管裕金

（作者單位：江西廣播電視臺）

1 我國光伏產業(yè)發(fā)展情況

近幾年來，我國光伏發(fā)電項目以獨特的政策利好優(yōu)勢，促進了行業(yè)的迅速發(fā)展和投資規(guī)模的日益擴增。國家能源局網(wǎng)站公告的數(shù)據(jù)顯示，2016—2021年我國光伏發(fā)電裝機容量分別為0.77億 kW、1.3億kW、 1.74億kW、2.04億kW、2.53億kW、3.06億kW。

作為“十四五”開局之年，2021年我國光伏發(fā)電建設實現(xiàn)新突破，全國光伏發(fā)電量約為3259億kW·h， 同比增長約25.1%，年平均利用小時數(shù)達到1163 h，同比增加3 h。其中利用率排行最高的前三個省份（區(qū)）分別為內蒙古自治區(qū)1558 h、吉林省1536 h、四川省1529 h。

2021年，新增并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，分布式光伏發(fā)電新增容量約2900萬kW，占2021全年新增并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)總容量的55%左右。光伏發(fā)電分布式與集中式并舉發(fā)展，已經(jīng)成為助推“碳達峰、碳中和”和“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”等國家戰(zhàn)略發(fā)展的一股重要力量。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 基本原理

“光伏效應”是分布式光伏發(fā)電應用的基本原理。光伏電池中的半導體材料，內部組成了一個個PN結，當光伏電池因太陽光照射，其內部半導體的PN結受到激發(fā)，則產生大量的電子-空穴對，電子向N型半導體一側移動，空穴向P型半導體一側移動，使得電池組向光側累積負電荷，電池組背光側累積正電荷，故光伏電池的兩側產生了電壓差，利用導線將光伏電池兩側與各類用電負載連通，形成閉合的電路，則產生工作電流，從而實現(xiàn)了太陽能轉化為電能的特殊 過程[1]。

2.2 系統(tǒng)結構

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池組件、控制器、逆變器、配電網(wǎng)、負荷等組成的特殊供電系統(tǒng)，其以小容量、多布點為特點，幾乎都建設在用戶用電場地附近，是一種平衡調節(jié)配電網(wǎng)的光伏電源[2]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池組件利用“光伏效應”原理，在太陽光照的作用下，將太陽能轉化為直流電能，該電能可以供給直流負荷使用，同時也可經(jīng)逆變器轉化為交流電源，經(jīng)過濾波處理后直接供給交流負載或并電網(wǎng)接入。根據(jù)功能設計，有些光伏發(fā)電系統(tǒng)還會配置一定數(shù)量的蓄電池組進行蓄能，并由系統(tǒng)中的控制器決定所發(fā)電能是進入蓄電池組進行儲存，還是直接輸出供給各用電負荷。

光伏電池組件是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其本質是一種以硅為基本元素的光電半導體材料，主要分為單晶硅和多晶硅。在實際應用中，大多數(shù)光伏電池的上表面會增添一些柵狀電極，有時也會在在電池受光面上增加一層減反射層，進而提升光伏電池組的電能轉化效率。

由于單位光伏電池發(fā)出的電壓和有效功率是微弱的，故需要由一定數(shù)量的光伏電池組形成光伏電池陣列，并在電路上通過串聯(lián)、并聯(lián)方式組合而成，最終達到系統(tǒng)要求的輸出電壓和功率[3]。

2.3 分布式光伏發(fā)電的等效電路

光伏電池組件與負載閉合連接，成為一個有效而穩(wěn)定的電源回路，其等效電路如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電的等效電路

光伏電池組件可看作是一個恒流源與二極管的并聯(lián)電路，IL用來表示光伏電池組發(fā)出的恒定電流，即光生電流。RL用來表示與外部連接的負載。

由于光伏電池組發(fā)出的電能受到現(xiàn)場各種因素的作用，會出現(xiàn)一定量的外界損耗，用電阻Rs來表示。同時，受到制造、安裝等因素影響，電池組自身會存在一定的輕微裂紋，形成了一定規(guī)模的金屬橋，故在等效電路中，用旁漏電阻Rsh來等效表示。

由等效電路可計算出電流IR與輸出電壓UR的函數(shù)關系：

其中，I0表示為光伏電池組的等效二極管反向飽和電流，T表示為絕對溫度，q表示的是單位電子電荷（1.602×10-19C）。k表示為玻耳茲曼常量（取值1.38×10-23J·K-1）。

