分布式光伏接入技术在电网中的实践应用

颜阳委

（东莞电力设计院 广东东莞 523413）

分布式光伏接入技术在电网中的实践应用

颜阳委

（东莞电力设计院 广东东莞 523413）

近年来虽然国内外在分布式供电的计算仿真、并网标准、分布式供电技术的试验、分布式电源的设备测试、分布式供电对电能质量的影响等方面取得了很大进展。但在分布式电源的运行控制、配电网规划、虚拟电厂、继电保护、通信技术、能量管理等方面处于刚刚开始阶段，虽然已经取得少许成果，但离广泛实际化应用还存在很大距离。本文从具体工程实施角度出发，重点研究光伏发电在广东东莞地区的接入系统设计方案。依托实际工程，提出实际应用中可能碰到的问题并提出解决方案。

分布式；工程实施；光伏发电

1 引言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，能源短缺、能源安全以及环境保护等方面的问题日益突出，如何加快可再生清洁能源的发展和高效利用已成为我国能源领域的重点发展战略之一。分布式发电技术为风能、太阳能等可再生能源以及天然气、氧气等环境友好型能源的高效利用提供了有效的技术手段；同时，分布式电源可与大电网互为备用，提高了供电的可靠性和安全性。

然而，随着分布式电源并网容量的不断增长，分布式电源对电网带来的影响也日益严峻和凸显。在电网故障情况下，分布式电源并网点电压会发生跌落或抬升，甚至并网点的频率也将发生异常。因此，电网故障会给分布式电源机组带来较为强烈的暂态过程，出现过压、过流等现象。在以往分布式电源并网容量有限的前提下，为了保证电网故障情况下分布式电源机组的自身安全，同时避免分布式电源接入对电网保护与控制带来的影响，IEEE 1547-2003规定：当电网发生故障或扰动时，分布式电源应迅速脱网。但上述规定在很大程度上降低了分布式电源的利用率，且难以实现故障紧急情况下对电网的电源支持，削弱了分布式电源提高供电可靠性的优势。同时，目前分布式电源的并网容量已经达到了较高的水平，且在未来还会继续增长，若分布式电源仍不具备抵御电网故障的能力，一旦电网发生故障就迅速脱网，则会进一步加剧功率失衡，危及电网的稳定运行。

2 光伏发电原理

根据光生伏特效应，太阳能电池板能够吸收光子产生电动势进行发电。太阳能光伏阵列通过吸收光能，发出直流电流，直流电流转化为交流电流之后，通过变压器或者直接接入电网系统，光伏并网发电原理如图1所示。

图1 光伏并网发电原理图

对于光伏电站容量较大的，例如整个系统由很多光伏模块组成的兆瓦级大系统，利用大系统来控制方案从而使全部逆变器能够并联运行。另外各子系统之间受某一特定的中心系统指挥控制，相互之间通过协作运行来达到统一调度控制的结果。由于运行环境的状况改变，变压器和逆变器会设计成几种方案，由此通过通讯系统的调度，解决了由于日照强度高低变化所引起的效率问题，保证系统可靠、及时、高效的运行。通过直流配电柜-逆变器-交流配电柜之间的配合将光伏阵列接入电网。同时整个过程需要监控系统辅助完成。图2为一种典型的地面电站并网系统示意图。

图2 地面电站并网系统示意图

3 分布式光伏发电的特点

（1）输出功率较小，分布式光伏电站项目的容量一般不超过数千千瓦。光伏电站容量的多少与发电效率的关系不大，这与高电压的电站有所不同，因此对其经济性不会造成很大的影响，但是与大型电站相比，小型光伏电站的投资收益率并不一定低。

（2）突出的环保效益，对环境的污染、破坏小。利用太阳光能分布式光伏电站项目得以运行，在运行中噪音低，不会产生污染和破坏空气、水等资源物质。

（3）有效的缓解了部分地区用电紧张的状况。不过由于分布式光伏发电的能量密度相对较低（系统的功率仅约100W/m2），其次能够用于光伏发电的建筑屋顶面积是有限的。这样导致不能根本性的解决用电紧张的问题，只能起到部分缓解的作用。

（4）发电用电能够并存。通过升压接入输电网，大型的地面电站发电得以进行；对于分布式光伏发电来说，采用接入配电网，发电用电并存的方法，尽可能地达到就地消纳的效果。

4 电力分布式光伏发电接入系统设计

4.1 光伏系统设计原则

4.1.1 分布式光伏电源接入配电网的准入容量

根据所接入配电网的特性和光伏电站的安装容量，决定分布式光伏电源的并网点。一般来说，并网点的选择与至上级变电站线路总长度和参数、区域配电网的电网结构和运行方式、光伏电站的安装容量有着密切关系。尤其当大量光伏电站并网之后，随着光伏电站出力的变化，配电网的潮流将重新分配。目前配电网接线模式主要有电缆网络的架空线路多分段多联络网、双电源单n接线及双电源双n接线。根据光伏电源并网后的情况综合考虑，区域配电网的电压质量、电压稳定、谐波注入量以及可靠性等多方面的要求，通过合理的控制接入电源的安装容量和电压等级，使光伏电源对区域配电网的冲击能够有效降低。应根据当地配电网的系统参数、运行工况和实际网架结构来选取光伏电源的渗透率。经过多次仿真计算，在一般情况下，东莞地区的光伏电站专线接入的是400V、10kV公用电网，光伏电源安装的容量应小于上级变电站中最小单台变压器额定容量的15%；光伏电站T接入10（20）kV公用线路，其总安装的容量应小于该线路最大输送容量的30%。并网电压等级如表1所示。

