光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)對保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定，電能的合理、高效利用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益等方面都具有重要的意義。
太陽能光伏并網(wǎng)是指將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電后接入公共電網(wǎng)或接入用戶端高壓、低壓母排上。
按照光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模和安裝形式的不同，分為集中式光伏并網(wǎng)和分布式光伏并網(wǎng)。
集中式光伏并網(wǎng):一般指在大面積的沙漠、荒原或水面集中建立的大型光伏發(fā)電站。電能被直接并到高壓輸電系統(tǒng)，由高壓輸電系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電，集中式光伏并網(wǎng)與高壓輸電系統(tǒng)之間的電力交換是單向的。
通常大型光伏發(fā)電站位置偏遠，需要長距離輸電線路送電入網(wǎng)，會產(chǎn)生一定的線路損耗。
分布式光伏并網(wǎng):一般在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，且以配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。
應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，指利用屋頂或建筑立面設(shè)置太陽能光伏板，所產(chǎn)生的電能直接并接到用戶配電箱進線開關(guān)處向用戶負載供電，或者直接并網(wǎng)到變電所低壓母排上，通常電壓等級為380V。
當光伏發(fā)電容量與變壓器負載端負荷總?cè)萘坎粚Φ葧r，可通過電網(wǎng)調(diào)節(jié)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與國家電網(wǎng)之間的電能交換可以是雙向的。但用戶設(shè)置的分布式光伏產(chǎn)生的電能要實現(xiàn)余電上網(wǎng)，則要相關(guān)部門審批方可實施。
無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)即用戶自發(fā)自用模式:用戶端太陽能光伏發(fā)電完全用于用戶負載，當光伏發(fā)電總?cè)萘坎荒軡M足用戶使用需求時，從公共電網(wǎng)購電;當光伏發(fā)電總?cè)萘砍^用戶端使用需求時，剩余部分也不會返送至公共電網(wǎng)。
這種并網(wǎng)系統(tǒng)電流方向是固定的，所以需要安裝防逆流裝置，防止電源返送至上一級電網(wǎng)。
一般情況下變壓器實際運行時負載率都不是很高，為避免造成浪費，每臺變壓器接入光伏發(fā)電總?cè)萘坎灰顺^變壓器容量的25%。無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1。
圖1 無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)即用戶自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式:這種是最理想的并網(wǎng)形式，當太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能超出用戶使用需求時，可將剩余電能接入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電;當太陽能光伏系統(tǒng)電能總量不滿足用戶使用需求時，超出的部分由電網(wǎng)供電。這種向電網(wǎng)供電與從電網(wǎng)取電時電流的方向是相反的，所以稱為有逆流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如圖2。
圖2 有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
切換型并網(wǎng)指的是負載供電電源在市政電網(wǎng)系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)之間的切換。
當光伏發(fā)電系統(tǒng)因自然環(huán)境因素或故障無法向負載提供足夠電能時，供電電源通過切換器切換到電網(wǎng)供電側(cè)，同時當電網(wǎng)停電時，切換器能自動切換到光伏發(fā)電系統(tǒng)供電，使光伏發(fā)電系統(tǒng)與市政電網(wǎng)分離。
并且在有需要時切斷對負載端非重要負荷的供電，通常切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)帶有蓄電池組，如圖3。
圖3 切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
這種系統(tǒng)就是在無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中根據(jù)用戶需求配置蓄電池。帶有蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)靈活性較強。
白天太陽能較充足時，智能控制器會把多出來的電能存儲到蓄電池中，當夜晚、陰天、電網(wǎng)停電時，智能控制器會將蓄電池中存貯的電能送往用戶負載。
這種并網(wǎng)形式更能夠充分地收集和利用太陽能，但筆者認為蓄電池在整個光伏系統(tǒng)中單瓦成本較高且質(zhì)保年限太短，同時廢棄蓄電池組對環(huán)境危害較大。
并網(wǎng)電壓等級通常情況下取決于光伏發(fā)電裝機容量，具體可參照表1。
表1?光伏發(fā)電接入電壓等級建議
居民自用光伏發(fā)電一般裝機容量都在8kW以內(nèi)，可采用220V電源直接并網(wǎng)，由于居民自用光伏發(fā)電容量比較小不建議采用余電上網(wǎng)模式，通過安裝防逆流保護裝置，避免電能倒送至電網(wǎng)。
光伏發(fā)電裝機容量8～400kW時，可選用380V電壓接入電網(wǎng)。對于光伏電站分布位置分散多點式時，同時所建項目有多個變電所，或者同一個變電所有兩臺以上變壓器的情況下，光伏發(fā)電可以接入多臺變壓器，這種情況下，光伏發(fā)電接入380V電壓時的安裝容量可大于400kW，設(shè)計時可根據(jù)項目實際情況選擇。
