杜偉偉 ， 嚴(yán) 鑫

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

1 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的背景及意義

1.1 設(shè)計背景

21世紀(jì)是一個能源競爭激烈的世紀(jì)，一次性能源逐漸衰竭，尋找新的可替代能源是當(dāng)今世界各國亟待解決的課題。光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使得光伏應(yīng)用技術(shù)不斷進步，光伏產(chǎn)品逐漸向民用化、集成化方向發(fā)展[1]。近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)和開發(fā)利用規(guī)模逐漸擴大，已經(jīng)成為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。

2021年全國兩會上，“碳達峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告，承諾2030年前，二氧化碳的排放達到峰值后逐步降低，企業(yè)、團體通過植樹造林、節(jié)能減排等形式抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。本設(shè)計是將光伏發(fā)電結(jié)合電力用戶用電需要，探索在廣大城鎮(zhèn)和農(nóng)村的各種建筑物和公共設(shè)施上推廣分布式光伏系統(tǒng)，立足當(dāng)前，著眼未來，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一個具體實踐。

1.2 設(shè)計意義

光伏發(fā)電成本的降低使“太陽能社區(qū)”推廣成為可能，國家的政策支持為“太陽能社區(qū)”推廣提供了有力保障，隨著光伏發(fā)電在社區(qū)的廣泛應(yīng)用，將大大提高我國綠色能源在電力能源乃至整個社會能源領(lǐng)域的占比，真正實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。本設(shè)計對“太陽能社區(qū)”光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中的發(fā)配電系統(tǒng)圖、光伏組件選型及安裝、電能計量方式、儲能系統(tǒng)、并網(wǎng)條件等進行了較為系統(tǒng)的設(shè)計，今后可以在社區(qū)廣泛推廣應(yīng)用，也可以應(yīng)用于學(xué)校、機關(guān)、工廠、大型商場、酒店等場所。

2 “太陽能社區(qū)”設(shè)計總體概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV System）是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏特效應(yīng)。系統(tǒng)主要部件包括太陽能電池、控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載。其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行。

首先對黃岡市黃州區(qū)東門華府社區(qū)進行實際調(diào)查，掌握黃岡市普通社區(qū)的具體用電負(fù)荷和配電情況，測算東門華府社區(qū)太陽能電池安裝面積，進行太陽能電池選型并計算社區(qū)光伏總發(fā)電容量。其中，重點設(shè)計了社區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電配電主接線圖，分別考慮了屋頂公共太陽能發(fā)電系統(tǒng)、每家每戶墻面和窗玻璃上安裝的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的方式和計量方式，為“太陽能社區(qū)”應(yīng)用推廣提供較為全面的設(shè)備選型、安裝、系統(tǒng)電路圖等資料。

3 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)組成

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式是逐漸發(fā)展的，近年來光伏系統(tǒng)的應(yīng)用主要分為離網(wǎng)光伏運行系統(tǒng)、集中式并網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和分布式并網(wǎng)系統(tǒng)四種類型[2]。本次的研究對象是居民小區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，因為小區(qū)的用電負(fù)荷主要集中在晚上，而光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是白天發(fā)電，所以考慮到系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟效益，應(yīng)該采取發(fā)電自用、余電上網(wǎng)的運行模式。因此，社區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用帶蓄電池儲能的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

3.2 光伏電池組件

3.2.1 光伏電池組件的選型

太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。單體太陽電池由于輸出電壓低，不能直接作為電源使用，必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接和嚴(yán)密封裝成光伏電池組件[3]。目前，光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池組件。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低，但價格更便宜。綜合比較，屋頂和墻面采用多晶硅光伏電池。

3.2.2 光伏電池組件的安裝

為了保證系統(tǒng)有足夠高的效率，電池板必須按一定的傾角安裝。要先確定太陽能電池最佳傾角，這個傾角可以保證在中午12點左右的時候，太陽光基本直射電池板板面，以此來提高輻照強度，輻照強度越大則電池板的效率越高。查得黃岡地區(qū)該角度為71°，因此太陽能電池方陣的傾斜角為19°。

在屋頂安裝光伏電池方陣時，要考慮的是光伏陣列的最小間距。因為如果方陣前面有樹木或建筑物等遮擋物時，其陰影會擋住方陣的陽光，先計算遮擋物陰影的長度，以確定方陣與遮擋物之間的最小距離，最后確定相鄰兩排方陣之間最小距離[4]。

3.3 太陽能控制器

1）直充保護。直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時候用大電流和相對高的電壓對蓄電池充電，但是，當(dāng)充電時蓄電池端電壓高于保護值時，應(yīng)停止直充，否則會造成過充電，對蓄電池是有損害的。

2）均充控制。直充結(jié)束后，蓄電池一般會被充放電控制器靜置一段時間，讓其電壓自然下落，當(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時，會進入均充狀態(tài)，使所有的電池端電壓具有均勻一致性。

