隋 超,趙憲國,高壽梅
(國網(wǎng)山東省電力公司沂南縣供電公司,山東 臨沂 276300)
1 微電網(wǎng)概述
近年來,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度逐漸加快,石油化工能源被過度開發(fā)利用,隨之引發(fā)能源危機(jī)問題;谠摫尘,新能源技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,更多企業(yè)開始關(guān)注與應(yīng)用新能源發(fā)電技術(shù),如光伏太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。新能源發(fā)電雖可有效解決能源危機(jī)問題,然而因?yàn)樵摷夹g(shù)本身存在發(fā)電間歇性問題,尤其是并網(wǎng)過程中極易導(dǎo)致電網(wǎng)形成電力波動現(xiàn)象,影響電能質(zhì)量和發(fā)電量。因此,提出微電網(wǎng)的概念,其核心在于多微電源同時供電,相互補(bǔ)充電源,可滿足小范圍的電力供應(yīng)目標(biāo)[1]。分布式光伏發(fā)電的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
微電網(wǎng)即微網(wǎng),是電壓等級為400 V 或10 kV 的一種現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),也是負(fù)載與保護(hù)裝置、能源轉(zhuǎn)換裝置、分布式電源以及儲能裝置等構(gòu)成的發(fā)電、配電系統(tǒng)[2]。從根本上說,微電網(wǎng)對于形式煩瑣、數(shù)量較多的分布式電源并網(wǎng)問題解決力度較大,達(dá)到分布式電源高效應(yīng)用的目標(biāo)。
1.2 微電網(wǎng)元件
靜態(tài)開關(guān)、分布式電源、功率電子設(shè)備以及儲能設(shè)備等要素共同組成微電網(wǎng),其中分布式電源指的是負(fù)載周邊分布的一種電力,主要將其分成2 種,即非再生能源、可再生能源。儲能設(shè)備主要為飛輪儲存、超級電容量和蓄電池等[3]。在電網(wǎng)有效功率高于負(fù)載要求的情況下,就會存儲剩余電量,以維持電力供需平衡。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時,可調(diào)節(jié)儲能設(shè)備頻率,從而為微網(wǎng)運(yùn)行提供保障。
1.3 微電網(wǎng)的優(yōu)勢和劣勢
微電網(wǎng)是在低碳經(jīng)濟(jì)背景下所產(chǎn)生的,由電負(fù)荷、分布式電能源共同組成的系統(tǒng)通過低電壓連接配電網(wǎng),且存在更靈活的運(yùn)行方式,具有可調(diào)度性能。微電網(wǎng)可視為電力系統(tǒng)的受控實(shí)體,具有較高的可控性,能夠有效保障供電質(zhì)量。微電網(wǎng)具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢,且發(fā)電成本比較低,對比傳統(tǒng)電網(wǎng),微電網(wǎng)能夠有效緩解環(huán)境壓力,降低發(fā)電成本。由多個微電源共同組成的微電網(wǎng),可以向本地用戶分配電能,無須輸電線傳輸,大大縮減了負(fù)載和電源的距離,使輸電線路的電能熱損耗獲得有效下降,也無須創(chuàng)建架空輸電線路,有效節(jié)約輸電建設(shè)成本,不會由于地理、天氣等因素而提高供電成本,具有較高的供電可靠性[4-5]。熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行下,還可重復(fù)回收利用余熱,基于該情況,微電網(wǎng)的能源利用率可超過80%。
由此可以看出,世界能源互聯(lián)網(wǎng)下的微電網(wǎng)存在極大的發(fā)展優(yōu)勢。然而,與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比,微電網(wǎng)起步比較晚,也有很多不利因素,其發(fā)展受到很多制約因素的影響,如分布式電源具有較高成本,有待進(jìn)一步提升運(yùn)行和保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);電能存儲和生產(chǎn)必須依照負(fù)載需求調(diào)整,且微電網(wǎng)市場監(jiān)管制度也不完善,有待從立法層面進(jìn)一步優(yōu)化。
2 分布式光伏發(fā)電技術(shù)
作為用途極為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)包括獨(dú)立發(fā)電與并網(wǎng)發(fā)電2 類。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生之初多是用于微波中繼站、太空飛船、電視差轉(zhuǎn)臺以及通信系統(tǒng)等區(qū)域。近年來,越來越多的領(lǐng)域開始推廣應(yīng)用太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電,主要為家庭屋頂光伏發(fā)電、城市交通或照明等。
2.1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)
獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也被叫作離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),為太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng),由熱輻射與光產(chǎn)生能量。通常來說,單獨(dú)太陽能發(fā)電一定要配備能量存儲設(shè)備,電池是應(yīng)用最多的設(shè)備。同時,需要配備控制器,主要作用是避免蓄電池過度放電,或者過度充電[6]。在直流電源中,應(yīng)用的獨(dú)立廣電系統(tǒng)核心部件主要為蓄電池組、防反充二極管、電池方陣以及控制器等。
2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
太陽能光伏系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于,通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化直流電成交流電,進(jìn)而保證交流電能夠與公共電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有效連接,向廣大住戶提供更多電力,多余電量直接輸送至電網(wǎng)。在太陽能電池低電量的情況下,有必要做好電力網(wǎng)補(bǔ)充工作。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的示意如圖2 所示。

圖2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意
2.3 分布式光伏發(fā)電的工作模式
