工业园区光伏发电系统运行与优化配置研究

周汝祥，张紫凡，胡子安，丘世隆，梁炜政，刘玉就

（1.广州城市理工学院，广州 510800； 2.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关 512000）

引言

在全球走向碳中和背景下全球碳减排日趋严格，新能源替代传统能源趋势已经确定[1,2]，我国提出在2030年前二氧化碳排放达到峰值，一次能源消费比重中非化石能源占比达25 %左右的目标，力争在2060年前实现碳中和。太阳能作为一种可再生能源得到了广泛的应用[3-8]。

光伏行业现在进入后补贴时代，建设成本逐年下降，随之发电成本降低，近年来，全国各地对光伏发电的补贴逐年减少，国家发展改革委能源研究所发表《中国2050年光伏发展展望（2019）》所示，光伏发电成本以接近煤电发电成本，在未来将进一步下降，在2050年光伏每度电成本低至0.2元。光伏组件成本趋势如图1所示，在2020年12月的人民币为2.613 9元/瓦，未来持续降低，光伏组件约占光成本的50~60 %。

图1 太阳能组件成本[9]

广州地区的太阳能资源属于Ⅲ类较稳定，用电量大长期需要其他省份向其输电。光伏发电具有成本低、利用率大、绿色环保的特点，并网功率在几万到几十兆瓦范围内，可建设在如工业园区等用电负荷较重的地区附近。光伏发电规律与工业园区的负荷规律一致[10,11]，白天用电多晚上用电少。工业园区地理位置多位于郊区，电网供应存在峰谷电价。园区用电模式与太阳能光伏发电模式适配，从而增加太阳能光伏发电使用率，结合用电高峰时期电价高、用电低谷时期电价低的峰谷电价政策，可进一步提高工业园区光伏并网设备的经济性，减少工业园区的用电成本[12]。

1 工业园区光伏发电系统

1.1 工业园区光伏发电系统组成及控制方式

光伏并网系统结构如图2所示，由太阳能光伏方阵、BOSST电路、逆变器、控制环节和滤波环节五部分组成。光伏板可以将太阳能转换为直流电能，BOSST电路可以将光伏方阵输出的直流电压升压后输出至逆变器，逆变器再将升压后直流电转换为交流电，控制环节包含最大功率点跟踪控制和逆变器控制。

图2 光伏发电系统结构图

最大功率点跟踪控制（MPPT）时刻跟踪光伏方阵电压与电流，通过控制晶体管占空比调节BOSST电路输出侧电压，使其工作在最大功率点附近，保证光伏方阵最大功率。逆变器控制通过实时采集的并网侧电压电流，经过坐标变换、PI控制器等环节产生脉宽调制信号送至逆变器6个晶体管，控制晶体管开关，实现并网协调运作，维持输出有功和无功功率大小。滤波环节可以减少变流环节产生的谐波污染，提高配电网的电能质量。

1.2 工业园区光伏发电系统的参数选择

本文基于PSCAD仿真平台依据光伏发电原理及并网原理建立了光伏并网模型，模型涵盖了光伏阵列、DC/DC变流器、DC/AC变流器、并网LC滤波器、控制环节五个主要部分。本文通过计算得到光伏并网环节各参数的选择，并通过设计仿真实验，比较不同条建下的仿真结果验证了所选参数的正确性。光伏并网发电系统主电路模型如图3所示。

1）太阳能光伏方阵及直流升压斩波电路参数

光伏方阵模块采用PSCAD4.5软件电源模型，设置光强为1 000 W/m2温度为25 ℃，串联光伏组件25个，并联光伏组件16个，额定容量为100 kW。每个光伏组件的功率为250 W，光伏阵列的电压为一行串联组件的每个组件的电压之和。

由于光伏阵列实际的输出的电压要小于电网侧的电压，所以在光伏发电系统接入电网时，需要在直流侧增加一个升压（BOOST）电路。

升压（BOOST）电路工作原理图如图2 左侧所示。当晶体管导通时，电感里储存能量。经Ton时间后，晶体管截止，因电感的电流具有特性，电流值不会马上变为0，相反，它从充电结束时的值慢慢变为0，二极管导通，电感L向电容C和负载放电，电容C两端电压升高，此时输出电压高于输入电压。

