分布式光伏并网发电系统的发展应用

分布式光伏并网发电系统的发展应用

吴昊

国能太仓发电有限公司 江苏省 215433

摘要：近年来，光伏发电技术在世界范围内快速发展。根据国家能源局数据，2014—2019年，中国光伏发电累计装机容量逐年增长，新增装机容量呈现先增长后下降的趋势。2019年，全国光伏发电累计装机容量达到20 430万k W，同比增长17.3%。截至2020年6月底，中国光伏发电累计装机达到2.16亿k W，其中集中式光伏发电1.49亿k W。目前太阳能应用技术已经发展到了一定的水平，但太阳能电池的应用规模依然非常有限。所以除了集中的太阳能电站外，还要加强分布式太阳能的利用，让绿色建筑以及多种太阳能的利用能够发展起来。

关键词：分布式光伏；并网发电系统；发展应用

随着全球化石能源储量减少和环境污染加剧问题,人类需要寻找到替代传统化石能源发电的新型、清洁、可持续利用的发电模式，光伏发电系统具有清洁无污染、可持续利用的特点,越来越受到国家和各企业单位的重视。根据光伏发电系统工况点,控制系统使光伏系统工作在当前最大输出功率处称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制,光伏发电系统首先经过直流稳压,通过逆变器转变为交流电能。受光照强度和现场温度影响,光伏发电系统输出功率呈现随机间歇性,需并网跟踪控制实时调节并网参数,这是光伏系统并网发电中的核心环节。

1 并网光伏发电系统的设计

1.1 光伏发电系统的容量设计

光伏电池组件利用光电效应将太阳能转变成直流电，经逆变器逆变后，根据光伏电站容量与Q/GDW 1617—2015《光伏发电站接入电网技术规定》来确定光伏电站接入电网的电压等级，可以直接接入或者由变压器升压后接入公共电网。

对于按照分布式发电管理的光伏电站，它的装机容量可以根据电站的场地面积来确定，也可以根据业主的用电需求来确定，还可以根据业主拟投入资金量来确定。这几种方式可以灵活运用，但是第二种方式，可以通过精确的设计实现投资收益的最大化，尤其对于工商业屋顶电站来说，收益较户用电站投资收益高60%以上，投资回收期大大缩短。因此，大型工业厂房、商业建筑、体育场馆、学校医院等公共建筑屋顶光伏电站的开发在中国具有较广阔的市场。农村及乡镇自有房屋可根据屋顶面积及结构形式安装小规模屋顶电站，国家通过出台光伏扶贫政策、银行贷款和引进社会资金等方式推广屋顶光伏电站的投资和建设。电站装机容量可以用电脑软件或者手机APP进行设计和仿真。大型地面电站的装机容量，需要结合地形地貌和地质结构做详细设计，尤其在荒山荒坡和丘陵地带，由于地势起伏，每一位置的朝向不同，设计和排布组件的工作非常复杂。

1.2 并网光伏电站的逆变器选用

光伏组件装机容量确定后，需要依据容量选择并网逆变器。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心机构，它的作用是将光伏阵列生产的直流电能转变成AC220 V或者AC 380 V的电能，同时跟踪电网电能的电压、频率、相位等参数。日照变化的不稳定，会导致直流电流及直流电压的瞬时变化，逆变器通过跟踪最大功率技术，实现输出电能的稳定。另外，为了保证安全工作，逆变器还应具备一定的保护功能以及防孤岛效应的监测与控制功能。逆变器首先用传感器对交流电网的参数进行监测，然后将采样结果传送给微处理器的A/D转换器，处理器将处理结果与采样的电流信号进行对比，将得到的偏差经过PID调节后送到PWM脉宽发生器，保证汇入电网电流的功率因数近似等于1。为了实现对光伏系统最大功率点的跟踪，同样需要用传感器对光伏系统输出的电压和电流数据进行测量，将测量结果相乘即可得到光伏系统的输出功率，然后通过PWM调节输出占空比来达到跟踪最大功率的目的，在得到稳定的直流电后，再经过电力电子器件逆变转换和高次谐波过滤，经过电流源的跟踪控制后汇入交流电网。

1.3 电气设计

电气设计分为一次部分设计和二次部分设计。

一次部分设计应包括电力电量平衡、建设的必要性及其在配电网中的地位和作用、电压等级与接入电网方案、潮流计算、短路电流计算、无功补偿、电能质量、方案技术经济分析和电气参数要求等。

