中國電建集團江西省水電工程局有限公司 蔡 超

1 引言

目前國內(nèi)的配電網(wǎng)主要是中低壓類型，不能同時接入大量光伏發(fā)電系統(tǒng)，否則會超出中低壓配電網(wǎng)的容納限度，導(dǎo)致配電網(wǎng)的實際電流運行方式產(chǎn)生變化。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入數(shù)量大大超過配電網(wǎng)的安全運行限度，會對配電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生影響，甚至造成嚴(yán)重的安全事故[1]。因此，在具體的電力生產(chǎn)過程中要特別注意光伏發(fā)電系統(tǒng)在中低壓配電網(wǎng)中的接入情況。

2 分布式光伏電源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介

2.1 分布式光伏電源并網(wǎng)方式

國外很早就對分布式光伏電源開展了研究，并積極將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合到電力生產(chǎn)中。分布式光伏電源首先一個特點是非常靈活，一般光伏電源規(guī)模都比較小，可以適應(yīng)安裝在大部分電力生產(chǎn)系統(tǒng)中。其次分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)結(jié)合后可以改善電網(wǎng)的運行，從而提升電網(wǎng)的工作效率。同時分布式光伏發(fā)電大面積取代以往傳統(tǒng)發(fā)電模式，大大節(jié)省了發(fā)電成本。

目前國內(nèi)廣泛使用的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)主要分為兩種：單級式與兩級式。本文主要介紹兩級式與單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)分析。

兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括直流變換器、逆變器等，兩級式系統(tǒng)顧名思義就是通過兩次能量轉(zhuǎn)化來完成電力生產(chǎn)的任務(wù)。首先利用光伏陣列吸收太陽能將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，之后通過逆變器把轉(zhuǎn)化成功的直流電又轉(zhuǎn)換為與配電網(wǎng)相同頻率的交流電壓，從而讓光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)順利對接，最終完成電力的生產(chǎn)。兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于具有多個控制器，所以在處理轉(zhuǎn)換的電力時功能比較強大，但是控制器過多也會導(dǎo)致電力生產(chǎn)系統(tǒng)的成本直線上升，不利于節(jié)約生產(chǎn)成本[2]。單級式光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

仔細(xì)觀察單級式和兩級式光伏電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，不難發(fā)現(xiàn)單級式光伏電源系統(tǒng)相比兩級式結(jié)構(gòu)只少了直流變換器。單級式只需將電池進行串聯(lián)，從而讓直流電壓逐步增加至能夠與逆變器連接，與兩級式轉(zhuǎn)換直流電壓的方式不太一樣，但最終都是將直流電轉(zhuǎn)換后接入配電網(wǎng)進行電力的生產(chǎn)。單級式光伏電源系統(tǒng)雖然減少了轉(zhuǎn)化電流的步驟，大大提高了電力轉(zhuǎn)化效率，也節(jié)約了電力生產(chǎn)的成本，但具體操作過程比較復(fù)雜，不符合大型發(fā)電場合的實際工作情況。

2.2 分布式光伏電源的并網(wǎng)原理

上文主要分析了不同類型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異和工作原理，同時由于單級式和兩級式光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)類型的差異造成發(fā)電系統(tǒng)其中使用的逆變器也并不相同。下面主要討論一下不同逆變器之間存在的差異，以及在分布式光伏電源工作中分別起到的作用。

目前在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的主要是電壓型和電流型的逆變器。電流型逆變器如圖2所示，電壓型逆變器如圖3所示。

圖3 電壓型逆變器

光伏裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，而能否將直流電再轉(zhuǎn)換成交流電接入配電網(wǎng)完成電力的生產(chǎn)就需要利用好逆變器的控制作用。電壓型逆變器要求必須同時并聯(lián)兩個電壓源才能完成交流電的順利接入配電網(wǎng)，但在實際的工作過程中很難精準(zhǔn)地控制電壓源，從而導(dǎo)致電流無法接入配電網(wǎng)。所以目前大多采用電流型逆變器進行電流的轉(zhuǎn)換，電流控制僅需讓電流與配電網(wǎng)電壓保持一致就可以完成接入的任務(wù)，減少了接入時的風(fēng)險，極大地保障了電力生產(chǎn)的正常進行。

3 分布式光伏電源接入電網(wǎng)的具體應(yīng)用研究

當(dāng)前國內(nèi)有許多地方都開展了分布式發(fā)電并網(wǎng)的實際應(yīng)用，本文采用張家口張北縣開展的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)項目為例進行研究。此光伏電站站址位于河北省張家口市張北縣饅頭營鄉(xiāng)張漢營村西南。張北張漢營20MWp 光伏并網(wǎng)電站項目規(guī)劃裝機規(guī)模20MW，一次性建成。張北光伏電站位置如圖4所示。

圖4 張北光伏電站位置

3.1 光伏組件選型

3.1.1 晶體硅太陽電池

當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用的都是晶體硅太陽電池進行發(fā)電，因為晶體硅太陽電池吸收轉(zhuǎn)換太陽能的效率比較高，并且成本相較其他太陽電池也低，所以很多分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用晶體硅太陽電池。晶體硅太陽電池也包含許多類別，比如單晶硅、多晶硅以及球狀等晶體硅太陽電池。

