光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置研究與實(shí)例計(jì)算

引言

正如電力"十三五"規(guī)劃所論述的那樣,目前我國正處于深化改革的攻堅(jiān)期,也是電力工業(yè)加快轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要機(jī)遇期。在這樣的新時(shí)期,能源格局進(jìn)一步調(diào)整,環(huán)境資源的約束也進(jìn)一步加強(qiáng),給我國電力行業(yè)的發(fā)展帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。隨著世界氣候形勢越發(fā)嚴(yán)峻,人們對清潔能源的需求正不斷增長,加速對清潔能源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為電力人義不容辭的責(zé)任,電源結(jié)構(gòu)的清潔化必然逐漸成為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主流。

取之不竭,安全可靠,無噪聲污染,不受資源分布地域的限制,建設(shè)周期短,獲取能源花費(fèi)的時(shí)間周期短,光伏發(fā)電因以上優(yōu)點(diǎn)在清潔能源建設(shè)中占據(jù)了很大比重。在光伏發(fā)電的用電需求側(cè),對于小區(qū)家庭用戶,新能源供電裝置(以屋頂光伏發(fā)電裝置為例)大大緩解了能源供給/消耗矛盾,以"自發(fā)自用,余電上網(wǎng)"的原則,有力地推動(dòng)了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

目前國內(nèi)關(guān)于光伏發(fā)電原理的論文較多,但很少有論文將原理與實(shí)例的計(jì)量與預(yù)測進(jìn)行聯(lián)系。文獻(xiàn)提出的是光伏發(fā)電裝置各組件的原理與改進(jìn)措施,但并未涉及實(shí)例的計(jì)算:文獻(xiàn)提出的是小區(qū)屋頂光伏應(yīng)用的實(shí)例計(jì)算,但并未詳述光伏應(yīng)用各組件原理。本文基于以上研究,提出了一套完整的光伏發(fā)電并網(wǎng)、采集與預(yù)測體系。

1小區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置

本文按照國家電網(wǎng)公司《關(guān)于促進(jìn)分布式電源并網(wǎng)管理工作的意見(修訂版)》接入系統(tǒng)一般原則設(shè)計(jì)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置。

與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)單一的潮流流向不同,光伏發(fā)電的潮流流向具有雙向性,用戶側(cè)的節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)用戶的發(fā)電量和負(fù)載量在電源節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換。本文利用充放電控制器、雙向變流器、功率調(diào)節(jié)和并網(wǎng)保護(hù)等裝置組成光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

下面分別對各個(gè)組件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1充放電控制器

充放電控制器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。本文以sTC25w4K60s4PРIP40單片機(jī)為控制中心,將采用軟硬件結(jié)合的方式采集到的電流和電壓通過單片機(jī)進(jìn)行A/Р轉(zhuǎn)換處理,從單片機(jī)輸出的數(shù)值經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)MOsFET管處理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充放電的控制。通過該充放電控制系統(tǒng),太陽能電池板的電能在用戶側(cè)得到最優(yōu)化利用,蓄電池電壓在(10.5士0.5)V至(24.5士0.5)V之間浮動(dòng),單片機(jī)在蓄電池到達(dá)下限和上限時(shí)分別實(shí)現(xiàn)充電和放電控制。

在采集模塊中,采用分流器接入的方式提供電流采樣,采用電阻分壓的方式進(jìn)行電壓衰減采樣。電壓通道允許最大輸入差分電壓設(shè)置為士165mV,共模電壓設(shè)置為100mV。輸入電壓的衰減通過9級(jí)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。精度校驗(yàn)時(shí),進(jìn)行分級(jí)調(diào)整,到最高級(jí)時(shí),精度調(diào)整至0.05%。用8421編碼設(shè)置該衰減網(wǎng)絡(luò)的校驗(yàn)范圍,允許在士30%左右,用電阻和電容并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)分壓網(wǎng)絡(luò)-3dB的頻率。設(shè)計(jì)選用RC濾波器,可以避免分流器寄生電感產(chǎn)生的影響,同時(shí)也能顧及通道平衡。根據(jù)計(jì)算和通道1與通道2的匹配,選定合適的電容與電阻。

