分布式光伏发电的应用及影响研究

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文章编号 1004 － 289X（ 2012） 02 － 0095 － 04分布式光伏发电的应用及影响研究王宝石 1，宋颖 2，陈向羽 3（ 1. 沈阳工程学院科技处，辽宁沈阳 110136； 2. 东北电网公司锦州超高压局，辽宁锦州121013； 3. 磐石市农电有限公司生产技术部，吉林磐石 132300）摘要分布式光伏发电已成为可再生资源利用的重要形式。介绍了光伏发电系统的结构、工作原理，分析了光伏发电系统对配电网的影响。并通过算例计算验证了工程模型有一定的应用价值。关键词分布式发电；光伏发电系统；配电网中图分类号 TM91 文献标识码 BApplication and Effect of Distributed Photovoltaic GenerationWANG Bao-shi1， SONG Ying 2， CHEN Xiang- yu3（ 1. Scientific and Technical Department， Shenyang Engineering Institute ， Shenyang 110136， China；2. Jinzhou Extra-high Voltage Bureau， Northeast Grid Company， Jinzhou 121013， China； 3. Panshi RuralPower Co．， Ltd ．， Panshi 132300， China）Abstract Distributionrd photovoltaic generation has becomean important form of renewable resources ．The paper pres-ents the structure and working principle of photovoltatic generating systemand analyzesthe effect the photovoltain gener-ating systemon the distribution grid ．By the calculating example， it has proved that the engineering model has a certainapplication value ．Key words distributed generation ； photovoltaic generating system； distribution grid1 引言太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，其分布最广，也最容易获取。相对于人类的生活而言，太阳能可以说是取之不尽、用之不竭的。太阳辐射到地球的陆地表面的能量，一年大约有 17 万亿千瓦［ 1］，仅占到到达地球大气外层表面总辐射量的 10 ，即便如此，它也相当于目前全世界一年内能量消耗总量的3. 5 万倍。2 太阳能资源分布及开发意义2. 1 太阳能资源分布情况就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富地区。据来自中国气象局太阳能风能资源评估中心的资料，我国太阳能资源全年总辐射量分布如图 1 所示。我国太阳能资源十分丰富，每年陆地接收的太阳辐射总量，大约是 1. 9 10 16kWh。全国各地太阳年辐射总量基本都在 3000 ～ 8500MJ /m2 之间，平均值超过5000MJ/m 2，并且大部分国土面积年日照时间都超过2200 小时。图 1 我国太阳能资源全年总辐射分布2. 2 太阳能资源开发意义太阳能属可再生绿色能源，是本世纪最有前途的能源。我国最近几年全国性拉闸限电，能源供应 “ 煤、电、油、运 ” 十分紧张，面对严峻的能源形势，存在的能59 电气开关（ 2012． No． 2）源缺口，只能由可再生能源来补充。可再生能源中，小水电和风电已经达到商业化水平。