输出电压UO与UL关系为：

只有电容Co、电感L足够大时，才能让电感和电容电流连续。

其中Io为斩波输入电流，根据公式（2）、（3）求得L≥0.003 68 H，C≥0.2 mF，电感值选取0.004 H，电容选取0.2 mF。

滤波器属于滤波环节的最主要部分，起到过滤谐波的作用。如果滤波器选择不合适的话，会对配电网电能质量造成极大影响。根据文献[13]电感电容推导公式如下所示，

LC滤波器的截止频率必须要远小于PWM电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率。LC截止频率fL选为[13]：

式中：

f1—基波频率；

fhar(min)—最低次谐波频率。

对于高频的PWM逆变器，载波频率远大于10倍的基波频率，fL应选为载波频率的1/10-1/5。选取为800 Hz，公式（4）求得L的值为0.003 96 H，L值确定以后，根据式（5）得到C值。最终滤波器电感值选取为0.004 H，电感值选取10 uF。

滤波器的加入还会使逆变器输出功率尤其是无功功率发生变化，因为滤波电抗消耗无功功率，而滤波电容则提供无功功率[13]。逆变器输出电压会在滤波器产生谐波电流，造成电网的电流负荷。过大的谐波电流还会造成滤波电感和滤波电容的发热问题。所以应尽量减少滤波器的滤波电流。

2）逆变器控制

采用的逆变器控制方法为PQ恒功率控制。网侧线电压Ua、Ub、Uc经过式（8）得到电压的有功量Ud和无功量Uq。功率外环控制器的参考有功功率Pref设置为为0.016 7 MW，而参考无功功率Qref则设置为0。参考功率Pref经过式（9）得到参考有功和无功的参考电流Idef、Iqef。

电流内环则将两个参考电流经公式（10）变化得Udef、Uqef，经克拉克反变换后得到三相参考电压，与三角载波信号触发产生电平信号，控制逆变器 6个晶体管的开关，使逆变器的输出电流稳定跟踪电网电压的变化。

3）最大功率跟踪控制

最大功率跟踪方法分为两种，第一种为电导增量法；第二种干扰观测法。本文采用电导增量法。

增量电导法的最大优点是随着日照强度的变化，光伏电池输出端电压能相对平稳地变化，电压摆动幅度比使用扰动观察法的电压摆动幅度要小。

2 基于PSCAD的光伏模型的验证和分析

2.1 并网光伏系统仿真模型参数

情况1 仿真参数设置，设置LC滤波器为电感为4 mH，电容为10 uF。其余元件设置不变。

如图4~6所示，电压幅值稳定为320 V，频率稳定50 Hz。电流幅值稳定在205 A，频率稳定在50 Hz，电流电压的相位差为0，波形平滑无畸变。有功功率为100 kW，无功功率为0 kW，最大功率追踪器工作在最大功率点附近，设备额定发电容量为100 kW，功率因数为1。网侧线电压有效值稳定为220 V。情况2设置LC滤波器的电感为0.4 mH，其余元件设置不变。

图4 光伏发电系统模型输出电压电流结果图

图5 光伏发电系统模型输出功率结果图

图6 模型输出的MPPT图

由图7、8可得LC滤波器电感值过小，无法有效抑制谐波电流，造成电流畸变严重，同时造成电压幅值降低，波形畸变，电流电压相位差约为1 °，功率因数为0.999。

图7 光伏发电系统模型输出电压电流结果图

情况3 设值LC滤波器的电感值为40 mH。

由图9、10可得有功功率为37.86 kW，无功功率为18.20 kW，功率因数为0.3786，电流电压相位差为67.75 °，电流幅值为94 A，电压无明显变化。滤波器电感过大遏制了交流电流中的谐波电流，同时会增加系统的阻抗，降低系统的功率因数。

图9 光伏发电系统模型输出功率结果图

通过三种情况的比较（见表1），情况1是最合适的模型，此时谐波电流小，电流稳定。

表1 LC滤波器电感值选取比较

无功功率小，对配电网的电压影响小。并网对配电网的电能质量影响最小，与计算一致。情况2的谐波电流大，而且无功功率小于0，对配电网电压影响大。情况3无功功率大于0，功率因数低于0.9，电流频率与电网不匹配，严重影响配电网的电能质量，破坏配电网的稳定，造成人员受伤以及财产损坏。不建议与配电网并网。