1.2雙向變流器

根據(jù)接入光電的容量以及用戶端節(jié)點(diǎn)PDGi與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)Pi功率大小情況,調(diào)整接入節(jié)點(diǎn)的功率方向。本項(xiàng)目使用雙向變流器和充放電控制器共同實(shí)現(xiàn)潮流流向的控制。通過利用單相輸出的并網(wǎng)逆變器將太陽能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕涣麟?一部分自用,余電進(jìn)行并網(wǎng),在負(fù)荷功率超過光伏接入點(diǎn)功率時(shí),從電網(wǎng)取電。

如圖3所示,雙向變流器主要由交流回路、功率橋回路、直流回路組成。在電流方向從網(wǎng)側(cè)指向變流器且雙向變流器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),可以通過控制v的大小和相角來實(shí)現(xiàn)變流器在以P、Q、-P、-Q對應(yīng)的有功放電4個(gè)特殊工作點(diǎn)的平面里做四象限運(yùn)行。

1.3功率調(diào)節(jié)裝置

目前,光伏發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)裝置主要采用雙向DC-DC變換器。而本文采用的是雙向全橋隔離型DC-DC變換器[3],變換器由全橋整流器、高頻變壓器和全橋逆變器3個(gè)部分組成,電壓型變換器位于兩端構(gòu)成對稱結(jié)構(gòu),通過控制變壓器原副邊處的兩個(gè)H橋方波電壓信號(hào)的相位與占空比,達(dá)到控制變換器傳遞功率方向和大小的效果,具有隔離、大電壓變比、高效、高功率密度等特點(diǎn)。

將輸入和輸出的H橋看作是兩個(gè)電源,分別簡化到變壓器的兩端,通過傅里葉變換計(jì)算得出:變壓器副邊繞組的有功功率與移相角的正弦值成正比,有功功率為正值時(shí),由變壓器原邊流向副邊,副邊吸收有功功率:當(dāng)有功功率為負(fù)值時(shí),由變壓器副邊流向原邊,副邊繞組發(fā)出有功功率。

1.4并網(wǎng)保護(hù)裝置

針對分布式電源特性,本文基于傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)裝置做出以下改進(jìn)[4]:

1.4.1運(yùn)行方式

在運(yùn)行方式方面,本文采取以下兩種技術(shù)方案:

(1)孤島方案。移除原有的線路保護(hù)裝置,對保護(hù)系統(tǒng)重新進(jìn)行規(guī)劃,在線路出現(xiàn)故障時(shí),光伏發(fā)電單元獨(dú)立供電,將配電網(wǎng)分為數(shù)個(gè)孤島,將故障控制在一定范圍之內(nèi)。

(2)切源方案。線路出現(xiàn)故障,在重合閘操作之前將光伏發(fā)電單元從線路中切斷,使用傳統(tǒng)配電線路以及保護(hù)措施。

1.4.2距離保護(hù)

本文利用四邊形距離繼電器這一保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對距離保護(hù)的改進(jìn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微機(jī)線路的有效保護(hù)。借助距離繼電器對距離以及方向的精準(zhǔn)測量,使整定電阻分量和整定三段式電抗定值達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn),從而完成距離保護(hù)。

1.4.3繼電保護(hù)

對于繼電保護(hù),本文擬采用以下兩種方案:

(1)TCM方案。選擇時(shí)限最短的繼電保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)方案最優(yōu),將故障切除的時(shí)間控制在最短。

(2)電流分量檢測方案。采用過電流保護(hù)措施,只對比零序和負(fù)序電流分量,當(dāng)電流值達(dá)到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

2某住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電實(shí)例預(yù)測

以上文中的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ),本文選取了一個(gè)屋頂光伏發(fā)電條件良好的小區(qū)作為例子,對其光伏年發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測。

