端柯羽　趙溢康　梁夢馨

摘要：針對光伏發(fā)電問題，提出了一套完整的光伏發(fā)電并網(wǎng)、采集與預測體系。首先，詳述了光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置各個組件的原理，提出了部分改進措施;其次，針對光伏發(fā)電實例進行了預測，結(jié)果表明，該光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置不僅可以指導未來光伏發(fā)電高效并網(wǎng)，還能在此基礎上取得良好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：光伏發(fā)電;新能源;并網(wǎng)

中圖分類號：TM615? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0009-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.003

0? ? 引言

正如電力“十三五”規(guī)劃所論述的那樣，目前我國正處于深化改革的攻堅期，也是電力工業(yè)加快轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要機遇期。在這樣的新時期，能源格局進一步調(diào)整，環(huán)境資源的約束也進一步加強，給我國電力行業(yè)的發(fā)展帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。隨著世界氣候形勢越發(fā)嚴峻，人們對清潔能源的需求正不斷增長，加速對清潔能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為電力人義不容辭的責任，電源結(jié)構(gòu)的清潔化必然逐漸成為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主流。

取之不竭，安全可靠，無噪聲污染，不受資源分布地域的限制，建設周期短，獲取能源花費的時間周期短，光伏發(fā)電因以上優(yōu)點在清潔能源建設中占據(jù)了很大比重。在光伏發(fā)電的用電需求側(cè)，對于小區(qū)家庭用戶，新能源供電裝置（以屋頂光伏發(fā)電裝置為例）大大緩解了能源供給/消耗矛盾，以“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的原則，有力地推動了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

目前國內(nèi)關于光伏發(fā)電原理的論文較多，但很少有論文將原理與實例的計量與預測進行聯(lián)系。文獻[1-4]提出的是光伏發(fā)電裝置各組件的原理與改進措施，但并未涉及實例的計算;文獻[5]提出的是小區(qū)屋頂光伏應用的實例計算，但并未詳述光伏應用各組件原理。本文基于以上研究，提出了一套完整的光伏發(fā)電并網(wǎng)、采集與預測體系。

1? ? 小區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置

本文按照國家電網(wǎng)公司《關于促進分布式電源并網(wǎng)管理工作的意見（修訂版）》接入系統(tǒng)一般原則設計光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置。

與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)單一的潮流流向不同，光伏發(fā)電的潮流流向具有雙向性，用戶側(cè)的節(jié)點會根據(jù)用戶的發(fā)電量和負載量在電源節(jié)點與負荷節(jié)點之間轉(zhuǎn)換。本文利用充放電控制器、雙向變流器、功率調(diào)節(jié)和并網(wǎng)保護等裝置組成光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

下面分別對各個組件進行詳細介紹。

1.1? ? 充放電控制器

充放電控制器[1]的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。本文以STC15W4K60S4_PDIP40單片機為控制中心，將采用軟硬件結(jié)合的方式采集到的電流和電壓通過單片機進行A/D轉(zhuǎn)換處理，從單片機輸出的數(shù)值經(jīng)光耦驅(qū)動MOSFET管處理實現(xiàn)系統(tǒng)充放電的控制。通過該充放電控制系統(tǒng)，太陽能電池板的電能在用戶側(cè)得到最優(yōu)化利用，蓄電池電壓在（10.5±0.5）V至（14.5±0.5）V之間浮動，單片機在蓄電池到達下限和上限時分別實現(xiàn)充電和放電控制。

在采集模塊中，采用分流器接入的方式提供電流采樣，采用電阻分壓的方式進行電壓衰減采樣。電壓通道允許最大輸入差分電壓設置為±165 mV，共模電壓設置為100 mV。輸入電壓的衰減通過9級電阻分壓網(wǎng)絡實現(xiàn)。精度校驗時，進行分級調(diào)整，到最高級時，精度調(diào)整至0.05%。用8421編碼設置該衰減網(wǎng)絡的校驗范圍，允許在±30%左右，用電阻和電容并聯(lián)來實現(xiàn)分壓網(wǎng)絡-3 dB的頻率。設計選用RC濾波器，可以避免分流器寄生電感產(chǎn)生的影響，同時也能顧及通道平衡。根據(jù)計算和通道1與通道2的匹配，選定合適的電容與電阻。

