梅州地区并网光伏发电的分析与对策

摘 要：近年来，我国社会经济在不断发展，新能源的开发与应用得到人们越来越多的关注。其中分布式能源发电以其节能、安全及灵活等优点受到了我国能源发展部门的高度重视，将其定为我国现在最主要的能源发展方式。然而，在实际应用过程中，变电站光伏并网发电系统的应用并不多，发展的道路还比较慢长。文章结合梅州地区并网光伏发电的现状研究了并网光伏发电的优缺点和对电网的影响，并提出了相应对策，为我国并网光伏发电的广泛应用提供一些参考依据。

关键词：变电站；光伏并网；发电系统

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0083-02

1 光伏发电的生成原理与特点

太阳能作为可再生资源，它不仅资源丰富，而且无污染，我国已将其作为发电系统重要的能源支撑。并网光伏发电就是把太阳能转换成电能再供给用户使用，其主要由太阳能光伏阵列、控制器和逆变器三大部分组成。太阳能通过光伏阵列进行接收和转换成高压直流电，再由逆变器逆变成与电网电压同频、同相的正弦交流电流提供给电网。光伏发电相较于传统发电方式其特点主要表现在：其一，受光照、温度等因素的影响，输出功率变化大；输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点。其二，光伏电池方阵输出的电能为直流电，不能直接介入公网，必须通过逆变器转换成工频交流电。

2 光伏并网发电的优缺点

2.1 光伏并网发电的优点

并网光伏发电系统在将太阳能转化成电能时不需要蓄电池进行储能，而是直接由逆变器逆变后向电网输出。它主要有以下几个优点：减少了对生产可用土地的占用，节约了初期建设成本，降低了对环境的污染。

2.2 光伏并网发电的缺点

光伏发电与太阳能能量密度、稳定性及地理和气候有关，其发电过程容易受到各方面因素的限制，如温度和季节周期的限制、地理位置的限制、气象条件限制和容量传输限制。

①温度和季节周期的限制。温度和季节周期的限制是指光伏发电必须在有日照的前提下才能正常发电，在黑夜会停止发电，而各季节的光照强度不同对其发电的负荷有严重影响。因此，电网内得配备相应容量的发电机，以备条件发生变化时维持正常工作。

②地理位置的限制。光伏发电设备需建设在日照条件充足的地方，一般建设在建筑物的屋顶。而大型的并网光伏发电系统的建设的占地空间过大，只能选择在荒漠或无人居住的地方建设。

③气象条件的限制。环境的温度、天气的变化和空气的质量都将直接影响到发电量，导致电力负荷波动大。

④容量传输的限制。光伏发电系统缺少传统发电系统的旋转惯量、调速器及励磁系统，所以光伏发电系统从远距离输送大功率、高电压、大面积的电力到负荷中心时，不管是采用交流电输送还是直流电输送都将给单位千瓦的带来输送成本的大幅度增加。因此，传送电力时必须限制其容量。

另外，太阳能电池的转换率比传统能源的转换要偏一些，且在发电过程中又要损耗掉一部分，因此，光能的转换率不尽如人意。

3 光伏发电并网形式

迄今为止，光伏发电的并网形式共有两种，一种是发电侧并网，另一种是用户侧并网。

发电侧并网就是让光伏电站的电能流经升压变电站和中高压输电线路后直接输送给公用电网，然后由配电网统一配送给用户。这种并网形式远离负荷点，一般适用于大型的荒漠光伏电站。

用户侧并网就是将光伏电站产生的电能就地调配给用户，由大电网来调节电力的盈缺，且与大电网的电力交换存在双向性。它通常被小型的城区光伏发电系统采用。

4 并网光伏发电对电网的影响

4.1 对电网调度运行的影响

光伏电站的发电受光照的影响波动大及随机性强。在光伏发电并网具备一定的规模时，辐照强度的短期波动和周期性变化就会造成线路的电压及潮流剧增而超出限制范围，从而增加了断面交换功率的调控难度。又因为光伏电站没有旋转惯性这一部分，致使有功功率呈阶跃性变化，从而降低了电网短期负荷预测的准确性，相应的就加大了传统发电和运行计划的难度。