3 分布式光伏發(fā)電的優(yōu)點和缺點

分布式光伏發(fā)電廣泛應用于諸多領域，它不僅是推動能源生產和消費革命前進的重要力量，也是促進新能源技術發(fā)展的重要方式，其優(yōu)點主要如下：第一，接近用戶負荷中心，能就地消納，降低了輸電成本，減少了線路損耗。第二，節(jié)能又環(huán)保，減少了石化能源消費，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。第三，組件結構簡單，系統(tǒng)搭建靈活，建設周期短，易與建筑物相結合，如屋頂、墻面等，可節(jié)省占地空間。第四，可緩解區(qū)域供電緊缺，尤其是對于一些公共電網(wǎng)無法覆蓋的偏遠地域，能夠切實地解決供電 問題。

當然，作為一種新興的供電方式，分布式光伏發(fā)電也存在自身的缺點，主要如下：第一，能量密度偏低。雖然太陽能分布廣，但由于各地區(qū)的差異，以及太陽光照在時間上分布的不均勻，導致供電穩(wěn)定性不佳，供電質量難保證。第二，存在間歇性工作。光伏發(fā)電幾乎只能在白天工作，夜晚就無法發(fā)電。第三，受氣候環(huán)境因素影響大。尤其是雨、雪、陰等影響日照的天氣，加上長年在戶外運行，光伏電池組件表面被灰塵等顆粒物覆蓋，導致光伏發(fā)電功率的驟減，對光伏電池組件也有不可避免的損耗。

隨著分布式光伏發(fā)電建設成本的大幅降低和運維管理水平的日益成熟，以及國家“雙碳計劃”的推廣和落地，相對于傳統(tǒng)發(fā)電能源，分布式光伏發(fā)電還是有較大的發(fā)展優(yōu)勢，未來可期。

4 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入方式

當前，分布式光伏發(fā)電所發(fā)電量的消納方式主要有三種：全額上網(wǎng)型、自發(fā)自用余電上網(wǎng)型、全部自用型[4]。

根據(jù)以上的三種消納方式，用戶結合分布式電源裝機容量及原有電網(wǎng)特點、負荷分布情況，從而確定并接入網(wǎng)的方案。因分布式光伏發(fā)電的容量相對于電網(wǎng)而言是偏小的，則主要涉及的并網(wǎng)電壓等級有10 kV、 380 V和220 V。

4.1 采用10 kV并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機容量在400～6000 kW時，并網(wǎng)電壓等級應為10 kV。即光伏發(fā)電系統(tǒng)需配置升壓變壓器，將輸出的電壓升至10 kV后再T接至公共線路或通過10 kV專線并網(wǎng)接入開關站（變電站） 10 kV母線。其中，升壓變壓器應配置電流速斷保護裝置，若電流速斷保護的靈敏度不能滿足系統(tǒng)要求時，可使用縱聯(lián)差動保護方式進行替代[5]。

4.2 采用380 V并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機容量在8～400 kW時，并網(wǎng)電壓等級應為380 V。

4.2.1 380 V接入公共電網(wǎng)母線

該并網(wǎng)接入方式如圖2所示，并網(wǎng)接入點選擇為公共電網(wǎng)380 V低壓母線，該方式需占用公共配電室或箱變的低壓出線開關。

圖2 380 V接入公共母線示意圖

4.2.2 380 V接入用戶配電系統(tǒng)母線

該并網(wǎng)接入方式如圖3所示，并網(wǎng)接入點選擇為用戶配電室或箱變低壓母線。用戶采用自有電力變壓器供電，并網(wǎng)時需占用用戶配電室或箱變的低壓出線開關。

圖3 380 V接入用戶母線示意圖

4.3 采用220 V并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機容量在8 kW及以下時，并網(wǎng)電壓等級應為220 V。該并網(wǎng)接入方式如圖4所示。選擇220 V并網(wǎng)接入的大部分為居民用戶，其并網(wǎng)接入點通常設在用戶220 V的電能表箱處，且?guī)缀醵际遣捎米园l(fā)自用余量上網(wǎng)的消納方式。值得注意的是，在并網(wǎng)接入具體相序時，需核驗該區(qū)域各相序已并網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電總容量，避免出現(xiàn)三相功率不平衡問題。