1.2? ? 雙向變流器

根據(jù)接入光電的容量以及用戶端節(jié)點PDGi與負荷節(jié)點Pi功率大小情況，調(diào)整接入節(jié)點的功率方向。本項目使用雙向變流器和充放電控制器共同實現(xiàn)潮流流向的控制。通過利用單相輸出的并網(wǎng)逆變器將太陽能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕涣麟姡徊糠肿杂?，余電進行并網(wǎng)，在負荷功率超過光伏接入點功率時，從電網(wǎng)取電。

如圖3所示，雙向變流器主要由交流回路、功率橋回路、直流回路組成[2]。在電流方向從網(wǎng)側(cè)指向變流器且雙向變流器穩(wěn)定運行時，可以通過控制V的大小和相角來實現(xiàn)變流器在以P、Q、-P、-Q對應的有功放電4個特殊工作點的平面里做四象限運行。

1.3? ? 功率調(diào)節(jié)裝置

目前，光伏發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)裝置主要采用雙向DC-DC變換器。而本文采用的是雙向全橋隔離型DC-DC變換器[3]，變換器由全橋整流器、高頻變壓器和全橋逆變器3個部分組成，電壓型變換器位于兩端構(gòu)成對稱結(jié)構(gòu)，通過控制變壓器原副邊處的兩個H橋方波電壓信號的相位與占空比，達到控制變換器傳遞功率方向和大小的效果，具有隔離、大電壓變比、高效、高功率密度等特點。

將輸入和輸出的H橋看作是兩個電源，分別簡化到變壓器的兩端，通過傅里葉變換計算得出：變壓器副邊繞組的有功功率與移相角的正弦值成正比，有功功率為正值時，由變壓器原邊流向副邊，副邊吸收有功功率;當有功功率為負值時，由變壓器副邊流向原邊，副邊繞組發(fā)出有功功率。

1.4? ? 并網(wǎng)保護裝置

針對分布式電源特性，本文基于傳統(tǒng)的三段式電流保護裝置做出以下改進[4]：

1.4.1? ? 運行方式

在運行方式方面，本文采取以下兩種技術方案：

（1）孤島方案。移除原有的線路保護裝置，對保護系統(tǒng)重新進行規(guī)劃，在線路出現(xiàn)故障時，光伏發(fā)電單元獨立供電，將配電網(wǎng)分為數(shù)個孤島，將故障控制在一定范圍之內(nèi)。

（2）切源方案。線路出現(xiàn)故障，在重合閘操作之前將光伏發(fā)電單元從線路中切斷，使用傳統(tǒng)配電線路以及保護措施。

1.4.2? ? 距離保護

本文利用四邊形距離繼電器這一保護裝置實現(xiàn)對距離保護的改進，進而實現(xiàn)對微機線路的有效保護。借助距離繼電器對距離以及方向的精準測量，使整定電阻分量和整定三段式電抗定值達到預定標準，從而完成距離保護。

1.4.3? ? 繼電保護

對于繼電保護，本文擬采用以下兩種方案：

（1）TCM方案。選擇時限最短的繼電保護裝置來實現(xiàn)方案最優(yōu)，將故障切除的時間控制在最短。

（2）電流分量檢測方案。采用過電流保護措施，只對比零序和負序電流分量，當電流值達到設定值時啟動保護動作。

2? ? 某住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電實例預測

以上文中的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為基礎，本文選取了一個屋頂光伏發(fā)電條件良好的小區(qū)作為例子，對其光伏年發(fā)電量進行預測。

2.1? ? 小區(qū)基本情況

該小區(qū)位于南京市江寧區(qū)秣陵街道，占地面積50.40 hm2，建筑面積350 000 m2。小區(qū)已有部分業(yè)主安裝屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，以中電電氣在徐先生家安裝的12 kW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例：該發(fā)電裝置采用雙玻組件進行安裝，利用雙玻組件透光的特點，在光伏發(fā)電的同時，不影響業(yè)主享受陽光的體驗，集美化屋頂、遮風擋雨、綠色節(jié)能、透光可控等多種優(yōu)點于一體，實現(xiàn)發(fā)電自用的經(jīng)濟效益的同時，還帶來了促進可持續(xù)發(fā)展等可觀的經(jīng)濟效益。