4.2 对电网安全影响

光伏电站并网后，若与主网发生非计划解列，有可能出现孤岛效应，导致孤岛系统中的电压和频率出现较大波动而失去控制，从而损害了电网和用户设备；也可能导致故障无法清除，阻碍了电网恢复正常，误判开关已断开造成线路带电，从而给线路维护人员带来极大危险。另外，在非计划解列后的重新并网可能出现非同期合闸，从而造成断路器损坏。

4.3 对电网电能质量的影响

在光伏发电系统中使用的是高频开关电子器件的逆变器，这种电子器件很容易造成谐波的产生。输出功率受环境影响的光伏电池其伏-安特性为非线性。为了减少环境影响的危害力，需在日照和温度确定的情况下用MPPT控制器找出光伏电池输出最大功率的对应工作电压，然而输出功率具有不确定性，容易导致电网电压出现波动或闪变。

4.4 对电网监测的影响

电力系统在调度运行时必须进行实时监测，以随时掌握其运行状态，而光伏发电系统的并入增加了电网运行的实时监测范围。另外，光伏发电是一种新的发电模式，传统电网的监测模式已无法满足对其运行情况的监控，必须将监测系统扩展或升级。

4.5 对传统电网规划的影响

光伏发电系统并网后会引起配电网的功能发生转变，在原来单一的电能分配功能上又增加了电能收集和电能传输功能，那么传统的电力需求预测模型已不再适合新型的电力交换系统，而需将配电网进行重新的规划设计，这其中需将光伏电站并网的数量、规模、容量及为维持安全稳定电网所需的备用容量都考虑周全。

5 解决对策

5.1 研究出并网光伏发电的电网控制理论与技术

对光伏发电运行特性用动态模型的形式进行研究，按照光伏电池的输出特点，将天气数据加入到动态模型中，然后分析不同环境下光伏电站的运行情况，研究出其运行规律，以增强对光伏发电功率预测的准确性。另外，研究出适合光伏发电并网后对电网运行进行控制的理论，以确保在多不确定因素时维持电网正常发电及运行能提供有效的保障。

5.2 研发新型的配电网监测系统及保护与控制装备、技

术

分析研究光伏发电并网后对配电网短路时电流分布、大小及方向的影响，找出对配电网的保护与控制技术及装备，以快速清除电网故障及保证电网的安全运行。另外，需研发出新型的配电网监控系统，对电力设备进行升级，以提高电能质量的综合监控技术，减少因谐波污染而给用户带来电能质量问题。

5.3 完善光伏发电并网的技术标准与规范

在现有的国家技术标准与法规的前提下，还应综合自身电网的特点完善光伏发电并网的技术标准与规范，以确保电网运行的安全可靠。

5.4 研究与应用新型配电系统的规划方案

设计一个符合大型光伏发电并网条件的预测模型作为研究对象，以找出光伏发电系统的最佳并网方式、接入位置、最优配置及输出控制方式，得出其对电网谐波和电压波动与闪变的影响力等，从规划层面保证配电网经济性、安全性、环保性和电能质量的综合优化。

6 梅州工业园区光伏发电并网的应用

6.1 园区用电基本情况

用电负荷数据显示，园区现安装总容量有31 150 kVA，总客户数量230户左右，专变74台，有客户70户，其中包括临时施工用电11台，14户客户，容量为4 470 kVA；公变11台，有160户客户，公变总容量4 665 kVA。园区所有客户中有37户增值税大客户，大工业客户15户，高新区2011年全年企业用电量约2 410万kW・h时，园区总用电约为2 875万kW・h。

由于用电负荷的分布不均，有些用户用电量非常小，近似为零，有些用户采用了“分时工作”，也就是说白天停产或少生产，晚上生产。这样非常不利于对光伏发电的利用，造成光伏新能源电量的浪费，经济效益降低。

6.2 园区中高压线路及变电站分布情况

坐落于园区中心的110 kV连江变电站供应园区所有的用电。连江站主要负责将上级220 kV长沙变电站输送过来的110 kV电压的电力转化到园区10 kV的配电网络上。

