分布式光伏发电的现状分析及技术改进研究

2022-11-16田丰

中国科技纵横 2022年9期

关键词：孤岛分布式发电

田丰

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司榆树井煤矿，内蒙古鄂尔多斯 016200）

0.引言

我国西部地区拥有丰富的太阳能，光伏发电效益显著，而分布式光伏发电能够有效解决太阳能分布不均的问题，在科学合理的设计下实现太阳能的最大化开发利用，提高光伏发电的经济效益。

1.分布式光伏发电发展现状

分布式光伏发电项目所具有的分散化能源供应能力逐渐替代非专业化的光伏电站建设，成为诸多企业开展光伏发电的主要方向。近年来光伏产业一直是高度的政策驱动产业，在政府遏制盲目性投资、出台平价上网等政策后，企业在分布式光伏发电建设中不断探究技术的发展进步与成本控制，以求达到高质量的经济效益。从光伏发电发展的大环境来看，分布式光伏发电项目开发过程中出现了一些问题，影响到光伏发电系统的运行质量与安全，而且光伏发电本身受限于太阳能的不稳定性会对电网并网造成一定影响，需要在最大限度收集太阳能的同时降低电网运行的风险系数。榆树井煤矿没有盲目建设分布式光伏发电项目，而是在完场项目现场调研，编制分布式光伏发电项目可行性研究报告，通过市场调研，选取适合单位实际情况的光伏板、汇流箱、计量柜等软硬件设备后才开始分布式光伏发电项目的建设，高质量的准备为地面分布式光伏发电系统的高效运作提供了保障，光伏板发电正常，无高出要求谐波，电压稳定，输出电压380V，日发电量7548度，符合设计要求。基本上规避了分布式光伏发电项目开发过程中的常见问题，确保分布式光伏发电项目的有效运用，实现了对分布式光伏发电系统与组件设备的质量控制管理，保障了光伏发电的整体运行稳定性[1]。

2.影响分布式光伏发电效益的因素

2.1 光伏技术

“科学技术是第一生产力”，光伏发电技术以及其他技术工艺本身决定了光伏发电成本以及发电效率，随着光伏发电项目补贴逐渐减低，在光伏发电项目的技术工艺以及材料设备对于分布式光伏发电效益的影响将会越来越大。光伏技术本身在分布式控制下虽然可以带来一定的积极作用，但受限于技术工艺发展水平以及设备设施瓶颈因素，分布式控制技术在通信传输过程中的准确性和速度容易受到强电系统的电磁干扰影响。而且配电网的电压调节技术也会影响到光伏发电效益，像是过往电压调节多采用投切电容电抗器，没有配置动态调节设备，这就造成电压调节没有对电流负荷进行预测，不仅会降低发电效率，而且可能会引起电压超标问题。企业在分布式光伏发电项目建设中只有最大限度地优化技术工艺，确保各项技术的有效运用，才能提高光伏发电的经济效益。

2.2 投资成本

分布式光伏发电项目的前期投资与后期运维成本均较高，虽然光伏项目能够为投资者带来良好的收益，但是投资前期需要采购的设备硬件较多，笔者所在地区太阳能丰富、日照时间长，年太阳辐射总量在5711MJ/m2～ 6096MJ/m2，年日照时数在3000h左右，且年平均降水量在300mm以下，独特的气候条件具有可观的光伏发电效益，才在建筑、车间、停车场等屋顶设置光伏发电装置，并直接并入矿井低压电网，为矿井能源系统用电提供补充。随着光伏发电项目的大规模应用与可持续发展，光伏发电的投资成本还在不断降低，特别是在煤炭价格上升后，煤炭发电成本相比光伏发电成本在不考虑环境影响的情况下没有显著优势，何况光伏发电成本随着技术进步呈现逐渐降低的趋势，2010—2018年，光伏组件价格下降80%左右，而且煤炭发电的环境代价容忍性较低，使得光伏发电项目在综合经济效益上占据发展优势。在后期运营成本上，光伏组件设备的价格降低以及效率提升，也间接降低了后期的运营与维护成本。当然，最关键的依然是分布式光伏发电项目的经济收益，除了补贴政策获得的资金外，自发电力节省的电费以及出售多余电量的收入都伴随着前期投资成本的降低而稳步提高，这为分布式光伏发电技术优化研究提供了经济基础[2]。

