黃來，李勁柏，劉武林

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

當(dāng)前，能源、環(huán)境、氣候變化問題日益突出。發(fā)展清潔能源，開發(fā)“綠色”電力，推進(jìn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，成為世界能源發(fā)展的新趨勢(shì)?？梢哉f，清潔能源的發(fā)展將帶來一場(chǎng)“能源革命”，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)秩序產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。展望世界新能源發(fā)展趨勢(shì)，以美國(guó)為代表的世界發(fā)達(dá)國(guó)家及歐日韓等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均在大力推進(jìn)新能源，把發(fā)展新能源放在一個(gè)極其重要的戰(zhàn)略位置上，并將此作為應(yīng)對(duì)當(dāng)前金融危機(jī)、刺激經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、增加就業(yè)機(jī)會(huì)的重要契機(jī);作為推進(jìn)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)繁榮的重要引擎;作為搶占未來經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)、繼續(xù)保持世界經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)地位的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè);作為減少溫室氣體排放、爭(zhēng)奪全球氣候變化斗爭(zhēng)領(lǐng)導(dǎo)權(quán)和控制權(quán)的重要砝碼〔1〕。

風(fēng)電、太陽能等新能源的崛起強(qiáng)烈促使我國(guó)的國(guó)家電網(wǎng)實(shí)施智能化電網(wǎng)的開發(fā)。因?yàn)橐恍╅g歇性可再生能源的大規(guī)模利用將對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)提出挑戰(zhàn)，它們的不穩(wěn)定性將對(duì)傳統(tǒng)的電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊〔2〕。

1 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組件、單相防雷配電箱、光伏并網(wǎng)逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)組成，光伏組件通過“光伏效應(yīng)”把光能轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)直流防雷后到并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為與公用電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，再通過交流防雷和計(jì)量電表饋入公用電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

1.1 光伏電池組件

本系統(tǒng)采用CS48－TD170型單晶硅光伏組件，主要參數(shù)為:輸出峰值功率170 W、峰值電壓35.5 V、峰值電流4.8 A、開路電壓44 V、短路電流5.1 A，尺寸為:1 589 mm×806 mm×35 mm;單晶硅光伏組件轉(zhuǎn)換效率≥16%。

共采用30塊峰值功率170 W的光伏電池組件，總峰值功率達(dá)到5.1 kW。

1.2 單相防雷配電箱

選用合肥陽光生產(chǎn)的6 kW單相防雷配電箱，該配電箱具備交直流防雷功能，從太陽能電池板出來的直流電經(jīng)直流防雷到SG5K－B逆變器逆變成正弦波交流電再經(jīng)過計(jì)量電表和交流防雷直接與電網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

1.3 并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把太陽能電池板轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。逆變器自帶的顯示單元可顯示太陽能電池方陣電壓、電流，逆變器輸出電壓、電流、功率等各項(xiàng)電氣參數(shù)。同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)電氣通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

選用SG5K－B并網(wǎng)逆變器，它通過時(shí)刻采集電網(wǎng)側(cè)的相位和頻率同步反饋給并網(wǎng)逆變器，并通過其內(nèi)部的功率調(diào)節(jié)器將光伏組件發(fā)出的直流電能變換成與電網(wǎng)側(cè)同相位、同頻率的正弦波交流電，以220 V電壓實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)并網(wǎng)逆變器也會(huì)同時(shí)切斷并網(wǎng)輸出。SG5K－B并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SG5K－B并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)參數(shù)

1.4 太陽能電池組件分布

30塊170 W光伏組件，按每組15塊組件串聯(lián)，組成2個(gè)光伏組件陣列。SG5K－B并網(wǎng)逆變器最佳直流工作點(diǎn)為530 V，CS48－TD170參數(shù)為開路電壓為44 V，最佳工作電壓為35.5 V，短路電流為5.10 A，最佳工作電流為4.8 A，峰值功率為170 W。15塊串聯(lián)最佳工作電壓為532.5 V，正好在最佳工作點(diǎn)范圍。

2 風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制器、卸荷電阻箱、并網(wǎng)逆變電源及配電系統(tǒng)組成。風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電，通過控制器整流為直流電，再經(jīng)并網(wǎng)逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，饋送入電網(wǎng)。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用某設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的HY2－AD4型。系統(tǒng)主要由離心變槳風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)體(內(nèi)裝輸電滑環(huán)、機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu))、塔桿、制動(dòng)系統(tǒng)、電纜、風(fēng)機(jī)控制器等組成。風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和特性功率曲線分別見表2和圖1。