2.1小區(qū)基本情況

該小區(qū)位于南京市江寧區(qū)襪陵街道,占地面積50.40hm2,建筑面積350000m2。小區(qū)已有部分業(yè)主安裝屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng),以中電電氣在徐先生家安裝的12kw屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例:該發(fā)電裝置采用雙玻組件進(jìn)行安裝,利用雙玻組件透光的特點(diǎn),在光伏發(fā)電的同時(shí),不影響業(yè)主享受陽光的體驗(yàn),集美化屋頂、遮風(fēng)擋雨、綠色節(jié)能、透光可控等多種優(yōu)點(diǎn)于一體,實(shí)現(xiàn)發(fā)電自用的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),還帶來了促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展等可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

此外,隨著充電汽車的普及,加快屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)可以有效緩解公共電網(wǎng)的負(fù)載壓力,所以本文對該小區(qū)光伏發(fā)電的效益進(jìn)行了預(yù)測,以展望小區(qū)光伏發(fā)電廣泛投入使用后的美好藍(lán)圖。

2.2小區(qū)屋頂光伏發(fā)電量預(yù)測

南京市地處江蘇南部、長江南岸,太陽能資源十分豐富,年總輻射量約為1416.77kw·h/m2,日平均日照小時(shí)數(shù)約為3.96h。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,考慮到土地周圍建筑物對屋頂?shù)挠绊?、土地?nèi)建筑物之間的相互遮擋等因素,建筑物屋頂?shù)目捎霉夥娣e應(yīng)滿足冬至09:00一15:00日照時(shí)數(shù)3h以上的要求。

該小區(qū)的屋頂面積數(shù)據(jù)如下:排屋屋頂總面積約為25328.33m2,高層屋頂總面積約為8724.83m2,根據(jù)公式Apr=KprAroof計(jì)算可知,該小區(qū)屋頂光伏可安裝面積為15456.11m2。公式中,Apr為屋頂光伏可安裝面積:Kpr為屋頂光伏可利用系數(shù)(假設(shè)排屋取0.50,高層取0.32):Aroof為屋頂總面積。

再通過Epr=ApzGp7入計(jì)算該小區(qū)屋頂光伏年發(fā)電量約為89.96萬kw·h。公式中,Epr為屋頂光伏年發(fā)電量:Apz為屋頂光伏組件有效面積(假設(shè)光伏組件有效面積系數(shù)為0.39):Gp為光伏組件所接收到的輻射量(按江寧太陽高度角34.62o計(jì)算):7為理論測試的光伏模塊轉(zhuǎn)換效率(假設(shè)取多晶硅組件光伏效率0.16):入為光伏系統(tǒng)的運(yùn)行效率(假設(shè)取80%)[5]。

假設(shè)該小區(qū)每戶居住2.8人,人均年用電量500kw·h,則該小區(qū)每年需要235.9萬kw·h的電量。根據(jù)預(yù)測,該小區(qū)利用光伏發(fā)電取得的電量可以滿足其電力消耗的38.13%,能夠極大地緩解配電網(wǎng)的高負(fù)荷壓力,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^,同時(shí)也為小區(qū)未來太陽能汽車入戶,太陽能充電樁進(jìn)一步發(fā)展提供了充裕的空間。該小區(qū)全面光伏發(fā)電預(yù)計(jì)效益如表1所示。

3結(jié)語

在能源結(jié)構(gòu)加速調(diào)整的今天,對于清潔能源,應(yīng)該加快推動(dòng)其從理論向?qū)嵺`發(fā)展。本文提出的光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置涉及較為完整的光伏發(fā)電原理,對于設(shè)備的安裝和改進(jìn)也有一定的實(shí)際意義。本文介紹的小區(qū)屋頂光伏設(shè)備發(fā)電量預(yù)測,對于光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)意義做出了較為完善的說明,也可以為小區(qū)推動(dòng)光伏發(fā)電設(shè)備建設(shè)提供一定的借鑒。