分布式光伏发电并网系统研究与设计

李冉

摘要：作为电力需求的大国，中国在光伏发电技术上的应用逐步走向前列，其入网设计等级涵盖当前的各个电压等级。但是，为了实现分布式光伏柔性并网，科学地制定并网接入方案方面的研究比较少。因此，需要加强分布式光伏发电并网的设计，使其构成一个站用电微网系统，形成一种变电站辅助设备新型高效节能用电的解决方案，能有效为变电站提供一个高效、可靠、安全、经济的供电环境。文章就此进行分析。

关键词：分布式；光伏发电并网系统；设计

1 分布式光伏并网发电系统简介

1.1 光伏并网发电系统工作原理

光伏并网发电系统一般由太阳能电池组件、并网逆变器等组成。有些系统还包括汇流箱、数据采集系统、数据交换系统、运行显示和监控等设备。光伏并网发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到电网中。

1.2 太阳能电池工作原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化为电能的装置。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。其基本原理是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。光能以产生电子空穴对的形式转变为电能。

1.3 逆变器工作原理

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电转换成交流电。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。一般还需采用高频正弦脉宽调制，使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波，然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。同时，光伏并网发电系统采用的并网逆变器拥有自动相位和电压跟踪装置，能够非常好地配合电网的微小相位和电压波动，不会对电网造成影响。

2 分布式光伏发电并网设计要点

2.1 设计入网问题

接入电压等级及接入变电站选择是分布式光源并网的重点，依据国家电网公司给出的分布式电源接入相关要求，从电网优化设计方案出发，综合合理考虑周边电网的结构、周边的路径现状及城市规划布局。如本文提到的黄石铁山光伏接入系统的装机容量为50MVA，同时考虑周边无35kV电压等级，考虑从110kV电压接入。黄石铁山光伏接入系统周边有2座220kV变电站、2公用3专用共5座110kV变电站，设计从间隔使用及扩建角度出发，考虑了110kV、220kV变电站实际间隔情况，然后根据变电站的距离、运行情况、线路及变电站的负载率出发。

2.2 设计路径问题

路径选择是接入系统报告面临的一项重要问题，可行的路径及最优的路径方案，不仅要满足国网要求的线路典型设计（双联络、单环网、双辐射等），更要使得线路设计最优化、经济最优化，为达到以上要求，本文涉及的可研从铁山城区通过，从导线选择上可选用架空线及电缆，从线路廊道上可直接从城区主干网络通过也可从山边沿绿化道通过（线路相对前者超20%），通过技术性及经济性比较，最终选用了较为经济的架空线路，避免从城区与水网、石油管道及地下通信电缆相交叉现象。

2.3 继电保护设计

光伏电源的并网会造成电网的结构及短路电流的大小、流向发生变化，配电网也从原来的单电源系统变成多电源系统。分布式电源侧宜配置相应的继电保护装置，且配电网原有的系统保护和重合闸装置需相应地调整，并需要具有方向性，确保配电网保护能准确、快速地切除故障。

2.3.1 继电保护配置

35/10kV电压等级接入时，若光伏侧设有母线，不必配置专用的母线保护装置。当发生故障时，通过光伏的后备保护（线路保护）切除故障；并网点处需配置安全自动装置，若线路保护具备失压跳闸及低压闭锁合闸功能，也可不配置单独的安全自动装置。

专线接入时，线路保护需配置方向过电流保护（或距离保护，若灵敏度要求较高时，也可以配置纵差保护）。T接于配电网线路的分布式电源侧应配置电流速断保护。

2.3.2 电压波动率计算

光伏电源输出功率受光照影响大，具有波动性、间歇性的特点，会引起电网电压的波动和闪变。根据Q/GDW11147-2013《分布式电源接入配电网设计规范》的要求，光伏接入公共连接点造成的电压波动率dPV不能超过5%。GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》给出了电压波动率d的计算公式：

式中：ΔSi为三相负荷变化量，即指光伏工作容量，由于各电气设备和电缆会造成电力损耗，光伏系统的发电效率通常≤80%，因此，光伏工作容量可以按照安装容量PCOI的0.8倍计算。Ssc为公共连接点在正常较小方式下的短路容量，可以按照0.7倍的最大短路容量计算。

2.4 光伏接入系统的稳定性设计

考虑光伏接入系统的稳定计算问题，光伏接入是否带来电压的异常、是否对调度的运行产生大的影响等。光伏接入的电压等级、变电站的负载能力、是否升压、是否倒供、是否改变电压大小等均是设计考虑的主要问题。因光伏发电具备点多面广问题，因此在接入电网系统中不再是像发电厂那样得升压作为电源首端输出电能，分布式光伏发电将根据地理优势，广布点接入电网，因此电能质量、频率、电压稳定等均成为分布式电源的校验重点。本文举例工程从220kV铁山变入网，该220kV常供110kV电能为61.5MW，大于光伏发电的最大负荷50MW，因此在傳送时不考虑其电能送往上级情况，但在此电压变化中，需考虑电压由光伏侧至铁山变电站侧的电压降，对加入无功补偿或调压器对电压进行补偿，以降低电压波动，满足电压电能传送标准。

综上，光伏发电是我国重要的战略性新兴产业，大力推进光伏发电应用对优化能源结构、保障能源安全、改善生态环境、转变城乡能耗方式具有重大战略意义。

参考文献：

[1]张弼宏.并网分布式光伏发电系统的选型及配置方案研究[J].電工技术，2016，08：108-109.

[2]记者马俊娅.个别地区分布式光伏发电并网困难[N].中国电力报，2016-08-01003.