但它们的资源量和地理分布毕竟有限，即使全部开发也满足不了未来的需求，因此，太阳能光伏发电具有相当大的发展潜力。3 并网光伏发电系统并网光伏电站主要由光伏阵列、逆变装置及滤波电容器、滤波电感器、变压器和控制系统等组成［ 2］，对应的简化等值电路如图 2 所示。图 2 并网光伏电站等值简化电路其中 I P 为光电流； I PV为光伏阵列输出电流； CPV 为光伏阵列出口侧滤波电容； VPV 为滤波电容器直流电压；Lac为逆变器交流侧滤波电感； Rac 为滤波电感的等值电阻； Cac为逆变器交流侧滤波电容； i ac 为逆变器交流侧输出电流； Vac为滤波电容器端电压； N 为变压器变比； Ls为从变压器到并网节点的等值电感； Rs 为从变压器到并网节点的等值电阻； i s 为光伏电站注入并网点的电流； Vs 为并网点母线电压，其幅值为 Vs，相位角为 θ s。光伏发电有两种利用方式，一种是传统的依靠蓄电池来进行能量存储，即所谓太阳能光伏独立系统，但是蓄电池的存储容量非常有限，工程造价较高。另一种利用方式为太阳能光伏并网系统，电网事实上可以看作是一个庞大的储能系统，将太阳能发电系统所发出的电力输送到电网中供给其他负载使用，而在需要用电的时候则从电网中获取电能，电网就起到蓄电池的作用。当负载为直流时，如通讯设备电源系统、石油管道阴极保护电源等，则太阳能光伏发电系统可以省去直流交流逆变器和交流配电设备，系统比较简单，成本也较低。如果太阳能发电系统与交流电网并联运行（光伏并网发电），则太阳能光伏发电系统可以省去蓄电池部分，太阳能控制器和直流一交流逆变器合二为一，系统简化，发电系统的投资最省，成本下降，同时还可以减少蓄电池组对环境造成的影响。所以太阳能并网发电系统是今后光伏发电系统的主要形式［ 3］。4 太阳能光伏电池模型及算例分析4. 1 太阳能光伏电池模型太阳能电池的工作状态，可用一个等效电路来模拟。在恒定光照下，一个处于工作状态的光电池，其光电流 I ph 不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源。光电流一部分流经负载，在负载两端建立端电压 U，反过来它又正偏于 P － N 结，引起一股与光电流方向相反的电流 ID 。引入串联电阻 Rs 和并联电阻 Rsh，形成一个较为接近实际的简化等效电路，如图 3 所示。图 3 光伏电池等效电路图如图 3 所示，有太阳能光伏电池等效电路可得出公式I I ph － I D － Ish （ 1）式中， I 为光伏电池的输出电流； I ph 为光生电流；I sh为流过内部并联电阻 Rsh的电流。对于 I D 有 ID I 0 （ eq（ U IR s） / （ AkT）－ 1）（ 2）式中， I0 为二极管反向饱和电流（其数量级为10 － 4 A，一般取 I 0 8 10 － 4 A）； U 为负载端电压； k 为玻尔兹曼常数； Rs 为串联电阻； T 为绝对温度； A 为 P－ N 结的理想因子，当温度 T 298K 时，取值 2. 8； q 为电子电荷。对式（ 1）中的 I sh有 Ish U IRsRsh（ 3）将式（ 2）、（ 3）代入式（ 1），可得光伏电池输出电流表达式为I I ph － I0 （ eq（ u IRs） /（ AkT）－ 1）－ U IR sRsh（ 4）但由于表达式中的参数 I ph 、 I 0、 A、 Rsh 和 Rs 不属于供应商向用户提供的技术参数，它们不仅与电池温度和光强有关，而且难以明确，因此不适用于光伏发电系统工程设计。实用性模型即所谓的工程模型，通常采用供应商提供的几个重要技术参数，如短路电流 Isc 、开路电压Uoc 、最大功率点电流 I m、最大功率点电压 Um、最大功率点功率 Pm ，能在一定的精度下复现太阳能电池特69 电气开关（ 2012． No． 2）性，并便于计算机分析。在基本解析表达式（ 4）的基础上，通过忽略（ U IR s） / Rsh 项和设定 I ph I sc，得到太阳能电池的实用化模型。