2.3 补贴政策

补贴是光伏发电产业迅猛发展的根本，2008—2018年，我国光伏产业发展迅速，其中补贴政策对促进发展起着至关重要的作用。光伏发电技术的进步以及补贴政策的不断调整为分布式光伏发电项目，其中有关明确缩小补贴规模且只有被承认规模管治的光伏发电项目才享受补贴。为此，榆树井煤矿严格按照国家及电力行业项目规范标准建设执行，确保所发电能质量与电网完全一致，并根据不同太阳电池阵列选用不同类型与功率的并网组件设备，保证光伏系统的直流电转变为适合于电网的交流电，能够享受到光伏发电的补贴政策。总体来看，光伏发电补贴正在逐渐降低，想要依靠光伏发电补贴获取收益并不现实，只有凭借光伏发电技术优势以及企业用电需求拉动光伏发电技术的发展才是分布式光伏发电技术发展的主要方向，不过当前在技术改进以及经济效益计算中依然可以加入补贴资金，以此找到未来确保经济效益和技术改进的方向。

3.分布式光伏发电技术改进策略

3.1 实施孤岛保护

分布式光伏发电的规模化应用使得诸多逆变器设备并入电网，而这也产生诸多公共耦合点谐波过大、逆变器脱网、非计划性孤岛运行等问题，对电网的安全运行带来影响。在光伏系统正常工作时，逆变器将会把发出的电能输送至电网，而当电网故障时，系统无法及时检测到电网状态而继续向电网输送电能，就会造成系统出现孤岛效应，会对整个系统中的设备造成影响甚至损坏。而孤岛保护技术就是为了维持分布式光伏电网的稳定运行，主动断开并网连接设备的一种技术。此技术需要对非计划的孤岛运行状态有着准确的判断，并能够分析在孤岛状态下电网会对电气设备造成何种影响，是否存在安全风险，为设计人员或维护人员提供安全控制数据和应急处理预案，确保分布式光伏电网的正常运行。榆树井煤矿使用的设备防护包括DC记忆反接保护、直接输入开关、绝缘阻抗检测、交流短路保护、浪涌保护、防PID保护、AFCI保护等，在孤岛保护技术运用中主要是通过被动过、欠压孤岛检测或是电压相位突变检测方法来检测孤岛效应，这两种方法简单便捷，容易实现，但缺陷是对阈值设定准确度要求较高，否则容易出现检测盲区。而在信息技术和网络系统的发展中，通过实时监测主动实施孤岛保护成为可能，通过在控制电流的幅值、频率或相位上加入一个扰动来判断是否存在孤岛效应，正常情况下扰动受限于大电网的钳制作用，不会造成明显变化，而存在孤战状况时，扰动作用就比较明显，以此来判断是否发生孤岛。可采用主动频率偏移法、自动相位偏移法、GE防孤岛方法、无功功率扰动法等，这些方法都能主动检测孤岛效应，根据国家光伏并网技术标准的要求，必须要设置主动和被动各一种防孤岛效应保护方法，确保在电网失压时，防孤岛保护可以在2s内将光伏系统与电网断开，保障光伏系统及其设备的安全。

3.2 增强运维管理

榆树井煤矿大规模利用新能源，建设新能源综合利用控制系统，实现多种能源的有效结合，而相关系统与设备的应用也带来了电能的大量消耗，为了坚持节能减排和环境保护的基本方针，结合当地光照气候特点，开发光伏发电来补充电能消耗，实现能耗平衡。能耗平衡的关键在于分布式光伏发电项目的高效运用，这就需要光伏发电运维管理的有效支撑，而技术和管理是促进分布式光伏发电项目发展的主要推动力。分布式光伏发电技术改进的关键在于光伏技术发展和成本控制，与技术和管理相互对应。在技术工艺改进方面，专业光伏产业自然是优化光伏技术，而客户方面也需要注重光伏材料成本、光伏组件寿命、电池结构的研究和简化，通过技术改进来降低材料成本，提升组件的使用期限，创新光伏发电的应用模式。例如：使用先进信息技术智能化构建分布式光伏，智能运行管理和维护，并结合企业单位的具体情况科学配置分布式光伏发电的形式，促进光伏与建筑或是其他设备的一体化系统建设，依靠企业本身特点形成自己的光伏发电优势。而在运营管理方面，应当将大数据、云计算等信息技术应用于智能光伏发电系统之中，分析发电效率低、可靠性低等问题，并为运行和管理提供实时数据，建设智能化的光伏电力管控中心，设立基于光伏发电系统的管理标准，加入专家分析系统，使分布式光伏发电的运营管理更加完善。在系统化、一体化、规范化的分布式光伏发电管理环境中，光伏发电技术才能得到有效的支持和创新发展，比如电力系统管理人员通过手机就可以实现各个场域发电系统的监管，维护人员也可以使用手机来进行远程访问，监控建筑屋顶的发电设备运行情况。网络的优势为远程管理与无人值守提供了帮助，减少资源投入，实现资源的有效配置[3]。