此外，隨著充電汽車的普及，加快屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)建設可以有效緩解公共電網(wǎng)的負載壓力，所以本文對該小區(qū)光伏發(fā)電的效益進行了預測，以展望小區(qū)光伏發(fā)電廣泛投入使用后的美好藍圖。

2.2? ? 小區(qū)屋頂光伏發(fā)電量預測

南京市地處江蘇南部、長江南岸，太陽能資源十分豐富，年總輻射量約為1 416.77 kW·h/m2，日平均日照小時數(shù)約為3.96 h。根據(jù)相關規(guī)范要求，考慮到土地周圍建筑物對屋頂?shù)挠绊?、土地?nèi)建筑物之間的相互遮擋等因素，建筑物屋頂?shù)目捎霉夥娣e應滿足冬至09：00—15：00日照時數(shù)3 h以上的要求。

該小區(qū)的屋頂面積數(shù)據(jù)如下：排屋屋頂總面積約為25 328.33 m2，高層屋頂總面積約為8 724.83 m2，根據(jù)公式Apr=Kpr Aroof計算可知，該小區(qū)屋頂光伏可安裝面積為15 456.11 m2。公式中，Apr為屋頂光伏可安裝面積;Kpr為屋頂光伏可利用系數(shù)（假設排屋取0.50，高層取0.32）;Aroof為屋頂總面積。

再通過Epr=ApzGpηλ計算該小區(qū)屋頂光伏年發(fā)電量約為89.96萬kW·h。公式中，Epr為屋頂光伏年發(fā)電量;Apz為屋頂光伏組件有效面積（假設光伏組件有效面積系數(shù)為0.39）;Gp為光伏組件所接收到的輻射量（按江寧太陽高度角34.62°計算）;η為理論測試的光伏模塊轉(zhuǎn)換效率（假設取多晶硅組件光伏效率0.16）;λ為光伏系統(tǒng)的運行效率（假設取80%）[5]。

假設該小區(qū)每戶居住2.8人，人均年用電量500 kW·h，則該小區(qū)每年需要235.9萬kW·h的電量。根據(jù)預測，該小區(qū)利用光伏發(fā)電取得的電量可以滿足其電力消耗的38.13%，能夠極大地緩解配電網(wǎng)的高負荷壓力，經(jīng)濟效益非?？捎^，同時也為小區(qū)未來太陽能汽車入戶，太陽能充電樁進一步發(fā)展提供了充裕的空間。該小區(qū)全面光伏發(fā)電預計效益如表1所示。

3? ? 結(jié)語

在能源結(jié)構(gòu)加速調(diào)整的今天，對于清潔能源，應該加快推動其從理論向?qū)嵺`發(fā)展。本文提出的光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置涉及較為完整的光伏發(fā)電原理，對于設備的安裝和改進也有一定的實際意義。本文介紹的小區(qū)屋頂光伏設備發(fā)電量預測，對于光伏發(fā)電設備應用的經(jīng)濟意義做出了較為完善的說明，也可以為小區(qū)推動光伏發(fā)電設備建設提供一定的借鑒。

[參考文獻]

[1] 周永強.太陽能蓄電池充放電控制器的設計[J].電子測試，2019（22）：21-22.

[2] 申振東，張新躍，李闖，等.微電網(wǎng)儲能的雙向變流器控制策略[J].集成電路應用，2020，37（11）：152-153.

[3] 伏祥運，湯國晟，崔紅芬，等.基于DAB的光儲型混合系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)與控制[J].電力科學與技術學報，2020，35（6）：138-143.

[4] 饒鑫，吳祉嫻，劉濤.智能配電網(wǎng)分布式光伏電源并網(wǎng)保護技術研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（35）：152-153.

[5] 宋蓮.城鎮(zhèn)住宅小區(qū)屋頂光伏應用實例[J].電子世界，2020（15）：161-162.

收稿日期：2021-12-08

作者簡介：端柯羽（2001—），男，江蘇泰州人，研究方向：繼電保護。