基于微电网的分布式光伏发电技术研究

2023-12-28赵宪国高寿梅

通信电源技术 2023年20期

隋超，赵宪国，高寿梅

（国网山东省电力公司沂南县供电公司，山东临沂 276300）

1 微电网概述

近年来，社会经济发展的速度逐渐加快，石油化工能源被过度开发利用，随之引发能源危机问题。基于该背景，新能源技术应运而生，更多企业开始关注与应用新能源发电技术，如光伏太阳能发电、风力发电等。新能源发电虽可有效解决能源危机问题，然而因为该技术本身存在发电间歇性问题，尤其是并网过程中极易导致电网形成电力波动现象，影响电能质量和发电量。因此，提出微电网的概念，其核心在于多微电源同时供电，相互补充电源，可满足小范围的电力供应目标[1]。分布式光伏发电的微电网结构如图1 所示。

图1 分布式光伏发电微电网的结构

1.1 微电网结构

微电网即微网，是电压等级为400 V 或10 kV 的一种现代化网络结构，也是负载与保护装置、能源转换装置、分布式电源以及储能装置等构成的发电、配电系统[2]。从根本上说，微电网对于形式烦琐、数量较多的分布式电源并网问题解决力度较大，达到分布式电源高效应用的目标。

1.2 微电网元件

静态开关、分布式电源、功率电子设备以及储能设备等要素共同组成微电网，其中分布式电源指的是负载周边分布的一种电力，主要将其分成2 种，即非再生能源、可再生能源。储能设备主要为飞轮储存、超级电容量和蓄电池等[3]。在电网有效功率高于负载要求的情况下，就会存储剩余电量，以维持电力供需平衡。微电网孤网运行时，可调节储能设备频率，从而为微网运行提供保障。

1.3 微电网的优势和劣势

微电网是在低碳经济背景下所产生的，由电负荷、分布式电能源共同组成的系统通过低电压连接配电网，且存在更灵活的运行方式，具有可调度性能。微电网可视为电力系统的受控实体，具有较高的可控性，能够有效保障供电质量。微电网具有环保节能的优势，且发电成本比较低，对比传统电网，微电网能够有效缓解环境压力，降低发电成本。由多个微电源共同组成的微电网，可以向本地用户分配电能，无须输电线传输，大大缩减了负载和电源的距离，使输电线路的电能热损耗获得有效下降，也无须创建架空输电线路，有效节约输电建设成本，不会由于地理、天气等因素而提高供电成本，具有较高的供电可靠性[4-5]。热电联产运行下，还可重复回收利用余热，基于该情况，微电网的能源利用率可超过80%。

由此可以看出，世界能源互联网下的微电网存在极大的发展优势。然而，与传统电网相比，微电网起步比较晚，也有很多不利因素，其发展受到很多制约因素的影响，如分布式电源具有较高成本，有待进一步提升运行和保护技术标准；电能存储和生产必须依照负载需求调整，且微电网市场监管制度也不完善，有待从立法层面进一步优化。

2 分布式光伏发电技术

作为用途极为广泛的分布式光伏发电系统，其结构包括独立发电与并网发电2 类。分布式光伏发电系统产生之初多是用于微波中继站、太空飞船、电视差转台以及通信系统等区域。近年来，越来越多的领域开始推广应用太阳能光伏并网发电，主要为家庭屋顶光伏发电、城市交通或照明等。

2.1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统也被叫作离网光伏发电系统，为太阳能电池的能量转化系统，由热辐射与光产生能量。通常来说，单独太阳能发电一定要配备能量存储设备，电池是应用最多的设备。同时，需要配备控制器，主要作用是避免蓄电池过度放电，或者过度充电[6]。在直流电源中，应用的独立广电系统核心部件主要为蓄电池组、防反充二极管、电池方阵以及控制器等。