3.1.2 薄膜太陽電池

薄膜太陽電池種類也有很多，主要包括硅薄膜太陽電池、多元化合物薄膜太陽電池、染料敏化薄膜太陽電池和有機薄膜太陽電池等。

3.1.3 聚光太陽電池

聚光太陽電池可分為低倍和高倍聚光太陽電池兩大類，其太陽能能量轉(zhuǎn)換效率可達 30%～40%，整個裝置的轉(zhuǎn)換效率為 17%～25%。太陽電池性能比較詳見表1。

表1 太陽電池性能比較

在使用壽命相同的情況下，多晶硅太陽電池不僅是商業(yè)效率還是實驗室效率都比其他電池要高。同時張家口張北縣光伏電站建筑施工面積較大，適合大面積鋪設(shè)太陽電池，所以該光伏電站采用多晶硅太陽電池進行分布式光伏發(fā)電。

3.2 電量計算

本工程采用多晶硅組件，單片容量 300Wp。根據(jù)本工程20MWp 的容量要求，根據(jù)多晶硅電池組件參數(shù)的參數(shù)計算，經(jīng)過串、并聯(lián)計算，確定18塊為一串，每1MWp 為一個單元，布置186串，共3348塊光伏組件；20MWp 共布置 66960塊光伏組件。按固定不可調(diào)支架以及傾角38°計算，斜面上的年平均太陽輻射為1968kWh/m2，則斜面上峰值日照小時數(shù)為1968h，該光伏電場理論發(fā)電為20.088×1968MWh ＝39533.184MWh，即20.088MWp裝機規(guī)模下，固定不可調(diào)支架形式電池板理論年發(fā)電量約為 39533.184MWh。

當(dāng)然在實際的生產(chǎn)發(fā)電過程中，因為電池的損耗以及太陽光照的具體情況不一樣，發(fā)電量數(shù)據(jù)可能與計算值有一些出入，所以也要充分結(jié)合光伏電站的實際情況進行發(fā)電量的計算預(yù)估。年衰減以及年平均發(fā)電量測算詳見表2。

表2 年衰減以及年平均發(fā)電量測算

由表2可知，張家口張北縣光伏電站多晶硅太陽電池的發(fā)電量隨年份增長逐漸減少，利用小時也在縮減。因為電池?fù)p耗和實地情況，導(dǎo)致發(fā)電量并沒有達到預(yù)期的發(fā)電量。同時在實際調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，由于分布式光伏電源是利用太陽能轉(zhuǎn)換為電能從而向客戶輸送電力，這就導(dǎo)致在每天進行電力生產(chǎn)輸送時會形成高峰期，高峰期的時候光照充足的話，分布式光伏電源可以穩(wěn)定進行電力供給，但如果光照不足且配電網(wǎng)產(chǎn)生故障，分布式光伏電源就無法正常進行電力的生產(chǎn)和輸送，嚴(yán)重影響居民生活。

以張北20MWp 光伏并網(wǎng)應(yīng)用實例為對象進行研究分析。首先對河北張家口張北縣的太陽能資源進行了分析，然后進行了總體方案設(shè)計及發(fā)電量計算，包括光伏組件選型計以及電量計算。希望對之后國內(nèi)使用分布式光伏電源并網(wǎng)提供一些參考依據(jù)。

4 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)運行安全的影響

4.1 對配電網(wǎng)運行安全的影響

我國配電網(wǎng)主要采用的都是中低壓類型，在面對大規(guī)模分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的情況下，很容易造成配電網(wǎng)運行的失常，導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題，不利于電力的生產(chǎn)。例如，配電網(wǎng)往往是先于分布式光伏電源系統(tǒng)安置的，之前設(shè)計人員不會考慮到后期會接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，這就可能導(dǎo)致大面積的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，因為負(fù)荷過重影響配電網(wǎng)工作，嚴(yán)重的可能直接導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。分布式光伏電源規(guī)模大、環(huán)節(jié)多，單獨依靠技術(shù)人員進行人工控制管理難免會出現(xiàn)遺漏，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)問題，所以需要對配電網(wǎng)采取自動化管理，保障配電網(wǎng)的正常運行。

4.2 對配電網(wǎng)檢修維護安全的影響

孤島效應(yīng)是分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)并網(wǎng)時經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，孤島效應(yīng)對于用電客戶影響較小，但會極大阻礙電力設(shè)施設(shè)備檢修人員的工作進度。在產(chǎn)生孤島效應(yīng)之后，配電網(wǎng)中的保護設(shè)備很難及時發(fā)現(xiàn)孤島現(xiàn)象，而沒有關(guān)閉分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送電力的開關(guān)，從而導(dǎo)致維修技術(shù)人員在進行配電網(wǎng)的日常檢修中發(fā)生安全事故的概率大大提高。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生孤島效應(yīng)，也會對于相關(guān)的電力設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。同時由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，由于線路接口多，光靠人工進行檢修維護也是比較困難的。