光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作機(jī)理在于,通過太陽能電池所具有的光生伏打效應(yīng),太陽能電池板將太陽光中的光能轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)給客戶。太陽能電池板、配電室、防雷系統(tǒng)、匯流箱以及逆變器等是太陽能電池板的重要組成部分。此外,因?yàn)樘柕哪芰棵芏容^低,所以要求有較大的光電轉(zhuǎn)換效率,并且要使用匯流箱來降低光電轉(zhuǎn)換效率。由于光伏太陽能電池所產(chǎn)生的電屬于直流電,因此還必須要有一個逆變器來將直流電變成交流電。同時,為了確保在雷暴天氣下對發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,如電池面板、逆變器等進(jìn)行防護(hù),也必須進(jìn)行初步的防雷設(shè)計。具有低壓負(fù)載的室內(nèi)配電場所統(tǒng)稱為配電室,能夠?yàn)榈蛪河脩舴职l(fā)電能。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常在10 kV 之下,因此只需要設(shè)置一個低壓配電室即可[7]。除此之外,還必須在電力供應(yīng)上安裝一些能量存儲單元,或是將整個系統(tǒng)接入電力網(wǎng)絡(luò),才能確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定,如此便構(gòu)成一個完備的發(fā)電和用電體系。光伏發(fā)電原理如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電原理
3 基于微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電技術(shù)要點(diǎn)
3.1 并網(wǎng)控制
若分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有配備相應(yīng)的蓄電池,則需將其并入電網(wǎng),以確保該光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性。分布式光伏發(fā)電有多能量來源、多并網(wǎng)逆變器等特性,所以應(yīng)充分考慮影響并網(wǎng)控制的相關(guān)因素。此外,因分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能源產(chǎn)生多借助并網(wǎng)逆變器,且并網(wǎng)運(yùn)行期間需要重點(diǎn)注意耦合機(jī)理,所以涉及控制并網(wǎng)協(xié)調(diào)性能問題,應(yīng)注重在運(yùn)行過程中協(xié)調(diào)控制逆變器的電壓和頻率,以合理地動態(tài)分配其運(yùn)行負(fù)荷。
3.2 優(yōu)化系統(tǒng)電能質(zhì)量
通常情況下,分布式光伏發(fā)電的電能輸出主要為直流電,然而用戶端負(fù)載多用交流電。若要使用光伏發(fā)電所輸出的電能,則需要轉(zhuǎn)化直流電為特定頻率的交流電,由此就需要應(yīng)用逆變器。但是,并網(wǎng)運(yùn)行過程中,正常運(yùn)行時的逆變器會產(chǎn)生直流分量與諧波,會污染到電網(wǎng),影響電網(wǎng)得電能質(zhì)量。特別是電網(wǎng)直接連接用戶側(cè)負(fù)載時,就算直流分量與諧波非常小,也會嚴(yán)重影響到用戶的用電端口負(fù)載,造成設(shè)備不能順利或正常運(yùn)行,導(dǎo)致設(shè)備遭到損壞。除此之外,在用戶負(fù)載中有大量感性負(fù)載的情況下,接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)會大大降低功率因數(shù)cosϑ,導(dǎo)致電機(jī)等感性負(fù)載無法正常運(yùn)行,甚至?xí)哟蟀l(fā)熱量[8]。以上情況產(chǎn)生的主要原因在于,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大多只輸出有功功率,還有可能是電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償裝置不匹配光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此,若想有效控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,借助可調(diào)節(jié)功率因數(shù)cosϑ,可以對三電平組串逆變器進(jìn)行輸出,也可通過并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)呐渲,有效改善并網(wǎng)連接中出現(xiàn)的光伏發(fā)電電能輸出質(zhì)量問題。
3.3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配置優(yōu)化
由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能源為太陽能,而太陽能會因?yàn)楦鞯貧夂颉⒌乩砦恢玫韧獠恳蛩囟嬖谝欢S機(jī)性,而且光伏發(fā)電的核心部件即太陽能電池板的能量密度相對較低,相比傳統(tǒng)電網(wǎng),太陽能電池板的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在一定不同;谝陨弦蛩,在電力系統(tǒng)規(guī)劃過程中,應(yīng)精準(zhǔn)預(yù)估本地可再生能源的分布情況,同時評估負(fù)載的可用性、隨機(jī)性和合理性[9]。對要進(jìn)行光伏發(fā)電的地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,詳細(xì)調(diào)查和研究當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)、客戶的用電負(fù)荷,進(jìn)而決定在當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)設(shè)置相應(yīng)的分布式光伏發(fā)電裝置,防止負(fù)載過小或某一個電網(wǎng)單元負(fù)載過大,有效提升地方電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性。
4 結(jié) 論
分布式光伏發(fā)電技術(shù)與微電網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)階段,進(jìn)一步擴(kuò)大了分布式光伏設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用范圍,且并網(wǎng)能力也隨之得到提升。未來發(fā)展中,還會進(jìn)一步擴(kuò)充太陽能應(yīng)用與發(fā)展的空間,為供電領(lǐng)域提供更多能源,最終推動社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。