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浅谈分布式光伏发电

发布时间:2016-5-20 15:06:19

分布式光伏发电作为新型能源,在未来发展具有很广阔的前景。文章结合目前分布式光伏发电实际发展情况,介绍了光伏发电原理、光伏电源对配电网的影响及系统保护配置等,并具体介绍了分布式发电并网调度管理的运行步骤。


人们在长期利用能源的过程中,利用化石资源如煤炭、天然气和石油等化石时期仅是一个很短的时期,然而燃烧化石能源所排出的二氧化碳和含氧硫化物,直接导致了地球温室效应和酸雨的产生,化石能源的大量开发利用是造成人类生存环境恶化的主要原因之一,人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战,化石能源被新能源取代是历史的必然。因此,在有限资源和环保要求的双重制约下,人类应未雨绸缪,及早寻求替代能源,这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源,太阳能就是可再生能源的一种。


太阳能就是可再生能源比较理想的一种。太阳能比较丰富,是地球上目前已探明能源储量的一万倍左右,我国的太阳能能源比较丰富,光伏发电是开发利用太阳能的主要途径。光伏发电具有无枯竭危险、安全可靠、无污染、无噪声的优点,绝对干净(无公害),不受资源地理位置限制,能量随处可得,不需消耗燃料,规模设计自由度大,可就地使用,易储存,还可以方便地与建筑物相结合,无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电等,建设周期短,可无人值守,使用者从感情上容易接受。


1 光伏发电原理


通过光伏发电的原理是利用光伏效应在半导体如单晶硅、多晶硅、非晶硅等介质,将光能经过系列转换,产生电能的发电方式,与燃煤发电、水电、核电等传统发电技术比较,光伏发电不需要过渡过程来转变为电能,从太阳能到电能输出不耗费能源,不排放二氧化碳、二氧化硫等温室气体,同时没有废水和废气排出,没有机械旋转部分等噪声污染,机械损耗也不存在,不必使用冷却水进行发电;不对环境进行污染;发电设备采用模块化结构布置,规模不受限制,运行维护和管理简单,维护成本极低,可实现无人值守。发电设备不单独占地,既能在城市的屋顶和墙面安装,也可在无水的荒漠地带安装;光伏发电是太阳能利用的主要形式,也是最具发展前景的发电技术。


近年来,全球光伏已成为全球最受重视的新能源发电技术,产业发展很快,以年均20%以上的速度快速增长,随着光伏生产电池技术进一步提高,很多制造电池原材料价格的大幅下降,光伏电池发挥效率逐步提高,总之光伏发电所产生的成本在不久的将来成下降趋势已在所难免。随着太阳能光伏发电建设成本下降,制定光伏发电所需要的并网技术标准以及并网运行管理经验提上议事日程,因为目前尚缺乏行之有效的技术标准和规范准则。


太阳能光伏发电方式有很多种,最终途径是产生电能,目前采用比较多的是光电直接转换方式,另外一种是光热电转换方式由于成本较高,在实际用途中不常采用用,下面对这两种转换方式分别进行介绍。


1)光热电转换方式也叫做聚焦型太阳能热发电,通过各种物理方式利用太阳辐射产生的热能来发电,一般是由太阳能集热器把太阳能直射光聚焦发热,将所吸收的热能将水介质转换成高温高压的蒸汽,高温高压蒸汽再驱动汽轮机热电转换进行发电。太阳能热发电分为光热转换过程和热电转换过程,与普通的燃煤发电机组相比,太阳能热发电同样具有效率低成本高的缺点,投资成本是普通燃煤机组的5倍以上。


