探究光伏發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)范文

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摘要：光伏組件上光照時(shí)間的長(zhǎng)短和強(qiáng)度都影響著光伏發(fā)電的效率，導(dǎo)致發(fā)電功率具有隨機(jī)波動(dòng)性。隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的增多，產(chǎn)生孤島效應(yīng)的概率也隨之增加。微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)，可以降低分布式電源并網(wǎng)時(shí)由于供電的不連續(xù)性而給配電網(wǎng)帶來的不利影響，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；微電網(wǎng)；并網(wǎng)；供電質(zhì)量

太陽能是取之不盡的綠色可再生能源，光伏發(fā)電過程簡(jiǎn)單、資源隨處可得、不排放污染物質(zhì)，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。光伏發(fā)電將成為今后主要的分布式發(fā)電方式之一。

1光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

光伏組件上光照時(shí)間的長(zhǎng)短和強(qiáng)度都影響著光伏發(fā)電的效率，發(fā)電功率變化波動(dòng)性較大。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是直流電，接入公共電網(wǎng)一般要通過逆變裝置先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些逆變裝置及其它電力電子轉(zhuǎn)換器，起到了能量的傳遞和負(fù)荷的投切作用，但也引入了大量的非線性負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，不僅會(huì)降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，還會(huì)支電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性造成影響。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)量的不斷增加，產(chǎn)生孤島效應(yīng)的概率也隨之增大[1]。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)即孤島方式運(yùn)行時(shí)，如果該供電系統(tǒng)沒有儲(chǔ)能元件或其容量太小，不足以為用戶提供合適的電壓，用戶端的負(fù)荷電壓就會(huì)發(fā)生跳變，當(dāng)電網(wǎng)重新向孤島電網(wǎng)供電時(shí)還可能損壞設(shè)備。孤島效應(yīng)還可能危害電力維修人員的安全、破壞用電設(shè)備，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此，必須找到一種合適的系統(tǒng)模式，降低光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響，提高光伏發(fā)電的效率，保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。

2微電網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、以及監(jiān)控保護(hù)裝置等組合而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[2]。數(shù)量龐大、種類不同的分布式電源并網(wǎng)所帶來的問題，都可以靠微電網(wǎng)得以解決，并使分布式電源的靈活高效應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。微電網(wǎng)實(shí)際上也是一個(gè)完整的小型配電系統(tǒng)，具有自我控制、保護(hù)和管理的功能，能對(duì)功率進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，還可實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與保護(hù)等。憑借這些關(guān)鍵技術(shù)，可以降低分布式電源并網(wǎng)時(shí)由于供電的不連續(xù)性而給配電網(wǎng)帶來的不利影響，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認(rèn)為是利用分布式電源有效的方式之一。微電網(wǎng)作為配電網(wǎng)和分布式電源的紐帶，使得配電網(wǎng)不必直接與不同種類、不同歸屬、分散接入的(甚至是間歇性的)大量分布式電源進(jìn)行對(duì)接。在《2010-2030應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)白皮書》中，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)明確將微電網(wǎng)技術(shù)列為未來能源鏈的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)也是一個(gè)完整的電力系統(tǒng)，主要由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組、逆變器和負(fù)載組成。

3.1光伏組件光伏組件通常叫太陽能電池板，是由太陽能電池片切割成不同規(guī)格的太陽能電池組合在一起構(gòu)成。單獨(dú)太陽能電池由于電流和電壓都很小，所以要作為電源必須將若干電池串并聯(lián)并嚴(yán)密封裝成組件。

3.2光伏控制器光伏控制器是用于對(duì)多路太陽能電池方陣和蓄電池、以及蓄電池和設(shè)備之間的電能傳輸進(jìn)行自動(dòng)控制的設(shè)備，是光伏供電系統(tǒng)的核心控制部分。光伏發(fā)電產(chǎn)生的電流具有隨機(jī)波動(dòng)性，直接輸出會(huì)容易損壞蓄電池和負(fù)載。光伏控制器通過高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定電流輸出，起到保護(hù)蓄電池和負(fù)載的作用。此外，光伏控制器還具有通信功能，可在各光伏發(fā)電系統(tǒng)子站中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)子站的集中管理和遠(yuǎn)距離控制。

