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        分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入探究

        2022-11-16 08:16:30管裕金
        西部廣播電視 2022年20期
        關鍵詞:配電網(wǎng)用戶系統(tǒng)

        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。

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