分布式光伏發(fā)電技術應用范文

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近年來，國家提出了可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，而光伏發(fā)電技術具有前所未有的良好應用前景[1]，其廣泛的應用大大支撐了國家能源產業(yè)政策發(fā)展方向。此外，太陽能光伏發(fā)電具有不受地域限制、不產生環(huán)境污染、發(fā)電容量可任意組合、能流密度低等特點，適合分散使用。當前應用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)廠內具有大面積的廠房和辦公建筑，而且布置分散[1]，同時，鋼鐵企業(yè)用電負荷大，分布廣，因此非常適用于分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設。目前，在華東地區(qū)的寶鋼股份、梅山鋼鐵、寧波鋼鐵等企業(yè)均已成功實施了廠房屋頂?shù)姆植际焦夥l(fā)電項目，其應用不僅能夠帶來較好的經濟、社會和環(huán)境效益，而且節(jié)能減排效果更為顯著。

1分布式太陽能光伏發(fā)電原理及系統(tǒng)組成

太陽能光伏發(fā)電其基本工作原理[2～3]如圖1所示，當太陽光照射到半導體材料組成的PN結時，一部分被反射，其余部分被PN結吸收，被吸收的輻射能有一部分變成熱，另一部分以光子的形式與組成PN結的原子價電子碰撞，產生電子空穴對，在PN結勢壘區(qū)內建電場Ei的作用下，將電子驅向N區(qū)，空穴驅向P區(qū)，使N區(qū)有過剩電子，P區(qū)有過剩空穴。在PN結附近形成與內建電場方向相反的光生電場Eph。光生電場除一部分抵消內建電場外，還使P層帶正電，N層帶負電，在N區(qū)和P區(qū)間的薄層產生光生電動勢，即“光生伏打效應”。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負荷，在持續(xù)光照下，外電路就有電流通過，形成一個小的太陽能光伏電池單元，經過串并聯(lián)組合構成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出足夠大的電能。本文所述分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是將分散在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有廠房屋頂，利用光電轉換原理和相應的光電轉換器進行發(fā)電，其輸出為直流，通過控制逆變器變換成交流，并經過相位整合后采用低壓并網方式并入交流電網，其組成如圖2所示。梅鋼光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏（太陽能電池）組件、智能型匯流箱、直流柜、并網逆變器、隔離變壓器（升壓變壓器）、配電網絡以及調度監(jiān)控系統(tǒng)組成。在具體構成中，分布式光伏電源通過400V交流母線匯流后再經過0.4/10kV專用升壓變接入該企業(yè)10kV的配電系統(tǒng)，梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構成如圖3所示。

2鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)分布式發(fā)電系統(tǒng)是基于鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)有地理環(huán)境、供配電系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)及通信網絡等，因此鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)在決策階段和方案制定階段必須綜合考慮鋼鐵企業(yè)周邊供電網絡現(xiàn)狀及發(fā)展，兼顧節(jié)約資源、工程可行性以及電網安全方面要求，同時考慮到光伏系統(tǒng)發(fā)電規(guī)模及運行管理等因素。

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)概況梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)總建設功率為20MWp，使用標準功率為245Wp的多晶硅組件81664塊，實際安裝功率為20007.68kW。系統(tǒng)多晶硅光伏組件分別鋪設在屋頂坡度為三度的鍍鋅主廠房、酸軋主廠房、連退鍍錫主廠房、熱連軋車間等12個廠房屋頂上。按照廠區(qū)車間分布情況，設立7個接入點，分別接入10kV配電室母線，梅鋼光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣一次接入如圖4所示。

2.2系統(tǒng)保護配置2.2.110kV線路保護10kV線路在用戶10kV側配置1套線路方向過流保護器，光伏系統(tǒng)側不配置，依靠用戶側線路保護切除線路故障。光伏系統(tǒng)線路發(fā)生短路故障時，線路保護器快速動作，瞬時跳開相應斷路器，從而滿足全線故障時快速切除故障要求。

2.2.2母線保護光伏系統(tǒng)側為線變組接線，經升壓變后直接輸出，因此不配置母線保護。

2.2.3安全自動裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)進線側裝設一套具備失壓跳閘功能及檢有壓（同期）合閘功能的自動裝置，實現(xiàn)頻率電壓異常緊急控制功能，跳開進線側斷路器。