3.3蓄電池組光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率跟光照強(qiáng)度有關(guān)，會(huì)隨著環(huán)境和天氣變化而變化，隨機(jī)波動(dòng)性較大，造成發(fā)電功率的不穩(wěn)定，不但影響了設(shè)備的利用效率，而且影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池組，將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存。光伏發(fā)電能量過大時(shí)，儲(chǔ)存電能，過少時(shí)補(bǔ)充電能，以起到電能的調(diào)節(jié)作用，保證供電的穩(wěn)定性。

3.4逆變器經(jīng)過蓄電池輸出的是直流電，而公共電網(wǎng)是交流電，日常的用電設(shè)備工作電壓要求也是交流電。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)要并網(wǎng)或者直接輸出做生活用電，都必須配備合適的交流逆變器，使輸出的正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)或者負(fù)載相匹配[3]。

4光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和安全機(jī)制

4.1光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷的無功功率和諧波會(huì)影響二者之間的電能質(zhì)量傳輸[4]。而微電網(wǎng)一般處于電力系統(tǒng)的末端，在虛弱電網(wǎng)的末梢，這種影響要比中心電網(wǎng)嚴(yán)重的多，需采用有源逆變技術(shù)進(jìn)行濾波和無功補(bǔ)償。在光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)中，可將無功補(bǔ)償控制、有源濾波和發(fā)電控制指令進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和無功補(bǔ)償一體化控制，減少功率損耗，提高供電質(zhì)量。微電網(wǎng)自身的穩(wěn)定性決定了，即使并網(wǎng)終端數(shù)量不斷增加，系統(tǒng)的負(fù)荷主要由微電網(wǎng)承擔(dān)時(shí)，微電網(wǎng)也可減少系統(tǒng)的平均停電次數(shù)和時(shí)間，保證系統(tǒng)供電的可靠性。

4.2光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全機(jī)制微電網(wǎng)存在多種運(yùn)行狀態(tài)，可以與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可與電網(wǎng)斷開轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行。當(dāng)處于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電能可以在微網(wǎng)與電網(wǎng)之間雙向運(yùn)輸；當(dāng)微電網(wǎng)或者電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)的自動(dòng)控制功能會(huì)其脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，僅向其所連接的重要負(fù)荷供電，故障排除后，控制功能會(huì)再次將微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運(yùn)行。由于微電網(wǎng)的自我控制保護(hù)功能，可以減小光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分布式電源并網(wǎng)和斷網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增加電網(wǎng)的安全性。微電網(wǎng)孤島效應(yīng)產(chǎn)生的可能原因有：電網(wǎng)斷電但微電網(wǎng)仍連接在電網(wǎng)上；微電網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)斷開但微電網(wǎng)未停運(yùn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖未這個(gè)問題上達(dá)成共識(shí)，但微電網(wǎng)孤島效應(yīng)的所帶來的不利影響都是認(rèn)同的，因此孤島現(xiàn)象的檢測(cè)顯得尤為重要。孤島效應(yīng)的檢測(cè)不僅要快速，而且要考慮發(fā)電裝置的特性以及孤島響應(yīng)的差異性。針對(duì)微電網(wǎng)的保護(hù)，主要是從分布式發(fā)電電源入手，采取限制電源注入量、繼電保護(hù)等技術(shù)，來解決電源故障引起的輸出短路電流對(duì)保護(hù)裝置的影響問題。

5光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展前景

我國(guó)生產(chǎn)的太陽能電池占全球市場(chǎng)份額的一半以上，也是光伏發(fā)電應(yīng)用大國(guó)。但由于技術(shù)和資金的限制，目前我國(guó)對(duì)光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)的使用還處于初級(jí)階段，雖然在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市建設(shè)等方面都有應(yīng)用，但主要是用于公共照明、緊急通信電源、醫(yī)療設(shè)備、加油站、避難場(chǎng)所指示及照明等重要或應(yīng)急負(fù)載的供電系統(tǒng)[5]。光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)具有存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電能等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以直接輸出給負(fù)載，也可以并入電網(wǎng)與配電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。隨著光伏發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用成本會(huì)不斷降低，光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)綠色能源的不斷普及。

參考文獻(xiàn)

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[3]呂志鵬,劉海濤,蘇劍.可改善微網(wǎng)電壓調(diào)整的容性等效輸出阻抗逆變器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(9):1-9.

[4]江海寧,蘇建徽,丁明,張國(guó)榮.光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(2):75-79.

[5]王文靜,王斯成.我國(guó)分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)科學(xué)院院刊,2016(2):165-172.

作者：陳思文 單位：武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院