分布式光伏发电站的并网控制技术分析

辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 马兆飞

盘山配水站位于辽宁省的港口城市锦州，境内山脉连绵起伏，地势特征是西北高东南低，属暖温带半湿润气候。配水站占地2413.92m2，其中办公楼、附属用房、检修阀室-流量计室-调流阀室-检修阀室的占地面积分别为734m2、294m2、1385.92m2。配水站主要用电设备为办公楼的监控中心、办公用电、空调用电、充电桩、起重机、调流阀、电动蝶阀、流量计等电气设备。经计算，配水站总体计算负荷为440kW，选用1台500kVA 变压器作为工程主用电源，另设一台250kW 柴油发电机保障配水站基本用电需求。

盘锦地区太阳能资源非常丰富，绝大多数地方年均峰值日照时数都在1400h 以上，本工程计划利用现有建筑屋面空间建设屋面光伏系统，根据可利用屋面可用于光伏发电面积进行统计，总装机容量486kW，年发电容量约为592.87MWh。

1 分析分布式光伏发电站的并网控制技术

为达到节能减排目标，降低工程日常运行成本，本工程初步拟定利用当地的太阳能资源，采用自发自用余电上网的形式实现满足日常用电需要。

1.1 接入系统方案

现阶段，常见的电网运营模式为余量上网、统购统销、自发自用，本工程采用自发自用余量上网运营模式。所以，要将其与分布式电源装机容量数据相关联后确定分布式电源，进而满足电源输送阶段的功率交换需求。根据系统电压、负荷分布、分期投产容量确定接入系统的电压和并网点，8kW 以下的用户报装容量可接入220V 电网系统，8kW 以上、400kW 以下的用户报装容量可接入380V 电网系统。本工程单个并网点的装机容量20～400kW，故接入380V 电网系统。结合新能源AVC 主站，对新能源并网侧电压、一次设备状态进行实时监测，尤其是母线电压控制模式，依托于循环扫描及时发现指令偏差，得到最优调节策略[1]。

1.2 接线设计

光伏并网系统有多种并网电路结构可供选择，具体要根据安装地点的实际状况及设计指标的要求进行选择。本工程适用于接入用户电网的光伏电站，接入方案为XGF380-Z-2，具体接入方案以当地电力部门批准的接入方案为准。另外，本工程采用并网型逆变器，单台逆变器容量在125kW 以下，满足当地电网接入条件。其中电气主接线采用单母线形式，辐射状结构。

1.3 光伏电池板选型及布置

1.3.1 电池板选型

光伏电池板作为分布式光伏发电系统的核心部件，其参数指标直接关系到最终电力供应水平，同时，光伏电池板也是分布式光伏发电系统中造价占比较大的支出，在本案例工程占比约50%。故本工程优选主流产品中符合屋面敷设条件的单晶硅单面组件。确定光伏电池板类型后，根据工程装机容量优选单位面积功率较大的电池板，同时考虑后期维护开支、系统接线复杂程度、工程整体工程量等方面，确定选用JAM72S30-540/MR，其不仅衰减效应较慢、转换效率较高，还可简化组件间的接线操作，通过降低故障概率提升系统运行稳定性[2]。

本工程光伏电池板参数如下：太阳电池组件重量28.1kg、太阳电池组件效率20.9%、峰值功率540Wp、太阳电池组件尺寸结构为2278×1134×35mm、开路电压温度系数-0.275%/℃、短路电流温度系数0.045%/℃、开路电压（Voc）49.6V、短路电流（Isc）13.86A、工作电压（Vmppt）41.64V、工作电流（Imppt）12.97A、峰值功率温度系数-0.350%/℃、首年衰减2%、逐年功率衰减0.55%。

1.3.2 电池板布置

为最大限度利用外观整体布局与空间，本工程采用屋面光伏布置形式，布置时为提高对太阳能的采集与利用，需要计算最佳倾角。由于本工程采用固定轴形式对光伏电池板进行安装，故电池板最佳倾角与系统全年最大发电量对应的倾斜角相同。根据当地不同月份、不同倾斜角度下的平均太阳辐射量（由Retscreen 软件计算即可），以及整体安装难度、后续维护需求等方面，本工程根据不同建筑屋面的位置确定相应的光伏电池板倾斜角。

其中，对于附属用房屋面和办公楼屋面，前者屋顶面积在294m2左右，后者屋顶面积在734m2左右，敷设方式为金属支架，共敷设375块光伏电池板，总占地面积为969m2，光伏板倾角采用10°。对于检修阀室-调流阀室的光伏电磁板布置，本工程利用1#检修阀室、流量计室、调流阀室和2#检修阀室屋顶进行敷设，通过横向钢梁（或混凝土梁）将4座建筑物屋顶连通，形成长、宽分别为56.8m、24.4m 的光伏发电区域，光伏板采用屋面光伏型式，共敷设480块光伏电池板，总占地面积1227m2，光伏电池板倾角采用5°。

1.4 并网逆变器及其并网结构

1.4.1 逆变器选型

作为分布式光伏发电站实现太阳能发电、用电、输电的关键，逆变器需根据工程实况合理选择，本工程可利用地点（建筑屋面）较为分散，存在较多小面积光伏分布情况，虽然总容量相对较大，但仍需接入低压配电系统，故选用壁挂式安装的并网型逆变器[3]。设备技术参数如表1所示。