3.3 完善接入方案

分布式光伏发电项目接入系统的方案根据实际情况而定，本文以全部自用的方式提出接入系统方案。主要的接入设备包括导线、断路器和无功补偿装置，需要根据光伏发电项目本身的发电功率以及并网电压来决定，榆树井煤矿的分布式光伏系统容量为1500kW，在各厂房屋顶和空闲场地配置并网逆变器和汇流箱，光伏并网电压以380V汇入汇流箱并输入电网，所有线路导线都经过校核，符合供电容量要求。断路器选择小型和万能式断路器两类，具备开断故障电流的能力，并且有低压并网专用断路器，具备失压跳闸与有压合闸功能。无功补偿装置根据不同场域之间的发电功率因素来确定，场域间发电功率因素超过0.97则无需配置无功补偿装置。其他设备及组件均符合国家及电力行业相关技术标准，具备认证报告，并且新的光伏发电项目均建设在厂区内部，只需与原有供电设施和公共电网连接即可，无需另外架设电路。在技术改进方面，并网电能表采用GPRS三相静止式多功能电能表，精度高于0.5S级，电流互感器与电压互感器达到0.2S与0.2级。在接入方案的优化中还需考虑分布式光伏发电产生的谐波、电压波动等可能对电能质量产生影响的因素，可采用独立监测系统连续24h不间断监测并网发电系统的运行状况以及并网逆变器的运行数据，确保分布式光伏发电系统的稳定运行[4]。另外，需要注意的是不同场域光伏发电项目接入方案存在差异，不同场域的负荷情况各不相同，部分区域可能存在用电量波动幅度较大的情况，特别是建筑较多的区域，需要通过对用电信息进行采集和数据分析，计算出24h内的有功功率，了解区域最大、最小以及平均负荷。在正常情况下光伏发电项目先要接入用电线路进行负荷供电，剩余部分用电线路进入主二次母线，不供电至公共电网，才能确保在最大负荷下光伏发电的电能可以高效运用。

3.4 优化调压技术

调压技术是分布式光伏发电系统中常见的一种技术工艺，受制于太阳光线的直接影响，光伏发电具有不稳定性，在电力并网中光伏电力产生较大的电力波动很容易对主电网造成一定干扰，影响到分布式光伏发电系统的可靠性。为了解决这种问题，调压技术便是利用电压调节器对分布式光伏发电系统进行合理控制，对处在负荷点的电压进行控制，确保电压产生的波动能够处在安全范围内，即便在光伏发电效率较高，出现线路轻载的问题，电压调节器依然能够保障并网过程中光伏电网的电压低于安全电压，保障并网工作的质量与安全。在技术层面上优化调节技术主要是采用调度自动化和系统通信技术两种方面，自动化技术采用智能系统凭借传感器反馈的数据自动执行调压，不过这对系统性能和传感器的要求较高，投入成本较大，多是在并网末端或是电网关键位置采用。而通过传感器上传电压信息至光伏发电管理部门，由信息系统分析并反馈给管理人员判断成为一种更加经济的方式，只需采取相应监测与补偿措施，管理人员便能使电压满足接入电网的要求。而在设计建设方面，可以将调压器的接入位置安设在光伏发电储能阶段，即在开发阶段便能够合理调节与控制光伏发电的波动，保障分布式光伏发电系统并网的安全性。这需要管理人员了解分布式光伏发电系统的实际运行状况，根据具体要求与设备系统连接，组成合理的布局，做到对电压的精准控制[5]。