光伏發(fā)電裝機容量大于400kW時，通常選用10kV電壓接入電網(wǎng)。10kV并網(wǎng)系統(tǒng)由于電壓高，需要設(shè)置升壓變壓器，升壓變壓器容量可根據(jù)實際情況選取400kVA、500kVA、630kVA、800kVA、1000kVA、1250kVA單臺或多臺組合。變壓器電壓等級為10/0.4kV。
各電壓等級并網(wǎng)系統(tǒng)示意如圖4～6。
圖4 220V并網(wǎng)系統(tǒng)示意
圖5 380V并網(wǎng)系統(tǒng)示意
圖6 10kV并網(wǎng)系統(tǒng)示意
分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)接入配電系統(tǒng)時，向原系統(tǒng)注入有功功率，而方向卻與負載有功功率方向相反。以線路首端為基準電壓，粗算線路任意兩點間(圖7中m與m－1間為例)電壓降ΔUp。
式中，Pr為光伏并網(wǎng)有功功率;Pi為接入配電干線某一節(jié)點負載有功功率;Qr為光伏并網(wǎng)無功功率;Qi為接入配電干線某一節(jié)點負載無功功率;Un為系統(tǒng)標稱電壓;Ｒ、X分別表示為線路兩點間電阻、電抗。
從理論分析或仿真軟件試驗不難發(fā)現(xiàn)，注入點的電壓由于系統(tǒng)有功的減少及線路壓降損失的減小，使得電壓明顯升高。且距注入點越近，容量越大，電壓升高，波動越明顯。
光伏系統(tǒng)逆變器、匯集電路及升壓變壓器等設(shè)備的使用，無疑導(dǎo)致諧波電流的產(chǎn)生進而引發(fā)一系列的危害，因此諧波抑制措施必不可少，使其滿足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549—1993中規(guī)定。
另外，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板方陣、逆變器、匯集線路、變壓器和輸出線路組成，在光伏發(fā)電系統(tǒng)出力比較大時，匯集線路、變壓器和送出線路都有一定的無功損耗;在光伏發(fā)電系統(tǒng)出力比較小時，匯集線路和送出線路會有一定的充電功率。
充分利用并網(wǎng)逆變器無功容量及其調(diào)節(jié)能力的同時，根據(jù)實際需要設(shè)置無功補償裝置，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)能在超前0.95至滯后0.95范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
綜上，當采用10kV(6kV)電壓等級并網(wǎng)，具有統(tǒng)一升壓變壓器的光伏發(fā)電系統(tǒng)時，可在升壓變壓器低壓側(cè)配置無功補償裝置。
當采用380V電壓等級并網(wǎng)時，可在并網(wǎng)點集中配置無功補償裝置。結(jié)合諧波抑制和電壓波動的影響，建議采用性能更優(yōu)、功能更全的靜止無功發(fā)生器(SVG)綜合治理。
光伏發(fā)電并網(wǎng)接入電網(wǎng)后，發(fā)生短路時，并網(wǎng)點的短路電流與并網(wǎng)前發(fā)生明顯變化(如圖8)，由市電提供的ik1"與由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的ik2"兩部分組成。
這樣就改變了原有配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對于系統(tǒng)的三段式電流保護，尤其是10kV及以上系統(tǒng)的繼電保護的準確性、靈敏性都將產(chǎn)生影響。
同時，瞬時短路電流的增加，對保護開關(guān)、線纜等設(shè)備的短路水平均需要重新校核，以避免安全事故的發(fā)生。
顯然，低壓并網(wǎng)光伏系統(tǒng)提供的短路電流小于高壓并網(wǎng)，且低壓光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供短路電流受逆變器電流允許值限制，一般情況下逆變器的短路電流輸出值為其額定電流的1.2～1.5倍。
因此，低壓小容量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)提供短路電流相對影響較小。但也可能因未達到逆變器的限值電流而長期存在，在選擇電纜截面時，應(yīng)按該短路電流與額定電流較大者選擇。
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中應(yīng)避免非計劃“孤島效應(yīng)”帶來的危害，主要集中表現(xiàn)為:增加維護檢修人員的安全風險;孤島的電壓和頻率，幅值的變化對用電設(shè)備帶來破壞等。
因此，規(guī)范明確要求光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備快速監(jiān)測孤島且立即斷開與電網(wǎng)連接的能力。
防孤島保護動作時間不大于2s，防孤島保護還應(yīng)與電網(wǎng)側(cè)線路保護相配合。通常光伏并網(wǎng)逆變器具有防孤島保護功能，也可結(jié)合工程實際情況和需求，加裝防孤島保護裝置，確保系統(tǒng)安全可靠。
實際工程設(shè)計過程中，應(yīng)滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的額定電流低于并網(wǎng)點的三相短路電流的10%;同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘坎怀^上一級變壓器額定容量的25%。
此外，還應(yīng)優(yōu)先采用380V電壓等級，分散末端并網(wǎng)、無逆流的系統(tǒng)形式，就地消納，減少對電網(wǎng)的沖擊。也正因如此，若無余電上網(wǎng)需求，推薦負載終端并網(wǎng)的系統(tǒng)形式而非10/0.4kV變電所低壓母線處并網(wǎng)。
近年來，智能光伏控制器技術(shù)快速推進，兼具多種保護功能于一體，性能指標優(yōu)越，也使得光伏系統(tǒng)更加簡單、安全、高效。
光伏并網(wǎng)運行無疑是節(jié)能減排的重要舉措，然而，減少光伏系統(tǒng)的接入對原配電系統(tǒng)的干擾也不可忽視。
應(yīng)從光伏并網(wǎng)電壓等級與規(guī)模、系統(tǒng)的短路保護設(shè)置、改善電能質(zhì)量措施、經(jīng)濟成本投資、遠期規(guī)劃以及新設(shè)備、新材料的使用等各方面比選后綜合考慮。
來源：光伏并網(wǎng)技術(shù)要點淺析與應(yīng)用探討
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：光伏并網(wǎng)的技術(shù)要點及應(yīng)用