2.2.4防孤島保護電網失壓時，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持對失壓電網中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)稱為孤島現(xiàn)象。非計劃性孤島效應的發(fā)生，可能危及線路維護人員和用戶的生命安全，干擾電網的正常合閘，造成孤島中的頻率和電壓失去控制。根據(jù)《分布式光伏發(fā)電接入配電網相關技術規(guī)定》要求，分布式光伏應具備防孤島保護功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)側設防孤島保護，采用具備防孤島能力的逆變器。當電網斷電時，逆變器迅速監(jiān)測孤島現(xiàn)象，關斷逆變器，立即斷開與電網連接，使光伏發(fā)電系統(tǒng)處于停止發(fā)電的狀態(tài)。梅鋼采用三相集中型逆變器，具備低電壓閉鎖及檢有壓自動并網功能。

2.2.5其他光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器還具備裝置異常時能自動脫離系統(tǒng)的功能，能同時具備耐受電壓異常及耐受系統(tǒng)頻率異常的能力，能滿足《國家電網公司光伏電站接入電網技術規(guī)定》中在電網電壓或頻率異常時的運行時間要求。

2.3電能質量分析本文從諧波、電壓波動、電壓不平衡度及直流分量等方面分析光伏電站對電網系統(tǒng)的影響。

2.3.1諧波太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏組件將太陽能轉化為直流電能，再通過并網型逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波電流，并入電網，在將直流電能經逆變轉化為交流電能的過程中會產生諧波。梅鋼的光伏發(fā)電系統(tǒng)各并網點接入的10kV母線相應的公共連接點為220kV變電站，距實際接入點較遠，光伏發(fā)電系統(tǒng)與公用電網之間有2～4級變壓器隔離，如圖3所示，因此對公用電網的影響很小。梅鋼的光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力用戶在同一場所，分7個接入點接入用戶內部的10kV配電室，7個并網點的接入功率最小為1.309MW，最大為5.049MW，屬于分布式光伏發(fā)電，所發(fā)電量由用戶“自發(fā)自用，余電上網”。由于采用的逆變器各項指標合格，而光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質量問題主要由光伏逆變器設備引起，因此該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓偏差、諧波、閃變及電壓波動、三相不平衡等電能質量指標均能滿足GB/T12325、GB/T14549、GB/T12326、GB/T15543等電能質量國家標準的規(guī)定。

2.3.2電壓波動及偏差太陽能光伏發(fā)電裝置的實際輸出功率隨光照強度的變化而變化，白天光照強度最強時，發(fā)電裝置輸出功率最大，夜間無光照，輸出功率基本為零。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)僅影響接入點所在的用戶變電站白天電壓水平，一般不會惡化接入點的最大電壓偏差，同時，光伏電站配置的逆變器具備無功功率調節(jié)及電壓控制能力。因此，該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)引起的電壓偏差在標準允許范圍內。

2.3.3電壓不平衡度及直流分量經論證三相光伏逆變器交流輸出電壓存在不平衡，其負序電壓不平衡度為0.1%，但仍然能夠滿足《電能質量三相電壓不平衡度》規(guī)定的“接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%”的要求。由于該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出升壓后接入電網，通過升壓變壓器低壓側三角形繞組將直流分量隔離（如圖4所示），故直流分量不會被送到電網，因此，也能夠滿足《國家電網公司光伏電站接入電網技術規(guī)定》中關于直流分量的相關要求。

2.4調度自動化根據(jù)《地區(qū)電網調度自動化設計技術規(guī)程》、《國家電網公司光伏電站接入電網技術規(guī)定》以及《江蘇光伏電站接入系統(tǒng)導則（2010年版）》等有關文件，該鋼鐵企業(yè)在調度系統(tǒng)接口、光伏電站遠動設備、通道要求及附屬設備選擇等方面對調度自動化進行設計。

2.4.1調度關系及調度管理該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)以7回10kV線路接入用戶變10kV配電室高壓間隔，并納入本市供電公司調度控制中心調度運行管理，上傳信息主要包括并網設備狀態(tài)、并網點電壓、電流、有功功率、無功功率和發(fā)電量，調度控制中心實時監(jiān)視光伏發(fā)電系統(tǒng)運行狀況。光伏發(fā)電關口計量點設置在光伏電站為10kV的出線側。