2)光电直接转换方式是将太阳能直接转换电能的常见形式,主要原理是光电效应,其配套装置主要通过太阳能电池来实现,太阳能通过光伏效应,直接转化为电能,实现此功能器件即太阳能电池,其核心部件是用半导体元件制作的一个光电二极管,当光能照射在太阳能电池上时,太阳光通过光电二极管转变成电能,电压形成回路产生电流。足够多的太阳能电池组合起来,通过串联、并联或混联形式形成太阳能电池方阵,产生足够大的电流,从而输出较大的输出功率。太阳能电池前景比较广阔,是我们常见的新型能源,太阳能恒久不衰,太阳能电池作为一次性投资,使用寿命较长至少10年以上,实践证明,太阳能电池有永久性、可操作性、灵活性等优点。


光伏系统按照接入电网不同分为:公共电网并网光伏系统和用户侧并网光伏系统,具体实例见图1:


2 光伏发电系统保护配置


分布式光伏发电保护配置分为三个方面


1)逆变装置至电网间交流保护配置。接收光伏电站并网线路的电网侧主要配置主保护及后备保护,主保护具有零秒速动性,能快速切除故障,后备保护是相邻或下级出现故障时带时限切除的一种保护,光伏电站侧只配置主保护,一般后备保护不进行配置。逆变器是光伏电站并网关键部分,其保护和检测功能应完善齐备,根据负荷端至电网系统侧模型,对电网系统至逆变器之间的保护进行合理配置至关重要的部分。


2)逆变装置保护配置。光伏电站需具备一定的过电流能力。


当电网系统中发生短路故障时,光伏电站保护进行自动检测,其向电网系统输出短路电流,不应超过额定电流的2.5倍。光伏电站应至少设置一种主动和被动防孤岛保护,若光伏电站为孤岛方式,防孤岛保护应能快速检测,通过逻辑部分执行与电网断开连接,防孤岛保护方式有很多种分类,比较常见的有被动式和主动式2种,此两种方式必须同时具备,被动防孤岛保护方式主要有电压相位跳动、频率变化率、三次电压谐波变动等;主动防孤岛保护方式主要有电流脉冲、无功功率变动、有功功率变动、频率偏离注入引起阻抗变动等。


3)光伏板至逆变装置间直流保护配置。逆变器装置至太阳能光伏板之间配置直流保护,通常采用空气开关来实现,因逆变器靠近电网系统侧已装设逆变器保护,在另外一侧不需装设,只需在光伏板侧配置直流保护。因光伏板需要特殊材料才能制作,负荷电流较大时,以设定最大额定电流为限值时,光伏板会出现板面破裂、鼓肚的情况现象发生,则此空气开关必须采用高精度材料制成,方能有效满足逆变装置至光伏板之间直流保护的工作要求,光伏板最大额定电流是直流开关开断电流整定依据,严格按照满足最大值时进行选择。


3 光伏发电对配电网的影响


众所周知,光伏产业在我国近几年发展非常迅速,遍布二十几个省市区,在目前电力能源供应中地位日益突出,同时随之产生的问题也亦渐显,其对传统的配电网络提出了新的挑战,接入到配电网系统中的分布式光伏电源,随着电力供应紧张形势的发展,光伏电源并网项目日益增多,对配电网的影响也越来越明显,我们着重从以下三个方面对分布式光伏电源对配电网的影响进行初步分析。


1)对短路电流的影响。电网系统尤其是配电网侧发生短路等常见故障时,光伏电源输出到配电网侧短路电流并不是很大,其实有此认识这是不全面的,配电网侧发生短路时产生的短路电流瞬间峰值与光伏电源逆变器自身的输出控制性能和储能元件有关,稳态短路电流一般只是光伏电源额定输出电流1.1倍至1.2倍左右,在配电网络配置的保护中,短路瞬间由过流保护、熔断保护启动并逻辑判断执行出口。当光伏电源占比较大时,由于光伏电源提供短路电流较大,从而导致配电网线路无法检测自身故障并及时隔离,导致馈电线路上发生短路故障。上世纪末,西方国家曾通过变压器做过类似短路试验,通过逆变器流过的电流进行控制,将其注入到与配电网进行连接的变压器上,通过控制电流的大小进行分别试验。得出的结论是,周波的1到2个周期就把故障完全隔离,短路电流上升小于故障前的200%。在同样实验室环境下,还对一个光伏电源系统侧控制短路电流对变压器进行短路试验,研究发现:变压器没有因短路电流存在,其主保护过流保护却没有动作,经具体分析原因,其流经变压器电流互感器的短路电流值变小了,由此可见,光伏发电对系统短路电流影响不容小视,应采取相应方式进行抑制。


