胡華友，朱高麟，吳云來

(浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，杭州 310053)

0 引言

分布式光伏電站屬于間歇性發(fā)電電源，在一天中，其功率輸出的時間段相對固定：當(dāng)光照強(qiáng)度滿足電站最低啟動條件時，電站進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；隨著時間的推移，光照強(qiáng)度逐漸降低，電站進(jìn)入待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，不再向電網(wǎng)提供電量，電站由發(fā)電性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛秒娯?fù)荷用電性質(zhì)。與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電、水輪發(fā)電機(jī)組相比，光伏發(fā)電的輸出功率波動明顯，功率幅值變化的預(yù)測難度高，其發(fā)電特性決定了電氣設(shè)備的工作特性，即電氣設(shè)備的利用率不高，運(yùn)行工況輕載現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，常采用增大直流側(cè)超配比例或配置一定容量的儲能系統(tǒng)等方式來進(jìn)行改善。

針對分布式光伏電站在并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下如何提升整體發(fā)電量已有較多研究，技術(shù)成熟；而針對分布式光伏電站待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的待機(jī)損耗的分析，大多僅停留在理論階段，未形成全面的關(guān)注度，忽略了待機(jī)損耗電量價值、待機(jī)狀態(tài)用電電價與光伏發(fā)電電價的差額。文獻(xiàn)[1-2]對傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)的各類損耗單元進(jìn)行了模型分類及損耗計算，并根據(jù)其在總線損中的構(gòu)成比例提出了相適應(yīng)的降損策略。文獻(xiàn)[3-4]針對分布式電源接入后對電力網(wǎng)絡(luò)潮流的影響進(jìn)行了分析，對整體損耗產(chǎn)生的影響進(jìn)行了計算，并由此推導(dǎo)出最佳分布式電源準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[5]提出了變壓器在諧波作用中的損耗分析及對絕緣壽命的影響。文獻(xiàn)[6]考慮了在電網(wǎng)中通過配置無功補(bǔ)償裝置來降低損耗的分析。文獻(xiàn)[7-8]提出了大規(guī)模的分布式電源接入后對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[9-10]提出了一種在過電壓限制下的最大可接入分布式電源容量。文獻(xiàn)[11]提出了一種含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓越限的解決方案。

并網(wǎng)型分布式光伏電站在不發(fā)電狀態(tài)下，光伏升壓變處于待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，雖然有針對光伏等新能源發(fā)電的政策支持，光伏電站新增升壓變壓器的容量費(fèi)不計入電費(fèi)，但待機(jī)電量損耗是正常存在的。經(jīng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，在大量的已并網(wǎng)高、低壓光伏電站中，低壓光伏電站的待機(jī)年自用電率在1%以內(nèi)，高壓光伏電站因存在大量變壓器空載運(yùn)行的情況，其待機(jī)年自用電率一般在2%以內(nèi)。目前，暫無專門針對分布式光伏電站如何降低待機(jī)損耗的相關(guān)策略。本文通過對已并網(wǎng)分布式光伏電站的待機(jī)損耗進(jìn)行分類，分析了各類損耗的比重，并提出了適宜的降損運(yùn)行策略。

1 待機(jī)電量貿(mào)易結(jié)算

1.1 典型分布式光伏電站的計量點(diǎn)設(shè)置

按照上網(wǎng)模式不同，分布式光伏電站主要分為“全額上網(wǎng)”電站和“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”電站2 大類，且2 類電站接入電網(wǎng)的位置不同。一般分布式光伏電站會設(shè)置2 個計量點(diǎn)，分別為關(guān)口計量表、發(fā)電計量表。關(guān)口計量表為結(jié)算返送至上一級電網(wǎng)的上行電量，發(fā)電計量表分別結(jié)算光伏發(fā)電量補(bǔ)貼的上行電量和待機(jī)運(yùn)行損耗的下行電量。

1.2 待機(jī)計費(fèi)原則

光伏電站待機(jī)運(yùn)行是指維持電站并網(wǎng)最小的損耗功率，待機(jī)運(yùn)行損耗電量可能過發(fā)電計量表的下行電量讀取，電價為實(shí)時的公網(wǎng)電價。

2 分布式光伏電站待機(jī)損耗模型

2.1 負(fù)荷分類

從電網(wǎng)負(fù)荷分類角度來看，分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下為感性負(fù)荷，其主要負(fù)荷元件包括變壓器、逆變器、電纜及暖通照明設(shè)備等。由于電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的負(fù)載電流值很小，變壓器的狀態(tài)接近空載運(yùn)行，因此，根據(jù)變壓器的損耗計算公式，在一定的負(fù)載電流條件下，總有功損耗PL可表示為：

式中，P0為空載損耗；Pk為額定負(fù)載損耗；I為變壓器的運(yùn)行電流；In為變壓器的額定運(yùn)行電流。

待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時，(I2/I2n)的比值接近零，因此，總有功損耗可近似認(rèn)為等于空載損耗。此運(yùn)行狀態(tài)下，分布式光伏電站的主要負(fù)荷的分類如表1 所示。