3）浮充控制。均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時間，使其端電壓自然下落，當(dāng)下落至“維護電壓”點時，就進入浮充狀態(tài)，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點，一股一股地來，以免電池溫度持續(xù)升高。這對蓄電池來說是很有好處的，因為電池內(nèi)部溫度對充放電的影響很大。

4）過放保護。電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量明顯減少。

4 “太陽能社區(qū)”系統(tǒng)集成方案設(shè)計

4.1 儲能系統(tǒng)接入方案設(shè)計

儲能系統(tǒng)并網(wǎng)方案：

大規(guī)模光伏電站接入增加之后，電網(wǎng)勢必需要儲能來提高它的接納能力。因此，我國現(xiàn)在需要完善的儲能接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而推動大容量儲能技術(shù)及儲能接入的產(chǎn)業(yè)化進程。目前，國內(nèi)的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)主要分為交流側(cè)和直流側(cè)并入兩種并網(wǎng)方式。

1）交流側(cè)并入是將儲能系統(tǒng)經(jīng)逆變器之后接于并網(wǎng)系統(tǒng)的交流側(cè)，光伏組件和儲能系統(tǒng)分別經(jīng)逆變器接入到系統(tǒng)的交流側(cè)。經(jīng)過統(tǒng)一的調(diào)度和控制，繼而以平滑光伏組件的輸出，并最終將電能安全平穩(wěn)地送入電網(wǎng)。因為儲能接入技術(shù)較少應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，而對光伏組件及儲能進行交流側(cè)的協(xié)調(diào)控制的技術(shù)相對復(fù)雜，目前還處于研發(fā)階段，尚無法提出完善的控制策略。所以現(xiàn)在對儲能的控制由電網(wǎng)調(diào)度來完成，但是，這種接入方式需要的儲能系統(tǒng)容量較大，而且成本較高，基本用于兆瓦級以上光伏電站。

2）直流側(cè)并入是指儲能系統(tǒng)經(jīng)過光伏控制器接入到系統(tǒng)直流側(cè)，然后經(jīng)逆變器最終并入電網(wǎng)。光伏組件產(chǎn)生的電能存入儲能系統(tǒng)，儲能會將電能穩(wěn)定地送入電網(wǎng)。電能經(jīng)光伏控制器后，平穩(wěn)地為儲能充電，并以功率可控的形式按需送入電網(wǎng)。這種接入方式具有更高的靈活性，因為儲能對系統(tǒng)輸出的平滑程度由儲能的接入比例決定，它所需電池的容量較低，而且不需復(fù)雜的控制，在分布式系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用[5]。

在此10 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中將以直流側(cè)接入的方式設(shè)計儲能接入方案。將儲能看成一個穩(wěn)定的電壓源，儲能電池可以平穩(wěn)地充放電，電壓的波動范圍相對較小，可抑制由于光照等引起的功率波動。

當(dāng)光伏組件發(fā)出的功率大于電網(wǎng)需要的功率時，電能除了送入電網(wǎng)，多余的還能給儲能電池充電。在光照不足時，光伏組件發(fā)出的功率無法滿足電網(wǎng)的需求，此時儲能系統(tǒng)將放電。由于光照變化等原因，光伏組件出現(xiàn)功率波動時，鋰電池的儲能系統(tǒng)的電流變化的時間幾乎為零，所以并網(wǎng)系統(tǒng)仍可平穩(wěn)地輸出功率，若儲能系統(tǒng)的電量過低，無法向電網(wǎng)持續(xù)提供電能時，系統(tǒng)將停止光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電。

4.2 并網(wǎng)條件

4.2.1 電能質(zhì)量

光伏系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量都應(yīng)該受控并且要滿足要求、符合標(biāo)準(zhǔn)，其中主要包括電壓偏差、頻率、諧波和功率因數(shù)等幾個參量。當(dāng)出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)的越限狀況時，系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確檢測到這些偏差并及時將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)安全斷開。

1）電壓偏差。為了保證當(dāng)?shù)亟涣髫?fù)載正常工作，光伏系統(tǒng)中逆變器的輸出電壓要與電網(wǎng)相匹配。正常運行時，光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)接口處的電壓允許偏差應(yīng)符合GB/T 12325—2008標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即10 kV及以下三相電壓的允許偏差值為額定電壓的±7%，220 V單相電壓的允許偏差值為額定電壓的-10%～+7%。

2）頻率。光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連接時，應(yīng)保證系統(tǒng)與電網(wǎng)同步運行。電網(wǎng)的額定頻率為50 Hz，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差應(yīng)符合GB/T 15945—2008標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即允許偏差為±0.5 Hz。

3）諧波和波形畸變。低的電流諧波和電壓諧波水平是所希望的；較高的諧波可能會對所連接的設(shè)備產(chǎn)生有害影響。諧波電壓和電流的允許水平應(yīng)取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負(fù)載/設(shè)備，以及電網(wǎng)的現(xiàn)行規(guī)定。光伏系統(tǒng)的輸出要有較低的電流畸變，以避免對與電網(wǎng)連接的設(shè)備造成不利影響。