二次部分设计应包括系统继电保护、自动控制装置、调度自动化、电能量计量装置及电能量远方终端和通信系统。

技术指标应符合现行国家标准GB/T 29319—2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》的有关规定。

光伏电站监控设备是电站运行的统一管理平台，它将光伏电站的逆变器、汇流箱、辐照仪、气象仪、电表等设备通过数据线连接起来，对这些设备进行数据采集，并将数据上传到网络服务器或本地电脑，使用户可以在电脑或者手机上实时查看相关数据，方便电站管理人员和用户对光伏电站运行数据的查看和管理，无需到现场逐台查看设备状况，大量节约人力成本，更有利于进行数据汇总、曲线生成、数据分析等，便于远程管理。

1.4 系统接入电网设计

国家能源局对6 MW以内光伏电站实施电力业务许可豁免政策，项目不纳入电力业务许可管理范围。电站业主向当地电力公司申请，由电力公司出具并网方案即可并网。6 MW以上的都必须由省电力勘探设计院出具接入方案，由电力公司召集专家进行评审才能接入电网。

光伏并网逆变器输出电压为交流380 V，根据并网点的电压确定升压方案，选择升压变压器。保护配置采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护变压器。

1.5 并网光伏电站的支架设计

光伏电站的支架分为固定式支架和跟踪式支架。固定式支架不能跟随日照的相对位置而改变对日仰角，应该根据电站的纬度采取一定的倾斜角度安装，以保证光伏组件全年获取较大的辐照量。跟踪式支架分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪可以随季节变换而改变对日仰角，双轴跟踪除了改变仰角之外，还可以随日出日落而改变每一个时段的角度，以保证每一时刻都面向阳光，最大限度地获取辐照量。据计算，采用最佳倾角单轴跟踪可以提高年总发电量的26%，双轴跟踪可以提高全年发电量的32%。支架的设计应满足GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》的规定，在选用材料、结构方案和构造措施的过程中，以及在运输、安装和使用的过程中，满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求。

2 提高光伏电站运维的措施

2.1 日常维护两大技能

(1）通过智能电能表对光伏电站进行基本判断。对光伏电站的日常维护，运维人员首先要学会观看智能电能表，并通过智能电能表对光伏电站数据进行统计，以及对运行是否存在故障进行基本判断。主要是通过电能表屏幕显示判断有无市电，通过电能表统计该电站发电能量。

(2）通过逆变器对光伏电站进行基本判断。运维人员还要学会观看逆变器显示数据，通过显示数据统计逆变器序列号，统计该电站发电能量及功率，通过故障灯判断电站的运行状态，通过故障代码初步判断故障类型及原因，及时反馈给运维单位，并根据指令做出基本的操作。

2.2组件维护

(1）定期检查组件，检查外露的导线有无绝缘老化、机械性损坏；组件和支架应结合良好，压块应压接牢固。若发现问题应立即联系调整或更换组件（如组件外观存在玻璃破碎，接线盒变形、扭曲、开裂或烧毁，接线端子无法良好连接等）。

(2）保持组件表面清洁。组件积尘和积雪，长时间不清洗或清洗不到位，会导致太阳能电池板下端积灰，使太阳能电池板出现内部严重黑痕、热斑，导致发电能量严重不足，甚至会引发火灾。清洗一般分手工清洗、高压水枪清洗、喷淋清洗、专业清洗设备清洗等。清洗组件应注意以下事项。

清洗时间。一般选择清晨或者傍晚光照不太强的时段清洗。因为清晨或者傍晚太阳光较弱，电能量损失小。同时可以避免强光下人为阴影使太阳能电池板发生热斑效应，避免强光下高电压、大电流可能对人体造成的伤害。

清洗周期。可根据组件的脏污程度确定清洗周期，一般每月清洗1—2次，灰尘较多的地方可酌情增加次数。

2.3 逆变器维护

逆变器不应存在锈蚀、积灰等现象。逆变器的散热环境应良好。逆变器运行时不应有较大振动和异常噪声。逆变器上的警示标志应完整无破损。逆变器风扇自行启动和停止的功能应正常，风扇运行时不应有较大振动及异常噪音，如有异常情况应断电检查。要注意逆变器温度、声音和气味等是否异常。当环境温度超过40℃时，应采取避免太阳直射等措施，防止发生超温故障，延长其使用寿命。逆变器因保护动作而停止工作时，应查明原因，修复后再开机。定期检查逆变器各处接线有无松动，发现异常立即修复。通过逆变器查看功率曲线、日发电能量、总发电能量，以及通过故障代码判断故障。