表2 HY2－AD4型風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 功率曲線

2.2 其他系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器采用某公司生產(chǎn)的WG3K并網(wǎng)逆變器，滿足2 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求。卸荷整流箱采用該公司生產(chǎn)的WEL4K型卸荷整流箱。其它部件如單相防雷配電箱、監(jiān)控系統(tǒng)、工控機(jī)、多機(jī)監(jiān)控軟件、環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、顯示器與光伏發(fā)電裝置共用。

3 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研制

3.1 屋頂太陽光陰影跟蹤

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，局部陰影現(xiàn)象常會(huì)發(fā)生。由于局部陰影的存在，太陽電池板中某些電池的電流、電壓會(huì)發(fā)生變化，其結(jié)果是使電池板局部電流與電壓之乘積增大，從而在這些電池片上產(chǎn)生局部溫升。這將引起太陽電池組件中的某些電池片發(fā)熱，產(chǎn)生所謂“熱斑”現(xiàn)象。若熱斑的溫度超過一定極限將會(huì)使電池板上的焊點(diǎn)熔化并毀壞柵線，從而導(dǎo)致整個(gè)組件損壞。

在搭建太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之前，對(duì)樓頂?shù)奶栮幱斑M(jìn)行了跟蹤，確定了陰影范圍。時(shí)間安排:2009年8月12日—2009年8月19日連續(xù)1周每天早晨07∶15—09∶15，下午16∶00—18∶00間隔0.5 h測(cè)量1次樓頂陰影區(qū)域。

經(jīng)過連續(xù)1周的對(duì)樓頂陰影區(qū)域的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)每天同一時(shí)刻陰影區(qū)域變化不大，綜合1周的測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出樓頂?shù)年幱皡^(qū)域示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出樓頂?shù)年幱皡^(qū)域示意圖

圖2中:左、右第1根線分別表示09∶15和16∶00的陰影邊界;左、右第2根線分別表示08∶45和16∶30的陰影邊界;左、右第3根線分別表示08∶15和17∶00的陰影邊界;左、右第4根線分別表示07∶45和17∶30的陰影邊界;左、右第5根線分別表示07∶15和18∶00的陰影邊界。

在8月份之后，早晨07∶45以前和晚上17∶00以后光伏發(fā)電裝置會(huì)處于陰影區(qū)域，有可能產(chǎn)生“熱斑”現(xiàn)象，會(huì)縮短光伏電池組件的使用壽命，但是由于早、晚產(chǎn)生陰影時(shí)太陽光強(qiáng)不是很大，并且陰影移動(dòng)速度很快 (每分鐘至少移動(dòng)幾厘米)，所以“熱斑”現(xiàn)象的影響不大。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理

風(fēng)光互補(bǔ)新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過單相防雷配電箱和并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率和相位的交流電并入配電網(wǎng);風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過卸荷控制器轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率和相位的交流電并入配電網(wǎng)。太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能通過電表進(jìn)行記錄。同時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器和風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器通過信號(hào)線傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

4 運(yùn)行和應(yīng)用情況

圖4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

圖5 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

圖4和5分別為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖。其中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)于2009年11月5日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)于2009年11月17日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。該風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的成功并網(wǎng)發(fā)電標(biāo)志著湖南省首座風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正式落成。依據(jù)湖南省太陽能和風(fēng)力資源分布情況，預(yù)計(jì)該風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá)10 000 kWh左右，節(jié)約電費(fèi)6 000元左右，CO2減排量約為6 000 kg。

5 結(jié)論

文中通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)和研究，搭建了風(fēng)光互補(bǔ)新能并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)，并成功實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。在此試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，筆者將進(jìn)一步開展如下研究:

(1)間歇、隨機(jī)式新能源對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的研究。

(2)間歇、隨機(jī)式新能源接入電網(wǎng)時(shí)電能質(zhì)量各參數(shù)的測(cè)試研究。

(3)太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器參數(shù)測(cè)試研究。

(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于間歇、隨機(jī)式新能源適應(yīng)性研究。

(5)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷研究。

〔1〕張國(guó)寶.重視新能源發(fā)展〔J〕.時(shí)代汽車，2009，(4):43．

〔2〕許珊珊，聶繼飛.新能源分布式發(fā)電的應(yīng)用研究現(xiàn)狀〔J〕.大眾用電，2009，(4):3-5．