按以上简化方法设立中间系数 A、 B，可将太阳能电池的 I － U 方程可简化为 I I sc［ 1 － A（ eU / （ BU OC））－ 1］（ 5）并通过定义① 开路状态下， I 0， U Uoc；② 最大功率点， U Um ， I I m；计算得到参数 A、 B 的值A （ 1 － I mIsc） e－ Um / （ BU OC）（ 6）B （ UmUOC－ 1） In（ 1 － I mIsc[ ]）－ 1（ 7）因此，本模型只需要输入太阳能电池通常的技术参数 I sc 、 UOC 、 I m 、 Um ，就可以根据式（ 5）确定电池模型的 I － U 特性。4. 2 算例分析以沈阳市某学校为例，选取的气象数据对本文提出的光伏发电系统模型和输出功率计算方法进行验证。光伏电池我们采用鑫泰来品牌 XTL － 10W 型号，具体参数见表 1。表 1 XTL － 10W 型号电池参数品名鑫泰来型号 XTL － 10W化学类型多晶硅太阳电池结构类型同质结构太阳电池使用状态平板太阳电池输出功率 10 （ W）工作电压 17. 2 （ V）转化效率 17（）填充因子 70（）工作电流 0. 58 （ A）开路电压 21. 6 （ V）短路电流 0. 68 （ A）外形尺寸 125* 125（ mm2 ）参考重量 1. 8（ kg）逆变器采用合肥阳光电源有限公司 SG30K3 型号，转换效率见表 2。表 2 逆变器转换效率输出功率 /W 逆变器实际转化效率 /1e － 6 03. 39 85. 56. 45 939. 53 46. 8510 94. 415. 87 94. 531. 97 94. 0图 4 为该逆变器效率拟合曲线。通过上述已知的数据分析，我们把数据带入到公式（ 5 ）、（ 6 ）、（ 7 ）中，得到 A 及 B 的值分别为0. 0000803、 0. 106。将 A、 B 的值代入公式（ 5）得到输出电压及电流的关系式图 4 逆变器效率拟合曲线I I sc［ 1 － 8． 03 10 － 5 （ e（－ U / 0． 106U OC）－ 1）］（ 8）这就是光伏点处的实用化数学模型。按照本设计所选用的光伏电池的参数，在温度为250℃ ，光伏电池运行在最大功率点时，输出电流 I 的值为 0. 58A。若系统电压为 220V ，则电池的输出功率为 0. 58A* 220V 127W /m 2。再考虑到逆变器的工作效率，则系统的输出功率为 127W* 0. 9 114W /m 2。通过查询相关数据可知输出功率大约为 100W /m2 ，可看出本模型结果可信，有一定应用性。5 光伏发电对配电网的影响对于光伏并网发电和 MW 级以下的分布式发电系统，由于容量小、负荷调控手段相对简单，独立运行时易受大负荷冲击等因素的影响，供电质量较低，因此最佳的运行方式应是与当地供电电网并网运行。并网问题是困扰众多小容量分布式发电的一个关键问题，供电部门从自身的管理、调度和安全角度考虑，缺乏将这些小容量发电装置接入电网的积极性，上网普遍面临困难。5. 1 光伏发电并网对电网电压的影响从电网电压降落角度研究光伏发电接入配电网前后点样电压的变化，分别分析单个和多个光伏发电接入对配电网电压的影响，得出了光伏发电介入后将使线路电压升高，且线路某点电压变化趋势与该点后所有负荷大小和光伏发电出力有直接关系的结论［ 4］，即假设线路初始端电压不变，单个光伏发电接入后，随着光伏出力的逐渐增加，线路电压变化趋势如下（ 1）逐渐降低；（ 2）先降低后升高，再降低；（ 3）先升高后降低。多个光伏发电接入对电压的影响，基本条件与单个光伏接入算例相同。影响电压变化的其他因素，还有光伏出力大小、接入位置、电网线路参数、负荷大小等。5. 2 并网光伏系统对配电网线路保护的影响光伏发电系统的并网改变了配电网的结构及配电79 电气开关（ 2012． No． 2）网中短路电流分布，从而影响配电网继电保护。文献［ 5］研究了光伏并网发电系统的暂态模型，利用PSASP（电力系统分析综合程序）对包含光伏发电系统的某市实际网络发生故障时进行了短路计算，分析了光伏系统不同接入位置、不同容量以及不同故障点位置对配电网短路电流和线路保护产生的影响。（ 1）光伏并网系统对电流保护的影响光伏系统接入对短路点的短路电流增益很明显，并且随着光伏系统距故障点的接近而增大。