表1 并网逆变器技术参数

1.4.2 并网结构及并联方案

现阶段并网控制规模呈明显上升趋势，可供选择的并网结构也越来越多，如集中式、交流模块式、多支路式等。其中，集中式是并联连接多个光伏组件，搭配使用旁路、阻塞二极管得到电路拓扑，整体结构简单，逆变效率较高，但由于二次管的设计使用，电能损耗也会增大，甚至引发功率失配，故不考虑使用；交流模块结构主要是联结多个独立发电单元，每个单元均设置相应的并网逆变器与光伏组件，虽然该结构符合本工程较为分散的光伏布置，也为后续容量扩充、维护提供便利，但日常统一协调控制难度较大，且独立配置的逆变器容量较小、成本较高、发电量有限，故不考试使用。

多支路结构是先串联（同组光伏组件）、后并联，然后借助直流-直流变换器升压、直流-交流逆变器转换，从而得到交流电。但通过综合考虑本工程建设成本、条件，选用多支路结构不仅可将多种光伏组件汇集至母线，实现逆变控制的统一实施，还能够提高控制器独立水平，获得最大功率跟踪控制的同时减少干扰、降低损耗，且后续维护改造也较为方便。所选并网结构中电池组件串联数量计算公式为：Udcmin/Ump≤N≤Udcamx/Uoc，式中：Udcmin为逆变器输入侧最小直流电压（V）；Udcamx为逆变器输入侧最大直流电压（V）；Ump为电池组件最佳工作电压（V）；Uoc为电池组件开路电压（V）。

根据本工程逆变器技术参数，外加所选的单晶硅单面电池组件参数，将其带入以上公式可得到电池板串联数。但所得数据并不能直接使用，还要考虑金属支架的承载能力、后期维护空间等。对于本工程所采用的固定式安装结构而言，每一串联支路单晶硅电池组件的额定功率计算公式为：P∑T=Ppv×NT，式中：NT为组件串联数量；Pp为组件额定功率（kW）。

本工程选用金属支架固定安装电池方阵，考虑到太阳日照阴影影响，还需计算阵列间的最小距离，计算公式为：D=Lcosβ+Lsinβ（0.70tanψ+0.4338）/(0.707-0.4338tanΨ)，式中：L为光伏电池板斜面长度（m）；β为光伏电池板方阵倾角（°）；Ψ为工程所在地区纬度（°）。此外，实施新能源AVC 接入联调，通过遥信与遥测信息上送验证、曲线下发验证、无功设备优先级验证等，实现系统的闭环控制，提高并网电压稳定性[4]。

1.5 并网控制系统

本工程所设计应用的基本电路结构为，通过并网逆变器将光伏电池产生的直流电转换为交流电，然后依次经过变换器、变压器等设备实现交流配电网的接入。为提高太阳能利用效率，同时实现光伏的最大功率跟踪控制，并网控制结构以逆变控制算法为核心，搭配使用滑模控制算法优化调节，实现光伏并网目标。

1.6 自动化控制系统

为实现对分布式光伏发电系统运行状态的实时监测，及时发现故障、定位问题、识别风险，还需要搭建计算机监控系统，系统功能包括数据采集、数据显示、数据传输，依托于现有通信总线串联多个智能设备，以此满足设备通信需求。系统主要组成部分为光伏发电系统监控平台、主机加固软件、服务器、工作站、交换机、网络柜、操作台，依托于信息交流共享准确识别故障设备、精准维修，有助于分布式光伏发电系统控制、管理功能的提升。需要注意的是，在新能源AVC 并网接入期间，要注重无功备用容量的上下限计算、新能源AVC 闭锁条件、新能源AVC 通信模式分类、增量循环编码，确保响应上具有良好快速性、跟随性[5]。

2 技术效益总结

在电费方面，根据辽宁省系统用电负荷特性、新能源消纳等情况，每日用电分三个时段：低谷时段（11:30-12:30am；22:00pm-05:00am）， 高峰时段（07:30-10:30am；16:00-21:00pm），其余为平时时段。电费计算分为高峰电价、平段电价、低估电价，还有每年夏季（7月、8月）、冬季（1月、12月）每日17:00～19:00pm 的尖峰电价执行，为更好对比分布式光伏并网系统建设前后的经济效益，采用平段统一计算。

根据《国网辽宁省电力有限公司代理购电工商业用户电价表》电网计算，未建设分布式光伏发电并网系统时，一年电量1537.88MWh，电费为1040116.356元；增加分布式光伏发电并网系统时，分别通过用户基础电价×自用部分电量+国家补贴×自用部分电量（自用）、基础入网电价×发电部分电量+脱硫补贴×发电部分电量（发电）进行电价计算，一年电量1537.88MWh，电费为627970.5756元。

需要注意的是，分布式光伏发电站存在组件衰减，本文采用0.7%进行衰减计算，预计第一年节省41.21万元、第二年节省41.20万元、第三年节省41.18万元...预计第二十五年节省40.82万元。将运维费用去除，2022年分布式光伏系统平均运维成本为0.048元/（W·年），本工程初步计算年运维费用为2.3万元/年，故平均每年可节省电费约为39万元，5～6年即可回本，工程效益水平高[6]。

综上所述，分布式光伏发电并网控制可实现资源共享，为当地带来较高的发电效率，满足用户日常用电需求，节约能源的同时保护环境。围绕本公司工程分析，并网控制要从工程概况出发，根据其光伏布置分散度、当地经纬度与太阳能资源等合理设置并网控制方案。