2)对电压的影响。配电网系统接入光伏电源后,因用户负荷侧功率部分是由光伏电源进行供应,配电线路上的传输功率有所减少,在低负荷的线路上,配电线路各负荷节点的电压就会逐步升高,甚至会超过规定考核电压上限,电压升高的幅值大小受多方面影响,主要有光伏电源接入点的位置及其容量、数量大小。配电网供电方式有多种,最主要的方式是辐射型,正常运行方式下,电压沿供电潮流方向依次降低,越靠近电网电源侧电压越高,靠近负荷侧电压愈低。通常情况下,配电网线路中设置电容器,配电变压器含有有载调压开关,通过这些调压设备,利用自动无功电压控制系统,将各负荷节点的电压控制在合格范围内,电压偏移幅值较小,使电压合格率得到切实保障。如果在配电线路末端接入光伏电源,接入点的电压因光伏电源接入,就有可能越过电压上限,这时必须合理调整运行方式,必须光伏电源进行合理设置,需与光伏电源签订协议,吸收系统线路中多余的无功,参与配电网系统调压,保证电压合格,对于配电网的电压调整,只有光伏电源的运行方式进行合理设置才能对配电网的电压进行有序调整,合理设置运行方式非常重要,在太阳能比较充足时,如夏天午间,光伏电源将明显抬高接入点的电压。光伏电源对电压的影响还体现在可能造成电压的波动和跳变,在夜间晚峰期间,负荷较重,配电线路末端电压较低,然而光伏电源因无太阳光,输出有功功率较少,改善不了配电线路电压,但光伏电源此时可提供无功出力,吸收系统无功,改善线路的电压质量,提高功率因数,使系统经济运行。由于光伏电源的出力随光伏板入射的太阳光辐射强度大小而随之变化,局部配电线路不稳定运行风险加大,甚至处于不可控的程度,而随着负荷的自然变化,两者进行叠加,会引起配电网系统电压波动和闪变。由此可见,接入光伏电源要进行合理的规划,尤其接入大量光伏电源时,应考虑其接入位置和容量大小,因其电压影响比较大,要将其影响合理控制降到最低点是非常重要且现实的一项工作。


3)对电网规划的影响。大容量光伏并网产生的影响首先体现在电网规划方面,电网规划包括电源的规划和输配电网络的规划,地区负荷的供电可靠性是电网规划中的一个重要依据,必须提高光伏发电装机容量及发电效率在系统负荷中的比例,。


光伏发电作为典型的可再生能源,其最大的特点就是波动随机性特别大,对地区电网负荷预测影响比较大,受到太阳光照强度、天气条件以及环境温度的影响比较大。分布式光伏发电主要用于用户的用电问题,通过并网实现供电差额的补偿与外送,缺点是逆潮流导致相关的保护都要重新整定,提高负荷预测的难度在于光伏发电所在的区域,要准确无误的对天气作出预判,需要稳定、可靠地气象条件。而配电网中的潮流方向会适时变化,电压和无功调节的困难,无形中负荷预测难度逐渐增加。   4 分布式发电并网调度管理


1)并网调度管理范围划分


电网调度机构只管辖到配电网与光伏电源相连接的电网进线电气设备,如图2中所示的产权分界点,产权分界点以下电气设备由光伏发电用户自行管理并操作维护,其设备属电网调度许可设备。当光伏发电通过逆变装置断路器的解环、合环操作,需经电网调度同意。