表1 光伏电源并网电压等级

4.1.2 结构轻巧而稳定原则

稳定的结构不仅能够保证安全，而且也能产生出一种所特有的稳定结构的美感，失稳的结构会让人觉得有危机感，造成紧张的氛围，给人一种很不愉悦的感觉。但过于粗放、保守的设计又显得累赘、笨拙，缺乏灵气，也会使人不愉快。

4.1.3 环保节能原则

在该工程中光电技术的主要应用在光伏屋顶上。发电是其主要功能，特别是太阳能电池发电，既不会产生对温室效应有害的气体或排放二氧化碳，也没有噪音，是一种洁净能源，环境友好型能源。因此它严重影响着整个建筑的环保节能性能。

4.1.4 拆卸更换、维修方便的原则

当太阳能屋顶的某个局部受到损害时，组件板块灵活方便地进行拆卸更换，与系统的功能保持良好，结构保持原样等因素密切相关。因此在结构设计时必须要求可方便更换，且不能影响发电系统的正常使用。

4.1.5 经济性原则

在以上原则得到充分保证的前提下，要充分考虑系统的效益性、经济实用性，使发电系统的经济实用价值有所提高。确保资金投向合理，在符合国家规范的前提下，材料的合理使用是十分必要的，只有合理地、巧妙地使各材料的相关特性得以发挥，才能达到最大的经济利益。在该工程中，精心研究、集中优势。

4.2 接入系统方案和建设规模

（1）接入系统方案

并网光伏发电系统由太阳能电池组件（方阵）、交/直流配电系统（箱、柜）、带MPPT、防雷系统的并网逆变器等器件组成。该项目中楼顶光伏阵列将太阳能转换为直流电流，然后通过线缆将电流传送到与之相连接的逆变器的直流输入端；通过采用MPPT（最大功率跟踪）技术，逆变器使光伏阵列保持在最佳输出状态，同时将直流电转换成为与电网相位和频率都一样的交流电流，从而达到符合并网发电的要求；经配电箱输出沿电缆沟将每一台逆变器输出的380V交流电，送至现有的低压配电室后并网。光伏并网逆变器具有通讯和数据采集功能，能够检测电网的频率、电压、功率因数、逆变器输出电流等侧运行参数，及太阳福射温度、强度等环境参数。

（2）建设规模

东莞市石碣镇台达电子（东莞）有限公司分为一期和二期工厂，本工程拟利用一期和二期厂区共建设分布式光伏约2MWp。其中利用一期厂区的冲压车间和物流中心屋顶安装744.6kWp光伏发电系统，利用二期厂区的三厂和四厂，钜达厂及停车棚安装1168.65kWp光伏发电系统，均采用用户侧0.4kV并网方式，自发自用为主，供应厂区生产、照明和空调系统部分电力，少余电量上网。

图3为一期工厂的物流中心的光伏发电接入系统图。

4.3 主要设备选型

4.3.1 太阳能电池组件

电池是太阳能光伏系统中最重要组成部分，是电池主要负责收集阳光。把很多的电池合在一起就构成了光伏器件。光伏器件又可以分为单晶硅、多晶硅和非晶硅组件。其中单晶硅器件具有较高的电池转换效率、稳定性，但是其成本昂贵。多晶硅器件具有较高的生产效率，但其转换效率低，优点是成本不高。非晶硅器件的优点是简单的生产工艺，较高的生产效率，最低的生产成本，缺点是转换效率不高。与晶体硅相比，非晶硅光伏器件具有比较好的弱光性，较长的日发电时间，但受目前市场的局限，计算专用于非晶硅发电量的软件及公式还没有问世。经过比较以上电池器件的各方面性能，本项目决定选择275Wp多晶硅太阳能电池组件。

图3

表2 太阳能电池组件参数

4.3.2 逆变器的选型

本工程所建设的光伏发电系统采用带功率流向检测的并网模式，光伏系统所发电能由楼内用电设施就地消耗。逆变器选用最大直流输入功率175kW，电网工作电压范围380（±10%）V，电网工作频率范围50（± 0.5）Hz，功率因数>0.98，电流总谐波畸变率THD<3%。

4.4 光伏并网要求

（1）有功功率

全部装机容量指的是小型光伏发电系统10min内，有功功率变化的最大限值，1min内有功功率变化最大限值为0.2MW。

（2）无功功率

当有功功率大于额定功率一半时，功率因数大于0.98，输出有功功率在20～50%之间，功率因数大于0.95。

（3）电压范围

按照表3要求的时间停止向电网线路送电。

表3 电网电压异常时的要求

（4）频率范围

并网点频率超过49.5～50.2Hz范围时，应在0.2s内停止向电网线路送电。

5 结束语

本文通过东莞地区分布式光伏发电接入系统的设计，结合国家现有的分布式光伏接入技术的经典设计案例，针对分布式光伏接入对系统带来的影响，详细分析了分布式光伏发电接入技术系统的设计方案。由于条件和时间有所限制，本文只研究了光伏发电站直接接入380V电网，仍需要进行进一步的研究完善直接接入10kV电网方面的工作，另外分布式光伏在不同的方式接入、不同的电压等级对电网的综合性影响将是同行今后的主要研究方向。

最后，以前期试点工程为基础，分布式光伏接入技术的发展应形成一定的施工及运行经验，并分析总结运行中的项目，从而解决实际中突发的问题。同时发布与分布式光伏发电相关的技术、运维、设计、试验等方面的标准，循序渐进的推广分布式光伏发电在电网中的大规模接入。

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[3]袁建华.分布式光伏发电微电网供能系统研究[D].山东大学，2011.

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2016-5-12