識別風險,還需要搭建計算機監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸,依托于現(xiàn)有通信總線串聯(lián)多個智能設備,以此滿足設備通信需求。系統(tǒng)主要組成部分為光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控平臺、主機加固軟件、服務器、工作站、交換機、網絡柜、操作臺,依托于信息交流共享準確識別故障設備、精準維修,有助于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)控制、管理功能的提升。需要注意的是,在新能源AVC 并網接入期間,要注重無功備用容量的上下限計算、新能源AVC 閉鎖條件、新能源AVC 通信模式分類、增量循環(huán)編碼,確保響應上具有良好快速性、跟隨性[5]。

      2 技術效益總結

      在電費方面,根據(jù)遼寧省系統(tǒng)用電負荷特性、新能源消納等情況,每日用電分三個時段:低谷時段(11:30-12:30am;22:00pm-05:00am), 高峰時段(07:30-10:30am;16:00-21:00pm),其余為平時時段。電費計算分為高峰電價、平段電價、低估電價,還有每年夏季(7月、8月)、冬季(1月、12月)每日17:00~19:00pm 的尖峰電價執(zhí)行,為更好對比分布式光伏并網系統(tǒng)建設前后的經濟效益,采用平段統(tǒng)一計算。

      根據(jù)《國網遼寧省電力有限公司代理購電工商業(yè)用戶電價表》電網計算,未建設分布式光伏發(fā)電并網系統(tǒng)時,一年電量1537.88MWh,電費為1040116.356元;增加分布式光伏發(fā)電并網系統(tǒng)時,分別通過用戶基礎電價×自用部分電量+國家補貼×自用部分電量(自用)、基礎入網電價×發(fā)電部分電量+脫硫補貼×發(fā)電部分電量(發(fā)電)進行電價計算,一年電量1537.88MWh,電費為627970.5756元。

      需要注意的是,分布式光伏發(fā)電站存在組件衰減,本文采用0.7%進行衰減計算,預計第一年節(jié)省41.21萬元、第二年節(jié)省41.20萬元、第三年節(jié)省41.18萬元...預計第二十五年節(jié)省40.82萬元。將運維費用去除,2022年分布式光伏系統(tǒng)平均運維成本為0.048元/(W·年),本工程初步計算年運維費用為2.3萬元/年,故平均每年可節(jié)省電費約為39萬元,5~6年即可回本,工程效益水平高[6]。

      綜上所述,分布式光伏發(fā)電并網控制可實現(xiàn)資源共享,為當?shù)貛磔^高的發(fā)電效率,滿足用戶日常用電需求,節(jié)約能源的同時保護環(huán)境。圍繞本公司工程分析,并網控制要從工程概況出發(fā),根據(jù)其光伏布置分散度、當?shù)亟浘暥扰c太陽能資源等合理設置并網控制方案。

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