光伏電站及其并網(wǎng)方式探討

談 康

（南京供電公司，南京 210008）

光伏電站及其并網(wǎng)方式探討

談 康

（南京供電公司，南京 210008）

太陽(yáng)能資源豐富，分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，其清潔、安全、便利、高效等特點(diǎn)正成為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。江蘇南京地區(qū)年日照平均2 200～3 000 h，有較好的光照條件，適合因地制宜地建設(shè)一定容量的光伏電站。

1 光伏發(fā)電原理及光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)能照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)。電池吸收光能，產(chǎn)生光電子——空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異性電荷的積累，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)荷，則負(fù)載就有光生電流流過(guò)，從而獲得功率輸出，太陽(yáng)的光能則直接變成了可以應(yīng)用的電能。通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電系統(tǒng)稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)或稱作光伏電站。

光伏電站可分為離網(wǎng)或并網(wǎng)2種運(yùn)行方式。離網(wǎng)光伏電站一般遠(yuǎn)離公用電網(wǎng)，由太陽(yáng)能電池陳列、離網(wǎng)逆變器以及獨(dú)有的蓄電池自成光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏電站則是由太陽(yáng)能電池陳列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，直流匯流裝置匯流后通過(guò)并網(wǎng)逆變器將直流轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波并入公用電網(wǎng)。

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電站的核心部件。并網(wǎng)逆變器不僅將光伏陳列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的交流電，而且對(duì)交流電的頻率、電壓、相位、同步等進(jìn)行控制；在將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯倪^(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，因此交流逆變器的品質(zhì)好壞決定了光伏發(fā)電效率及電能質(zhì)量。并網(wǎng)光伏電站的逆變器必須滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 中小型光伏電站并網(wǎng)方式的探討

2.1 光伏電站接入電網(wǎng)原則

國(guó)家電網(wǎng)公司《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（Q/GDW 617—2011）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)定》）第4.2節(jié)規(guī)定：光伏電站接入公用電網(wǎng)的連接方式分為專線接入公用電網(wǎng)、T接于公用電網(wǎng)以及通過(guò)用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)3種方式。江蘇省電力公司《光伏電站接入系統(tǒng)導(dǎo)則》（2010年版，以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）第5.1節(jié)規(guī)定：光伏電站接入江蘇電網(wǎng)的電壓等級(jí)一般應(yīng)符合表1規(guī)定。

江蘇南京地區(qū)光伏電站的接入方式還應(yīng)結(jié)合光伏發(fā)電的特點(diǎn)以及地區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)際，考慮以下因素：①光伏電站發(fā)出的電力是隨著光照強(qiáng)弱變化的間隙性電源，電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的供電可靠性設(shè)有高的要求；②江蘇南京地區(qū)中、低壓配電網(wǎng)的線路、線路走廊以及配電站母線出線間隔資源有限，光伏電站的接入必須綜合優(yōu)化利用；③光伏電站的發(fā)電時(shí)間正值電網(wǎng)用電峰值的白天，為減少光伏的輸電網(wǎng)損、優(yōu)化配電網(wǎng)的潮流分布，應(yīng)盡量考慮采用就地平衡消化的接入方式；④江蘇南京地區(qū)土地資源稀缺，大部分光伏電站的建設(shè)場(chǎng)地是利用建筑物屋頂，分散布置在建筑物屋頂?shù)墓夥娬救萘坑邢?，而距離周邊中低壓配電網(wǎng)較近；⑤為防止并減少光伏電站在用電低谷時(shí)向上一級(jí)電網(wǎng)倒送電力，接入同級(jí)電壓網(wǎng)同一供電區(qū)域的中小型光伏電站的總?cè)萘浚瓌t上不宜超過(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%。

表1 光伏電站接入電壓等級(jí)表

2.2 光伏電站并網(wǎng)方式

按照以上原則，可結(jié)合電站的總裝機(jī)容量、周邊電網(wǎng)的實(shí)際情況，根據(jù)以下條件來(lái)選擇具體的光伏電站接入系統(tǒng)方式。

（1）裝機(jī)容量200 kWp及以下的光伏電站，由于其容量較小，宜直接接入380（400）V低壓配電網(wǎng)，光伏電站發(fā)出的電力可直接在低壓配電網(wǎng)用電負(fù)荷側(cè)全部消納利用。

（2）裝機(jī)總?cè)萘看笥?00 kWp、小于等于所接入電網(wǎng)線路最大輸送容量30%的光伏電站，為充分利用和節(jié)省電網(wǎng)資源，宜考慮以10 kV及以上電壓等級(jí)、采用T接方式接入電網(wǎng)。T接方式可有效減少光伏電能的輸電網(wǎng)損，為光伏電站就地發(fā)電、就地平衡消納的發(fā)用模式創(chuàng)造條件。

（3）裝機(jī)總?cè)萘看笥跀M接入的10 kV及以上電壓等級(jí)配電線路最大輸送容量30%的光伏電站，按照《規(guī)定》4.3.2節(jié)的要求，應(yīng)采用專線接入電網(wǎng)。