表1 分布式光伏電站主要負(fù)荷的分類Table 1 Main load classification of distributed PV power station

2.2 負(fù)荷理論計算

以浙江區(qū)域的典型并網(wǎng)型分布式光伏電站為例，通過計算其理論的待機(jī)損耗值和實(shí)際的待機(jī)損耗值的偏差來作為制定降損策略的依據(jù)。該分布式光伏電站的基本情況為：在框架式混凝土屋頂上采用小傾角安裝光伏組件，裝機(jī)容量為1.46 MW，采用1 臺標(biāo)準(zhǔn)的1.26 MWp逆變升壓單元，“手拉手”環(huán)接至原10 kV 供電開關(guān)柜，并網(wǎng)方式采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”。該分布式光伏電站的主要負(fù)荷損耗功率及損耗占比如表2 所示，主要負(fù)荷的損耗功率如圖1 所示。

表2 主要負(fù)荷的損耗功率及損耗占比Table 2 Main load loss power and loss proportion

圖1 主要負(fù)荷的損耗功率Fig.1 Main load loss power

為簡化計算，分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的損耗模型可簡化為一定條件下功率相對恒定的感性負(fù)載，夜間用電功率因數(shù)cosφ取0.8，電站損耗計算的邊界條件選取典型日發(fā)電輸出功率曲線，并網(wǎng)發(fā)電日均運(yùn)行時間t按06:00～18:00 計算，其余時間為待機(jī)運(yùn)行。因此，分布式光伏電站的理論日均待機(jī)損耗電量Wday為：

式中，p為分布式光伏電站的功率；u為分布式光伏電站的電壓；i為分布式光伏電站的待機(jī)電流；φ為功率因數(shù)角。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)可知，Wday為42.72 kWh。

折算至每月，則理論月均待機(jī)損耗電量Wmonth為Wday×30=1281.6 kWh。

2.3 典型分布式光伏電站的待機(jī)電量分析

仍以上文所選典型并網(wǎng)型分布式光伏電站為例，從監(jiān)控后臺調(diào)取該電站2018 年實(shí)際運(yùn)行的總發(fā)電量、自發(fā)自用電量、上網(wǎng)電量、待機(jī)損耗電量等數(shù)據(jù)，具體如表3 所示。該分布式光伏電站的2018 年電量結(jié)算折線圖如圖2 所示。

表3 分布式光伏電站2018 年的全年電量數(shù)據(jù)Table 3 Annual electricity data of distributed PV power station in 2018

圖2 分布式光伏電站2018 年的電量結(jié)算折線圖Fig.2 Electricity settlement break-line diagram of distributed PV power station in 2018

由圖2 可得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)分布式光伏電站的實(shí)際月均待機(jī)損耗電量值曲線可知，其基本與理論月均待機(jī)損耗電量值在同一水平，實(shí)際值符合設(shè)計預(yù)期值。

2)分布式光伏電站的待機(jī)損耗電量與總發(fā)電量大小無關(guān)，是由分布式光伏電站的系統(tǒng)配置決定的。待機(jī)損耗電量全年浮動不大，曲線基本呈水平直線狀，保持穩(wěn)定。

3)分布式光伏電站的待機(jī)損耗率與電站的總發(fā)電量呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)總發(fā)電量越大時，站用電率較小，在總發(fā)電量較高的3～10 月，待機(jī)損耗率在較低范圍內(nèi)波動。

4)降低分布式光伏電站的待機(jī)損耗電量相當(dāng)于從另一個方面提升了電站的整體發(fā)電量，可提高電站的財務(wù)收益率，也是電站高水平設(shè)計和運(yùn)維的反映。同時，對待機(jī)損耗率占比過高的分布式光伏電站來說，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)維管理，與周邊地區(qū)同類型分布式光伏電站進(jìn)行多維對比，分析其損耗源頭，避免發(fā)生類似“夜間竊電”的現(xiàn)象。

3 降低待機(jī)損耗的若干策略

3.1 設(shè)定定時限投切開關(guān)

分布式光伏電站在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，光伏變壓器由并網(wǎng)發(fā)電時的升壓變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)荷的降壓變壓器，主要的負(fù)荷源點(diǎn)為變壓器單元，占電站總損耗的比例為55.06%。因此，降低變壓器的空載損耗，可大幅降低電站的待機(jī)損耗，是實(shí)現(xiàn)光伏電站降損的高效路徑。

降低變壓器待機(jī)運(yùn)行的時間，將變壓器高壓側(cè)的開關(guān)設(shè)置為定時限的自動投切的標(biāo)準(zhǔn)單元，使其實(shí)現(xiàn)在任意一天的固定時間段開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)分布式光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)榇龣C(jī)運(yùn)行狀態(tài)時，將變壓器高壓側(cè)開關(guān)投退，將變壓器從光伏發(fā)電系統(tǒng)中隔離切出；當(dāng)分布式光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時，將變壓器投入運(yùn)行。投切時間段可以根據(jù)電站所在地的典型日最大發(fā)電時間曲線進(jìn)行設(shè)計。另一種方法是增加檢測電流互感器，當(dāng)電流超過發(fā)電電流閾值或小于待機(jī)負(fù)荷電流值時，通過觸發(fā)信號，啟動或關(guān)閉高壓側(cè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)投切時間段的設(shè)定。