圖4 220 V并網(wǎng)接入示意圖

4.4 并網(wǎng)接入的主要技術要求

按照相關電力技術規(guī)范，分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入的主要技術要求如下：

（1）并網(wǎng)接入的切換裝置應設置閉鎖，有明顯開斷點，其開關能開斷故障電流，并帶接地保護等功能。同時，需具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能，失壓跳閘定值宜整定應為額定電壓U的30%、延時10 s動作，檢有壓定值宜整定應為額定電壓U的85%。

（2）并網(wǎng)接入點的電能計量裝置應具備電壓、電流、功率、電度等數(shù)據(jù)采集以及ABC三相電流不平衡監(jiān)測功能，并能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與存儲。

（3）在并網(wǎng)接入點應配置防逆流保護等裝置。

（4）三相電壓（10 kV、380 V）并網(wǎng)接入時，應采用三相逆變器，且在同一位置同時并網(wǎng)接入。

5 并網(wǎng)接入的影響

隨著分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的容量和規(guī)模日益擴增，使得電網(wǎng)潮流方向更加復雜，對整個電網(wǎng)的影響更加顯著。同時，因并網(wǎng)接入的位置、容量大小及消納方式的變化，都很有可能會造成電網(wǎng)的電壓質量、繼電保護動作及相應節(jié)點的有功功率等參數(shù)的變化[6]。

5.1 對電壓質量的影響

當一定規(guī)模的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入配電網(wǎng)，會導致配電網(wǎng)各節(jié)點的電壓質量發(fā)生較為明顯的波動。并網(wǎng)接入的光伏發(fā)電容量越大，各節(jié)點電壓上升的幅值就明顯。同時，并網(wǎng)接入位置也是影響電壓質量的一個重要因素，與配電網(wǎng)線路末端更接近的并網(wǎng)接入位置，其電壓上升幅值就更加平穩(wěn)。

5.2 對繼保的影響

分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入改變了原電網(wǎng)的結構及潮流分布，故電網(wǎng)發(fā)生相關短路故障時，其電流的大小和分布都會受到了一定程度的影響。且分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入，改變了電網(wǎng)電能單一方向的傳輸方式，使得電網(wǎng)的供電結構發(fā)生了明顯的變化。當某一節(jié)點發(fā)生故障時，分布式光伏電源也會成為故障電流的來源，故需對原有繼保方向判斷功能作出相應的調整。

5.3 對電網(wǎng)運行可靠性的影響

分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入對電網(wǎng)可靠性的影響有一定的不確定性。其改善了電能質量，一定程度上提高了用電的可靠性，保障了各用電設備的持續(xù)運行，當線路故障或計劃停電時，分布式光伏發(fā)電可作為一定規(guī)模的保安電源，其供電的可靠性從而進一步得到提高。但是，當大容量的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入時，極可能會造成區(qū)域節(jié)點電壓越限。當供電線路發(fā)生瞬時故障時，也可能會造成自動重合閘失效，這些對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來一定的風險。

6 結語

不管分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用哪種并網(wǎng)接入方式，都要確保其輸出電壓的相位、頻率、幅值等參數(shù)與接入電網(wǎng)相匹配，并達到規(guī)定的標準[7]。且在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入前，應及時將并網(wǎng)接入方案及相關并網(wǎng)點的檢測合格報告報所接入電網(wǎng)主管部門進行備案，需取得并網(wǎng)接入許可證后方能并網(wǎng)運行。同時，應充分考慮并網(wǎng)后對配電網(wǎng)運行的影響因素，采用柔性并網(wǎng)控制技術，將故障風險降到最低。

分布式光伏發(fā)電的相關技術已非常成熟、穩(wěn)定，單位建設成本近年來也是逐步降低，目前在工業(yè)廠房、倉儲物流、通信基站、高速公路、體育場館等領域廣泛應用。分布式光伏發(fā)電的投入，不僅給用戶帶來了一定的經(jīng)濟收益，還促進了全社會“節(jié)能減排”目標的實現(xiàn)。目前，建設分布式光伏發(fā)電項目，已成為公共機構節(jié)能工作考核的一個重要加分項。

未來，隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的不斷推進，以及碳市場與電力市場的耦合發(fā)展，分布式光伏發(fā)電的應用將成為能源供給的重要焦點，其并網(wǎng)接入的規(guī)模會有一次井噴式發(fā)展歷程。嚴控并網(wǎng)接入技術參數(shù)，降低其運行風險，已成為配電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重點。