4.3 對計量安全的影響

在實際的分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中，客戶往往增加一個單獨的電能計量表，這種私自安裝的電能計量表很不穩(wěn)定，而且非常容易遭到竊電。當(dāng)前分布式光伏發(fā)電主要適配的是中低壓的配電網(wǎng)。竊電的行為如果不加以制止，會對用戶的用電產(chǎn)生影響，也會最終對國家管理電力的成本造成嚴(yán)重?fù)p失。

5 保障配電網(wǎng)安全運行的相關(guān)措施

5.1 配電網(wǎng)安全運行對策

通常來說，分布式發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸入的電力大多都在規(guī)定電流的1.5倍以內(nèi)，配電網(wǎng)下游發(fā)生短路后，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送的電流也會減少，從而緩解下游短路的故障。所以在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)中低電壓的設(shè)施設(shè)備可以保持原有狀態(tài)，不進行額外的調(diào)整。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)接入數(shù)量大大超過配電網(wǎng)的安全運行限度，會對配電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生影響，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。因此，在具體的電力生產(chǎn)過程中要特別注意光伏發(fā)電系統(tǒng)在中低壓配電網(wǎng)中的接入情況。

同時針對容易發(fā)生孤島效應(yīng)導(dǎo)致電力設(shè)備出現(xiàn)安全問題的現(xiàn)象，可以采用國家規(guī)定的脫網(wǎng)系統(tǒng)解決，即分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象后兩秒之內(nèi)停止向配電網(wǎng)輸入電流，達到從根本上解決孤島問題的效果。在具體的操作過程中，可以充分利用重合閘來延長時間，提供更充足的時間給之后電力保護等系統(tǒng)啟動和反應(yīng)，從而及時處理配電網(wǎng)電流輸送時出現(xiàn)的問題，保障配電網(wǎng)的安全運行。

5.2 配電網(wǎng)檢修安全對策

配電網(wǎng)需要定期對其進行檢修維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理配電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的安全隱患，為配電網(wǎng)的安全運行保駕護航。

國家制定了對于分布式光伏發(fā)電以及配電網(wǎng)的檢修標(biāo)準(zhǔn)和流程，但在實際操作中由于電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜情況常常達不到規(guī)定的檢修標(biāo)準(zhǔn)。在對配電系統(tǒng)進行檢修維護時不僅要嚴(yán)格遵循國家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還需要根據(jù)電力系統(tǒng)運行的實際情況精準(zhǔn)地配電網(wǎng)中隱藏的安全問題，從而及時解決處理，保障電力的正常供給。這就要求檢修人員必須具備相關(guān)資質(zhì)和工作經(jīng)驗，否則對于出現(xiàn)的安全問題不夠了解，也無法及時解決電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障，嚴(yán)重影響分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)和配電網(wǎng)的正常運行。

針對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的孤島現(xiàn)象，在維修人員進行電網(wǎng)檢修、維護之前就需要做好保護設(shè)備的檢測，保證保護設(shè)備在出現(xiàn)孤島效應(yīng)后可以完成保護功能。也可以在分布式發(fā)電系統(tǒng)中安裝負(fù)控設(shè)備，在進行檢修過程中出現(xiàn)孤島效應(yīng)后可以對保護設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制，從而減少安全事故發(fā)生的概率，保障檢修人員的人身安全和電力設(shè)施的正常運行。

5.3 計量安全對策

當(dāng)前一些用戶存在僥幸心理，缺乏對于竊電行為的認(rèn)識，經(jīng)常在分布式發(fā)電并網(wǎng)中安裝獨立的電力計量表，這種私自安裝的電能計量表很不穩(wěn)定，非常容易遭到竊電。電力的大規(guī)模被竊，會導(dǎo)致國家維護電力的成本大大增加。所以相關(guān)部門需要對廣大人民群眾進行宣傳教育，讓用電的客戶、業(yè)主充分了解竊電行為的性質(zhì)以及相關(guān)的處罰措施，從根本上斷絕用戶竊電的想法。其次可以制定標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置報警裝置，如果用戶電流計量超過標(biāo)準(zhǔn)值，報警裝置就會發(fā)出信號，讓開展竊電行為的用戶得到相應(yīng)的處罰。最后還應(yīng)該健全分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)中電流計量監(jiān)測系統(tǒng)，隨時對用戶用電計量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，對于電流計量有問題的用戶要更加關(guān)注，監(jiān)測其是否具有竊電行為。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，城市發(fā)展建設(shè)對于環(huán)境的破壞、污染問題也日益嚴(yán)重。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要通過轉(zhuǎn)換太陽能成為日常電流，一般不會產(chǎn)生污染，具有清潔、可再生的特性。雖然分布式發(fā)電具有許多優(yōu)點，但是由于國內(nèi)利用分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)還不夠成熟，所以在配電網(wǎng)中接入分布式光伏電源產(chǎn)生了一些問題。本文主要研究分析了張家口張北縣光伏電站使用的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的具體應(yīng)用情況，對其中使用的太陽電池以及電站整體發(fā)電量進行數(shù)據(jù)整理，并根據(jù)日常分布式光伏發(fā)電可能出現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的解決措施。