目前，连江变电站装备了2台50 MVA的主力变压器，园区用户负荷报装容量2011年达到100 MVA。

连江变电站距离最近的光伏项目建设地点不到1公里。连江变电站目前有10 kV出线17回，大约有5回架空出线会经过本项目预定的建设地点附近。

6.3 现场勘测情况

光伏发电项目目前可利用的厂房58个，屋顶面积11万m2，如果按最佳发电效率，且不考虑女儿墙影响的情况下安装，宿舍等楼宇楼顶最多只可安装5 023.83 kWp光伏组件，原因如下：

①光伏组件安装倾角18°，光伏支架前后间距1.5 m避免光伏组件前后遮阴影响发电，预留的遮阴距离可以作为检修通道；不考虑最佳倾角，也就是说组件平铺到屋顶没有倾角，根据“光伏组件设计工具”计算结果显示，最佳倾角每增加或减小6°，效率影响5%左右；如果按梅州目前的纬度，发电效率可能会影响到15%以上。

②厂房楼顶四周有2 m高镂空女儿墙，避免女儿墙遮阴，光伏组件与东、南、西三面女儿墙距离不低于3 m；女儿墙的影响：由于房顶四周有2.5 m左右高的女儿墙，以正常厂房A5为例，会影响到3 m左右的光伏组件的效率，也就是说3/24=12.5%左右的发电效率。

③大部分房屋不是正常东南西北朝向，影响了安装的位置。考虑厂房楼顶部分建筑物存在等复杂特性，如有些屋顶有中央空调排气孔等，厂房楼顶部分地区不得安装光伏组件。

6.4 基本情况的分析结论

按以上基本情况，我们得出了以下几个结论：

①发电和用电空间上不平衡。屋顶资源分布和对应的配电容量分布不平衡，存在大屋顶小变压器，小屋顶大变压器；实际用电负荷分布严重不匹配，大量存在小屋顶大负荷，大屋顶小负荷的情况。

②发电和用电时间上错位。光伏发电时间和用户用电高峰错位，集中表现在中午功夫发电高峰时段，正好是多数用户午休低负荷时段。

6.5 解决思路及措施

①由原来13点400 V用户侧接入调整为11点10 kV配电线路接入。由于屋顶面积与对应屋顶的配电变压器容量严重不对称，在许多厂房无法利用现有的配电变压器，无法采取400 V接入的方式接入园区配电网络。10 kV接入要尽量集中。10 kV并网方式应尽量采用相对集中的方式接入园区配电网络，减少并网点，在施工，维护，计量各个环节都更具合理性。采用能源合同管理的模式，就近选择有条件的用电企业，接入10 kV线路用户侧，附近没有合适的用电企业，采用就近T接进园区10 kV公网线路。

②增加使用园区闲置的坡地及少量的平地建设光伏发电项目。集中的接入要求集中的光伏发电场地。相对集中的10 kV并网接入要求相对集中的光伏发电场地，一般而言，逆变器交流侧的电压通常在300 V以下，太远太分散的升压并网不现实。光伏电源并网对配电网的影响与光伏电源的容量以及接入配电网的规模、电压等级有关。一般情况下，光伏电源容量在250 kVA以内的接入380 V/400 V低压电网；光伏电源容量在1～8 MVA的接入10 kV等级中压电网；光伏电源容量更大一些的则接入更高电压等级的配电网。

③具体接入方式。大容量的光伏电源通过联络线接到附近变电所的母线上，如图2（a）所示。对于小型的光伏电源，为减少并网投资，就近并在配电线路上，如图2（b）所示。

本光伏发电项目计划分为10个相对独立的1 MW的并网单元，就近分布在下图所示光伏组件安装场地。考虑到场地附近有好几条10 kV的配电线路经过，拟将上述10个并网单元按就近分组的原则，以3，3，4或者2，2，3，3的方式，就近T接并入附近合适的10 kV配电线路上。我们拟采用图2方案，尽量集中建设光伏发电项目。

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