3 经济效益

3.1 经济效益分析

根据已知公式换算1 000 W/m2等于3.6 MJ/m2。光伏组件功率为Ps，转化率为η，光伏接收面积为S，光照强度为I，温度为t0，发电温度系数为0.005，如式（6）所示。光伏组件测试标准为1 000 W/m2，温度为25 ℃。供电系数是光伏系统实际功率除以额定功率所得，供电系数受光照强度和温度影响，在计算光伏系统实际发电量时可用供电系数乘以额定功率，简化了计算量[14]。

式中：

I—光照强度；

t—温度。

用平均供电系数、供电时间、额定功率和高低平电价可算出日平均节约电费。

图8 光伏发电系统模型输出功率结果图

图10 光伏发电系统模型输出电压电流结果图

式中：

H1—9：00~12：00时间段系统平均供电系数；

H2—8：00~9：00和12：00~18：00时间段系统平均供电系数；

H3—为0：00-8：00时间段平均供电系数；

t1、t2、t3—高峰、平段、低谷时间段内供电时间；

Ps—光伏系统额定装机总量；

S高—高峰时电价；

S平—平段时电价；

S低—低谷时电价。

3.2 案例分析

某例广州产业园区光伏装机容量100 kW，用电类型为一般工商，存在峰谷电价，高峰电价113.726 876分/度、平段电价70.016 875分/度和低谷电价36.396 875分/度。根据文献所示[15]，广州地区属于Ⅲ类太阳能资源区，日均辐射量为11.4 MJm2，换算得日均每时段光照强度，电价高峰期光照强度为336.11 W/m2，平峰期光照强度为360.551 W/m2。上网电价0.49（2020国家发改委Ⅲ类地区光伏并网电价不含补贴），光伏组件成本26.14万元，根据式（13）计算得平均日节约226.3136元，年节约成本8.26万元，年平均总发电量95 009 kWh，见表2。

表2 各项上网百分比收益

系统正常工作状态下功率因数为1，能为负荷提供100 kW功率，在工作时间8：00到18：00中每日平均提供3.14 h全功率运行。光伏组件成本占总成本的50~60 %，每年的维护成本1~3 %，总维护成本占总成本的20~60 %，综上所述：

1）本文光伏系统采用成熟的技术方案，设备投入成本较低，减少储存设备的投入，一定程度上可节约投资成本，100 kW的光伏并网系统综合投资成本在43.57~52.28万元，其中43.57万元为光伏组件占总成本的60 %，52.28万元为光伏组件占总成本的50 %。

2）43.57万元的20年使用周期内维护成本为8.71~26.15万元，52.28万元周期内维护成本为10.5~31.37万元，维护成本主要用于光伏组件灰尘清理，案例中广州地区雨天较多，雨水带走光伏组件的灰尘，维护成本较低。

3）成本回收为5.27~11.23年，其中自发自用上网百分比为零的成本回收最快，为5.27年，上网百分比为一百的成本回收最慢，为11.23年。

4）实际使用中某日光照最高可超过1 000 W/m2，光伏系统发电量超用户负荷，自发自用，余量上网的模式下用户成本回收周期最短，多余电能并网可避免资源浪费又可使光伏系统经济最大化。

4 结论

目前我国光伏装机容量主要体现在大型光伏电站，分布式光伏微网建设甚少，产业园区、小区、公共室内场所等具有足够的光照面积却未能利用起来，造成资源浪费。本文完成工作有以下三点：

1）配置了各个组件数量以及额定容量和功率，采用PQ的控制方式。利用PSCAD进行仿真、分析，模拟三种情况，得出运行效果最好的情况。

2）经济效益中，通过观察一例产业园的光伏数据，从上网百分比和总收益，成本回收这几个方面进行分析。当上网率为0 %时，经济效益最高。随着上网率的提高，总收入逐渐减少，成本回收的时间逐渐变长。

3）探究了工业园区光伏发电系统的组成及控制，设置了太阳能光伏方阵及直流升压电路参数，并基于PSCAD的光伏模型和经济效益这方面进行分析，选取一个案例进行分析，得出了以上结论。

本文对光伏并网的选择等方面提供参考方向和建议，同时顺应未来用电的发展，从中获取许多的收益，也可以达到保护环境的作用。