2.4 配电箱维护

熟悉各电气设备的功能和工作原理，牢记配电箱各电气设备相关参数。配电箱不得存在变形、锈蚀、漏水、积灰现象，箱体外表面的安全警示标志应完整无损，箱体上的锁应启闭灵活。配电箱内断路器开关状态正常，各接线端子不应出现松动、锈蚀、变色现象。设备运行无异常响声，运行环境无异味，测量与计量表计显示正常。

2.5 支架维护

所有螺栓、支架连接应牢固可靠。支架表面的防腐涂层，不应出现开裂和脱落现象，否则应及时补刷。支架要保持接地良好，每年雷雨季节到来之前应对接地系统进行检查。主要检查连接处是否坚固、接触是否良好。在台风、暴雨等恶劣天气过后应检查光伏方阵整体是否有变形、错位、松动。用于固定光伏支架的膨胀螺栓等不应松动。采取预制基座安装的光伏支架，预制基座应放置平稳、整齐，位置不得移动。支架下端如在屋面固定，应定期查看屋面防水是否完整可靠。

2.6 防雷接地维护

防雷接地系统焊接点锈蚀、接地外露部分油漆脱落时及时除锈补漆。组件、支架与地面和屋面接地网的连接应可靠；光伏方阵接地应连续、可靠，接地电阻应小于4Ω。雷雨季节到来之前应对接地系统进行一次全面的检查和维护，检查连接处是否坚固、接触是否良好，发现问题及时处理；对防雷模块进行检测，发现问题模块及时更换处理。

3 光伏发电产业发展建议

3.1 政策需求

加强配套电网建设。光伏发电系统的建立、输出需要与之相适应的配套设施，所以，需要政府与电网企业沟通，加强与光伏发电相适应的电网建设和改造，保障配套电网与光伏发电项目同步建成投产。

完善土地支持政策和建设管理。山西省以山地、丘陵为主，占全省总面积的80%，因此，可利用山西省特殊的地形优势，结合省内阳光充足的特点，将不适宜发展农业与工商业的废弃矿山、荒地等充分利用起来，大力提高省内土地的有效利用率，并对一定发展规模的优势项目给予合理、优惠的土地利好政策。

加大财税政策支持力度。在光伏产业尚未完全成型的特殊时期，政府应在财税政策方面对其予以支持，减轻光伏产业的负担，降低生产成本，让企业有更多资金可以投入到发展与科研中，形成一个良性循环。

3.2 产业发展

开拓国际市场、建设国内市场。国外主要发达国家已有完善的光伏产业与市场，鼓励国内企业搭建对外交流平台，积极学习并逐步参与进国际市场中，建立行业进出口规范和标准，支持自有品牌、科技含量高、财务状况好的光伏企业出口创汇，促进光伏企业在国际化发展的同时积极扩大内销市场。

大力支持用户侧光伏应用。国内实体经济正在经历转型发展，向着经济质量优势方向发展，节能减排成为必然需求，因此，支持用户侧分布式电源建设，充分利用剩余空间，满足了自身用电需求，降低了对电网的依赖度，节约经济投入。同时，还可将多余电能补充至京津冀地区及河南地区，减少京津冀地区的火力发电站，促进京津冀协同发展生态环境保护规划的完成。发展闲散用户，鼓励个体用户安装小型光伏设备，满足家庭所需用电。

3.3 科研创新

光伏产业作为一个新兴行业，必须重视科技创新工作，不断加速研发，遵循“人无我有，人有我优”的原则，发展出自己的核心技术，提高企业产品的竞争力，才能在国内甚至国际市场中占有一席之地。所以，光伏企业应充分利用新兴科技企业的优势，大力吸收科技、管理、销售人才，并结合山西省现有光伏产业的发展特点，依靠技术、地理优势，合理选择技术路径和产业路线，组织科研攻关力量解决光伏发电系统关键技术问题，重点解决光伏应用工程中存在的技术难点，以提升省内企业的核心竞争能力，提高技术和装备水平。

总之，国家在“十四五”期间将坚持清洁低碳战略方向不动摇，加快化石能源清洁高效利用，大力推动非化石能源发展，持续扩大清洁能源消费占比，推动能源绿色低碳转型。而分布式光伏发电作为绿色环保的发电方式，符合国家能源改革以质量效益为主的发展方向，发展前景广阔。

参考文献：

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[2]吴治坚,叶枝全,沈辉.新能源和可再生能源的利用[M].机械工业出版社,2007.

[3]向磊.全球光伏产业发展现状及趋势[J].世界有色金属,2010,8.