2.4.2遠動系統(tǒng)本市供電公司調度系統(tǒng)連接企業(yè)光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的遠動信息。企業(yè)光伏發(fā)電控制中心采用GPRS數(shù)傳終端，通過RS232連接遠動服務器的數(shù)據(jù)上傳端口，為電廠與調度之間提供一個無線數(shù)據(jù)傳輸通道，該通訊規(guī)約采用IEC60870-5-101。省電力公司通過移動APN專網接收光伏站實時信息，并將數(shù)據(jù)通過邏輯強隔離裝置發(fā)送至省公司信息內網數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)TP服務器定時生成數(shù)據(jù)接口E文件，南京地調EMS系統(tǒng)從省公司信息內網FTP機上獲取光伏站端實時數(shù)據(jù)，并通過電力反向安全隔離裝置發(fā)送到一區(qū)EMS系統(tǒng)。梅鋼光伏發(fā)電調度自動化系統(tǒng)配置如圖5所示。

2.5光伏年發(fā)電計算

2.5.1發(fā)電轉換效率分析并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量損失主要有光伏陣列能量損失、逆變器能量損失、交流并網能量損失等三部分。該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)由于場地地形復雜，直流電纜損耗大，取85%計算；依據(jù)逆變器參數(shù)，考慮光伏發(fā)電大部分時間非滿載運行，取95%計算；由于逆變器與升壓變布置在一起，并網能量損耗較小，取97%計算。

2.5.2發(fā)電量計算根據(jù)太陽輻射能量、光伏系統(tǒng)組件總功率和總效率等數(shù)據(jù)，考慮不同電池組件效率隨著時間存在衰減的實際狀況，該鋼鐵企業(yè)20MWp并網光伏發(fā)電系統(tǒng)25年發(fā)電期間的每年發(fā)電量計算為：（1）25年總發(fā)電利用小時數(shù)為23021h，總發(fā)電量約為46042萬kW•h；（2）25年年平均利用小時數(shù)為920.85h，年均發(fā)電量為1841.69萬kW•h。

3經濟效益分析

太陽能的廣泛利用可以減少一次能源（如煤、石油、天然氣）的利用，在全球環(huán)境污染問題越來越嚴重的情況下，充分利用可再生資源發(fā)電，可以在提供電源的同時，不產生煙塵、SO2、溫室氣體、廢水等污染物，不會因項目開發(fā)造成自然界不可恢復的破壞，有利于環(huán)境的保護，是一種綠色可再生的清潔能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設符合國家可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，有利于社會發(fā)展，能帶來良好的社會效益和經濟效益。以梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電系統(tǒng)的投入運行后每年可為電網提供約1841.69萬kW•h電量，與相同發(fā)電量的火電廠相比，相當于每年可節(jié)約標煤0.636萬（t以平均發(fā)電標煤煤耗為346g/kW•h計），每年可以減少二氧化硫排放量約54t，二氧化碳約16663.3t，氮氧化物47.06t，同時還可節(jié)約大量水資源。因此，大力開發(fā)太陽能資源，發(fā)展鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電，不但可節(jié)約寶貴的一次能源，還可以避免由于火力發(fā)電廠建設造成的環(huán)境污染。隨著國家能源戰(zhàn)略的實施，發(fā)展光伏發(fā)電將成為實現(xiàn)能源、經濟、社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

4結語

太陽能是清潔的可再生能源，不產生污染。光伏電站運行時主要能源消耗為集電線路、電氣設備的損耗和生產、生活用電的消耗。鋼鐵企業(yè)通過采用先進的節(jié)電、節(jié)水及節(jié)約原材料的措施，合理利用能源和資源先進的理念，為光伏電站長期經濟高效運行奠定了基礎，符合國家的產業(yè)政策，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

作者：劉廣莉 孫朝慶 杭啟舟 鮑志勤 倪俊 單位：南京市節(jié)能技術服務中心 上海梅山鋼鐵股份有限公司 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司 江蘇省節(jié)能技術服務中心