4）功率因數(shù)。當(dāng)光伏系統(tǒng)中的逆變器輸出大于其額定輸出的50%時，平均功率因數(shù)應(yīng)該不小于0.9（超前或滯后）。

4.2.2 防孤島效應(yīng)

當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)失壓時，必須在規(guī)定的時限內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，防止孤島效應(yīng)的出現(xiàn)。因此，應(yīng)設(shè)置至少各一種主動和被動防孤島效應(yīng)保護。

主動防孤島效應(yīng)的保護方式主要有頻率偏離、無功功率變動、有功功率變動、電流脈沖注入引起阻抗變動等。被動防孤島效應(yīng)的保護方式主要有電壓相位跳動、頻率變化、三次電壓諧波變動率等。

當(dāng)電網(wǎng)失壓時，防孤島效應(yīng)的保護應(yīng)該在2 s內(nèi)動作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開不應(yīng)包括用于監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)的主控電路和監(jiān)測電路。

由于超限狀態(tài)而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)停止向電網(wǎng)送電后，在電網(wǎng)的電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍后的20 s到5 min時間內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)不應(yīng)向電網(wǎng)送電。光伏發(fā)電（即靜止式發(fā)電）的啟動和再并網(wǎng)是通過逐步調(diào)節(jié)電氣量，從無負(fù)荷狀態(tài)到帶負(fù)荷狀態(tài)。

在電網(wǎng)短路時，逆變器檢測的過電流應(yīng)不大于額定電流的150%，此時短路保護動作，并在0.1 s以內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。在并網(wǎng)運行時，短路電流不應(yīng)該超過任何斷路器的開斷電流和容量。

4.3 配電系統(tǒng)方案設(shè)計

4.3.1社區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式

為了保證社區(qū)供電的可靠性，以及對后續(xù)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、運行提供技術(shù)支持和實驗條件支撐，故本方案中擬用帶有蓄電池的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示，其具體優(yōu)勢如下：

圖1 太陽能社區(qū)分布式并網(wǎng)運行方式

1）分布式安裝，就近就地分散發(fā)供電，進入和退出電網(wǎng)靈活，既有利于增強電力系統(tǒng)抵御不利環(huán)境的能力，又有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，并可降低線路損耗。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定，與電網(wǎng)一起工作，使所有用電器在太陽能發(fā)電較少的情況下，直接轉(zhuǎn)用市電，兩個系統(tǒng)互為補充，安全可靠。

3）兩種運行方式，系統(tǒng)可以運行在兩種的運行方式中，當(dāng)市電正常時候，光伏電池對負(fù)載供電；當(dāng)市電停電時候，斷開市電，由蓄電池組和光伏電池對負(fù)載供電。

4）當(dāng)社區(qū)太陽能電池晴天發(fā)的電大于晚上用電量時，而本系統(tǒng)設(shè)計了儲能設(shè)備，這樣就可以減少電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送的電能，從而節(jié)約用電成本。

5）由于不受蓄電池容量的限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電力可以全部得到利用。

6）可起調(diào)峰作用。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是世界各發(fā)達國家在光伏應(yīng)用領(lǐng)域競相發(fā)展的熱點和重點，是世界太陽能光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢，市場巨大，前景可觀。

4.3.2 社區(qū)用電計量方式

1）公共設(shè)施用電計量。為便于計量，社區(qū)所有公共設(shè)施用的電能匯集到配電房，然后需要在電網(wǎng)與公共設(shè)備、屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共設(shè)備之間各安裝一個單向電能表，用來計量公共設(shè)施分別使用了多少太陽能發(fā)的電和公共電網(wǎng)的電量，最后由社區(qū)物業(yè)中心繳納電費。

2）各家庭用電計量。本方案中家庭用電擬采用“上網(wǎng)電價”的方式計量，將光伏系統(tǒng)輸出端連接在進戶電表之前，為便于統(tǒng)計用電量，采用具有雙向計量功能的電能表。那么在整個系統(tǒng)接線中，首先每個家庭需要安裝一個雙向的電能表，用它來計量每家使用電網(wǎng)的電量以及墻面光伏電池的多余電能賣給電網(wǎng)的電量，然后在屋頂光伏線路與電網(wǎng)之間安裝一個單向電表，用來計量屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)賣給電網(wǎng)的電量。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段，我國在光伏發(fā)電民用方面還處于初級應(yīng)用階段，缺乏成套的政策來規(guī)范這方面的建設(shè)。隨著技術(shù)的不斷進步，預(yù)計2030年以后光伏發(fā)電成本會大幅降低。當(dāng)前，光伏發(fā)電民用化已經(jīng)成為可能，而本次設(shè)計正是以“太陽能社區(qū)”光伏微電網(wǎng)的建設(shè)來體現(xiàn)這種民用化，為以后太陽能光伏系統(tǒng)在社區(qū)推廣提供思路和借鑒。