2)光伏发电并网投运


光伏电源投运顺序主要分为5个步骤,第一是由电网调度机构指挥,用系统带保护的分段、分支、环网柜或开闭所开关,冲击光伏电源的并网线路、站内母线及附属设备进行充电;正常后,进行第二步,由光伏发电根据由上到下的原则,对光伏电站内附属设备、电力电缆进行充电,逆变装置交流输入侧带电正常,此时需要注意的是,必须断开逆变装置内交流侧开关;第三由光伏发电站将光伏板至逆变装置的直流部分进行冲击,完成直流输入回路,逆变装置内装设的直流开关应合上并运行良好;第四光伏电源内逆变装置装设的交流开关合上并运行良好;第五光伏电源连接光伏板的并网开关需进行时限调整,通常根据光伏发电自身设备的不同进行20秒至300秒的范围进行整定,此时经过这个可调的延时时间后,就可以启动并网开关,将光伏电源与配电网进行并网。


3)并网发电计划管理。光伏电源并网发电要根据电网系统指定的计划进行发电,并网光伏电源发出功率较大时,需安装有功功率控制系统,就像火力发电厂的AGC系统一样,实现控制光伏电源有功功率输出并网,接受电网调度机构有功出力控制指令,并根据此系统进行自动执行,光伏电源的有功功率正常稳定输出,其最大输出有功功率及变化率应根据电网调度给定的计划值,根据远动信号跟踪并进行考核,光伏电源的功率输出影响了系统的安全稳定运行,尤其在系统电网特殊运行方式和故障时,光伏电源的功率输出影响非常明显。光伏电源随着太阳光照射的幅度减少,其输出功率也随之减少,特别是出现雷雨等恶劣天气时,光伏电源受影响更大,输出功率随之骤降,这就要求光伏电源要具备输出功率变化率限制能力。然而事实是,分布式光伏发电容量较小,对电网系统的影响较小,电网调度机构也不下达发电功率曲线,要达到下达发电功率曲线时,就要求其光伏板投运容量大小足够大,达到影响电网系统潮流时。由于光伏板不产生无功功率,只输出有功功率,其需要从电网系统重吸收少许无功,在这种情况下,因要求光伏电源必须参与电网系统无功电压调节,光伏电源在初期建设是,应配置自动无功补偿装置如电容器、电抗器等,且所采用电气设备必须为有载调压。对于小型或初期小容量临时并网的光伏电源,只对其月度并网电量进行考核管理,因其对电网系统影响较小,不必装设功率控制系统,但应保证并网设备的安全可靠运行。


4)光伏电源的解合环操作。第一光伏发电投入运行后,根据有无太阳光,通过其逆变器装置进行自动检测,自动完成并网开关的分合操作;第二由调度指令进行计划性退网时,光伏电源先通过断开光伏板侧直流开关,逆变装置进行停机,再断开逆变装置侧交流开关,再根据具体情况对相关设备进行停运。目前由于光伏电源并网容量较小,可以不必断开光伏板侧直流开关,可以直接操作逆变装置停机,或断开逆变装置侧交流开关;第三光伏电源进行计划性并网时,可以按照上一步的逆程序进行。光伏电源输出功率较大时,启动并网时,应控制其输出的有功功率,确保其变化不超过所设定的最大功率变化率,保证系统安全稳定,退网切除光伏电源的有功功率同时需要注意,应在电网允许的最大功率变化率范围内;第四当设备发生故障时,或电网系统发生故障时,光伏电源非计划性退网/并网由应由逆变装置装设的保护进行自动检测,自动完成解合环操作,及时隔离故障点,防止事故进一步蔓延和扩展。


5 结束语


通过对分布式光伏发电进行初步研究,使大家对光伏发电有了清醒认识。作为一种新型清洁能源,在将来定会有良好广阔的发展前景,,随着光伏发电用户的不断增加,对地区电网的影响也不容小觑,电网管理工作者和发电用户应积极科技知识理论水平,将光伏发电管理好,通过规范对分布式光伏发电并网调度管理,可全面提升光伏发电并网运行管理水平,积极推进电网节能减排,进一步提高电网安全稳定运行水平。




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