如果光伏系统接入位置距离故障点足够近光伏系统容量达到一定值时，很可能引起误动；故障点在保护和光伏系统的中间时，短路点的短路电流增幅明显，流过保护的电流主要由根节点提供，与不接光伏系统时相差不大；而故障点在光伏系统的下游时，流过保护的短路电流反而比未接光伏系统时小，此时会降低保护的灵敏度。光伏系统产生逆向短路电流即光伏系统在保护的下游，而短路点在保护的上游，光伏系统会对故障点和光伏系统之间的保护产生影响，当光伏系统容量足够大时会向短路点提供很大的短路电流而使保护误动作跳闸。随着光伏系统接入容量的增大，通过光伏系统上游保护的短路电流持续减小，对上游保护不会产生影响；而通过光伏系统下游保护的电流持续增加，提高了速断保护灵敏度及保护范围，如果容量没有加以限制随着保护距离的不断增大，保护延伸至下一级线路，可能会引起误动失去保护选择性。（ 2）光伏并网对重合闸的影响光伏系统接入配电网后，一旦保护因故障动作跳闸，在光伏系统未从线路解列的情况下，形成由光伏系统供电的电力孤岛。这些电力孤岛虽然能够保持功率和电压在额定值附近运行，但是将对自动重合闸产生非同期合闸和故障点电弧重燃两种潜在威胁。6 结论随着全球资源环境压力的不断增大，社会对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求日益提高。大电网与分布式光伏发电相结合，被世界许多能源和电力专家公认为是能节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式之一。本文采用实用化数学模型计算光伏输出功率。此模型在计算时参数均容易获得，且结果并不失真，验证了本模型有一定的应用价值。光伏发电对配电网的影响因素很多，还有待进一步的研究和验证。参考文献［ 1］钱伯章．太阳能技术与应用［ M］．北京科学出版社， 2010．［ 2］崔容强，赵春江，吴达成．并网型太阳能光伏发电系统［ M］．北学工业出版社， 2007．［ 3］丁明，王敏．分布式发电技术［ J］．电力自动化设备， 2004， 24 （ 7） 31 － 36．［ 4］王志群，等．分布式发电对配电网电压分布的影响［ J］．电力系统自动化， 2004， 28 （ 16 ） 56 － 60．［ 5］石振刚，王晓蔚，赵书强．并网光伏发电系统对配电网线路保护的影响［ J］．华东电力， 2010， 38 （ 9） 1405 － 1408．收稿日期 2011 － 12 － 04作者简介王宝石（ 1980 －），男，辽宁铁岭人，工程师，主要从事配电网自动化和光伏发电并网研究檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪。（上接第 94 页）用一台双电源高压负荷开关取代了三台永磁高压真空配电装置，既节约资金又接线简单、安全可靠。首先 FKa 与 FKb 同在一个壳体中，合分闸手柄具备可靠的机械互锁，合 FKa 时，保证 FKb 是在分闸状态，即只有 FKb 在分闸状态时，才能操作 FKa 分、合；同理合 FKb 时也是如此。停电状态下， P2、 P3、 P5、 P6均处于失电分闸状态，防止带负荷操作 FK 开关，反之，在操作双电源负荷开关时，可以联锁下级配电装置，先将 P2、 P3、 P5、 P6 分闸，且不能合闸，再操作双电源负荷开关，达到延长负荷开关的使用寿命的目的。如果维护 P2、 P3，可利用其本身的隔离开关先进行隔离，再进行本体的维护。双电源负荷开关与 P2、 P3、P5、 P6 联锁是单向控制，故在维护 P2、 P3 或 P5、 P6 时并不影响 FK 的合闸状态。图 2其次与图 1 的供电方式相比，其优越性体现在一路供电、一路热备，供电电路是满负荷供电状态，使用备用电源时也是如此。而图 1 只有在故障状态时，一路才是全负荷供电状态。我公司生产的双电源负荷开关容量为 200A ，在 10kV 、 6kV 状态下，可以分别带载3400kVA 和 2000kVA ，如果推广较好，再研发较大容量的双电源产品，也是完全可以实现的。收稿日期 2011 － 10 － 1089 电气开关（ 2012． No． 2）