2.2 并网光伏发电系统

太阳能光伏系统的主要特点在于，通过并网逆变器转化直流电成交流电，进而保证交流电能够与公共电网实现有效连接，向广大住户提供更多电力，多余电量直接输送至电网。在太阳能电池低电量的情况下，有必要做好电力网补充工作。并网光伏系统的示意如图2 所示。

图2 并网光伏系统示意

2.3 分布式光伏发电的工作模式

光伏发电系统的工作机理在于，通过太阳能电池所具有的光生伏打效应，太阳能电池板将太阳光中的光能转换为电能供应给客户。太阳能电池板、配电室、防雷系统、汇流箱以及逆变器等是太阳能电池板的重要组成部分。此外，因为太阳的能量密度较低，所以要求有较大的光电转换效率，并且要使用汇流箱来降低光电转换效率。由于光伏太阳能电池所产生的电属于直流电，因此还必须要有一个逆变器来将直流电变成交流电。同时，为了确保在雷暴天气下对发电系统中的关键部件，如电池面板、逆变器等进行防护，也必须进行初步的防雷设计。具有低压负载的室内配电场所统称为配电室，能够为低压用户分发电能。由于分布式光伏发电系统通常在10 kV 之下，因此只需要设置一个低压配电室即可[7]。除此之外，还必须在电力供应上安装一些能量存储单元，或是将整个系统接入电力网络，才能确保电力供应的稳定，如此便构成一个完备的发电和用电体系。光伏发电原理如图3所示。

图3 光伏发电原理

3 基于微电网的分布式光伏发电技术要点

3.1 并网控制

若分布式光伏发电系统没有配备相应的蓄电池，则需将其并入电网，以确保该光伏发电系统的供电可靠性。分布式光伏发电有多能量来源、多并网逆变器等特性，所以应充分考虑影响并网控制的相关因素。此外，因分布式光伏发电系统能源产生多借助并网逆变器，且并网运行期间需要重点注意耦合机理，所以涉及控制并网协调性能问题，应注重在运行过程中协调控制逆变器的电压和频率，以合理地动态分配其运行负荷。

3.2 优化系统电能质量

通常情况下，分布式光伏发电的电能输出主要为直流电，然而用户端负载多用交流电。若要使用光伏发电所输出的电能，则需要转化直流电为特定频率的交流电，由此就需要应用逆变器。但是，并网运行过程中，正常运行时的逆变器会产生直流分量与谐波，会污染到电网，影响电网得电能质量。特别是电网直接连接用户侧负载时，就算直流分量与谐波非常小，也会严重影响到用户的用电端口负载，造成设备不能顺利或正常运行，导致设备遭到损坏。除此之外，在用户负载中有大量感性负载的情况下，接入分布式光伏发电系统会大大降低功率因数cosϑ，导致电机等感性负载无法正常运行，甚至会加大发热量[8]。以上情况产生的主要原因在于，分布式光伏发电系统大多只输出有功功率，还有可能是电网无功功率补偿装置不匹配光伏发电系统。因此，若想有效控制光伏发电系统的电能质量，借助可调节功率因数cosϑ，可以对三电平组串逆变器进行输出，也可通过并联电容器实现动态无功补偿的配置，有效改善并网连接中出现的光伏发电电能输出质量问题。

3.3 电网结构和配置优化

由于分布式光伏发电系统的发电能源为太阳能，而太阳能会因为各地气候、地理位置等外部因素而存在一定随机性，而且光伏发电的核心部件即太阳能电池板的能量密度相对较低，相比传统电网，太阳能电池板的网络结构存在一定不同。基于以上因素，在电力系统规划过程中，应精准预估本地可再生能源的分布情况，同时评估负载的可用性、随机性和合理性[9]。对要进行光伏发电的地区进行现场调查，详细调查和研究当地的电网、客户的用电负荷，进而决定在当地的地区设置相应的分布式光伏发电装置，防止负载过小或某一个电网单元负载过大，有效提升地方电网运行的安全性、可靠性。