當(dāng)存在多級光伏升壓變壓器“手拉手”運(yùn)行時，考慮到變壓器投切時對電網(wǎng)的沖擊，以及變壓器的勵磁涌流對變壓器壽命的影響，可在每一級變壓器投切時間上設(shè)置級差，分段投切。

對于給定的變壓器，其空載損耗和額定負(fù)載損耗值是常數(shù)。變壓器的負(fù)載損耗值與負(fù)載率呈雙曲線關(guān)系，隨著負(fù)載率增大，負(fù)載損耗值也隨之增大，然后當(dāng)負(fù)載率達(dá)到“1”時，此時的負(fù)載損耗為額定負(fù)載損耗。

以1 臺10 kV、1250 kVA 的干式升壓變壓器為例，其空載損耗為2.09 kW，按每天空載運(yùn)行時間12 h 估算，年均節(jié)省電量9154.2 kWh，25年累計可節(jié)省電量228855 kWh，即相當(dāng)于電站發(fā)電量可提升228855 kWh。

3.2 靈活調(diào)節(jié)變壓器的運(yùn)行方式

分布式光伏電站輸出功率隨太陽輻照度的變化而波動，其平均系統(tǒng)效率約為80%。而分布式光伏電站中電氣設(shè)備的設(shè)計是按照直流側(cè)額定容量設(shè)計的，導(dǎo)致電氣設(shè)備在多數(shù)情況下處于輕載狀態(tài)，如此造成初始投資增大，運(yùn)行損耗增加。分布式光伏電站典型日功率曲線如圖3 所示。

圖3 分布式光伏電站的典型日功率曲線Fig.3 Typical daily power curve of distributed PV power station

調(diào)整變壓器的運(yùn)行方式，改善設(shè)備輕載或閑置運(yùn)行工況，可以降低變壓器的負(fù)載損耗。當(dāng)分布式光伏電站處于發(fā)電低谷時間段時(滿足2 臺升壓變的發(fā)電電流之和不大于任意1 臺的額定電流值)，可靈活切換2 臺變壓器的運(yùn)行模式，通過投入聯(lián)絡(luò)開關(guān)QF3，斷開QF1、QF2，將1#變壓器下的負(fù)荷電流轉(zhuǎn)移至2#變壓器。變壓器的橋接運(yùn)行方式如圖4 所示。

1) 2 臺變壓器并列運(yùn)行時，變壓器的負(fù)載損耗為：

2) 2 臺變壓器合并運(yùn)行時，變壓器的負(fù)載損耗為：

當(dāng)PL1=PL2時，并列運(yùn)行與合并運(yùn)行的損耗值相等，可求解出此時的臨界電流值IP。

圖4 變壓器的橋接運(yùn)行方式Fig.4 Bridge operation mode of transformer

當(dāng)運(yùn)行電流I小于臨界電流IP時，合并運(yùn)行的損耗值小于并列運(yùn)行時的值；當(dāng)運(yùn)行電流I大于臨界電流IP時，合并運(yùn)行的損耗值大于并列運(yùn)行時的值。因此，可根據(jù)實(shí)時的光伏發(fā)電輸出功率來靈活調(diào)節(jié)變壓器的運(yùn)行方式，從而降低變壓器損耗。

3.3 選用非晶合金型變壓器

變壓器的空載損耗包含銅損和鐵損，夜間當(dāng)變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài)時，其空載損耗主要為鐵損，鐵損和變壓器線圈材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。因此，為了從源頭上降低鐵損，可以選用空載損耗更低的材料，比如非晶合金型變壓器，可使空載損耗值大幅降低。

在相同使用條件下，非晶合金型變壓器的空載損耗約為常用的環(huán)氧樹脂型變壓器的1/3，大幅降低了變壓器的空載損耗。

4 結(jié)論

并網(wǎng)型分布式光伏電站的待機(jī)損耗主要來源于升壓變壓器的空載損耗，其占總損耗比例較大且數(shù)值相對固定。本文提出了并網(wǎng)型分布式光伏電站待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的降損優(yōu)化策略，通過從控制變壓器的空載運(yùn)行時間來降低損耗、改變現(xiàn)有電網(wǎng)的連接結(jié)構(gòu)、更換空載損耗更低的升壓變等策略來實(shí)現(xiàn)，并可根據(jù)分布式光伏電站的實(shí)際情況進(jìn)行靈活改造。綜上所述，待機(jī)損耗的降低可以通過多途徑降損策略來實(shí)現(xiàn)，總的原則是在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，充分利用已有設(shè)備，改善設(shè)備輕載或閑置運(yùn)行工況，將損耗控制在最優(yōu)范圍內(nèi)。