（4）光伏電站一般應(yīng)接入公用電網(wǎng)。當(dāng)不具備接入公用電網(wǎng)條件時(shí)，經(jīng)論證審定，可就近接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)。光伏電站采用通過(guò)用戶內(nèi)部電網(wǎng)接入公用電網(wǎng)的接入方式應(yīng)遵守《電力法》的有關(guān)規(guī)定。

另外，為了確保電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備安全，無(wú)論光伏電站采用何種接入方式，光伏電站與電網(wǎng)只能有唯一一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，并網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置易于操作、具有明顯開斷點(diǎn)的并網(wǎng)總斷路器。

3 防孤島措施

由于光伏電站孤島運(yùn)行可能繼續(xù)向電網(wǎng)線路送電，會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備人身安全帶來(lái)隱患，因此，防孤島運(yùn)行是并網(wǎng)光伏電站重要的安全措施之一?！兑?guī)定》第8.2節(jié)規(guī)定，公用電網(wǎng)停止供電后，光伏電站必須立即斷開與電網(wǎng)的連接，防止在孤島狀態(tài)下運(yùn)行。

防止光伏電站孤島狀態(tài)下運(yùn)行，可在電站內(nèi)部和電網(wǎng)側(cè)2個(gè)層面上采取措施。

光伏電站內(nèi)部的并網(wǎng)逆變器一般均具有主動(dòng)式和被動(dòng)式2種防孤島保護(hù)。主動(dòng)式防孤島保護(hù)方式主要有判別頻率偏差、有功功率變化、無(wú)功功率變動(dòng)、電流脈沖注入引起阻抗變動(dòng)等；被動(dòng)防孤島保護(hù)方式主要有電壓相位跳動(dòng)、3次諧波變動(dòng)、頻率變化等。當(dāng)電網(wǎng)故障、光伏電站可能形成孤島狀態(tài)的瞬間，逆變器防孤島保護(hù)快速監(jiān)測(cè)，立即動(dòng)作，將光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)并網(wǎng)總斷路器斷開。

200 kWp及以下小型光伏電站，站內(nèi)一般只需一臺(tái)并網(wǎng)逆變器，逆變器防孤島保護(hù)可以滿足光伏電站防孤島的技術(shù)要求。因此《規(guī)定》中規(guī)定小型光伏電站電網(wǎng)側(cè)可以不再設(shè)置防孤島保護(hù)。

大中型光伏電站站內(nèi)一般均配置多臺(tái)并網(wǎng)逆變器。由于目前多臺(tái)逆變器之間相關(guān)的配合控制還存在技術(shù)困難，因此，電網(wǎng)側(cè)需采取防孤島措施。《規(guī)定》第8.2節(jié)明確規(guī)定：大中型光伏電站，公用電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置必須保障公用電網(wǎng)故障時(shí)切除光伏電站。

為防止大中型光伏電站發(fā)生孤島運(yùn)行，并網(wǎng)光伏電站除按系統(tǒng)要求，需配置并網(wǎng)線路的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置外，其并網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為光伏電站的防孤島解列點(diǎn)，解列點(diǎn)應(yīng)配置防孤島的解列保護(hù)、配置頻率控制器。江蘇電網(wǎng)并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)保護(hù)、自動(dòng)裝置中均已在并網(wǎng)點(diǎn)配置了頻率控制器，電網(wǎng)運(yùn)行管理部門可合理整定防孤島解列點(diǎn)解列保護(hù)頻率控制器的頻率偏差值，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障、光伏電站有可能形成孤島的瞬間，由于光伏電站發(fā)電功率與孤島負(fù)荷的不平衡，瞬時(shí)將產(chǎn)生頻率突變，解列保護(hù)快速監(jiān)測(cè)、立即斷開并網(wǎng)點(diǎn)并網(wǎng)總斷路器，從電氣（一次）上安全、可靠地將并網(wǎng)光伏電站從電網(wǎng)中切除。將光伏電站的并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置為防孤島解列點(diǎn)，配置相應(yīng)由頻率偏差整定并控制的防孤島解列保護(hù)，可有效地防止光伏電站孤島運(yùn)行。

4 電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功補(bǔ)償

《規(guī)定》第6.2.3節(jié)規(guī)定，容量在200 kWp及以下小型光伏電站，由于容量小，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功電壓支持非常有限，電網(wǎng)一般不要求其具備無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)能力。因此，小型光伏電站的并網(wǎng)逆變器只需具備：當(dāng)其輸出有功功率大于其額定功率的50%時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98（超前或滯后），輸出有功功率在20%～50%之間時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95（超前或滯后）的功能，接入電網(wǎng)時(shí)，不需要考慮無(wú)功補(bǔ)償。

大中型光伏電站原則上均應(yīng)配置無(wú)功電壓控制系統(tǒng)，并應(yīng)具備無(wú)功功率及電壓調(diào)節(jié)控制能力。

品質(zhì)優(yōu)良的并網(wǎng)逆變器一般均具有一定的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，并網(wǎng)光伏電站可利用逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)功能，在額定功率因數(shù)1.0～±0.95（0.9）范圍進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)模式大致可分為按照電網(wǎng)調(diào)度指令、給定的電壓曲線以及并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化3種。并網(wǎng)光伏電站可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行管理部門的要求，在無(wú)功可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，通過(guò)電站無(wú)功電壓控制系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)光伏電站的無(wú)功出力，并控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓。因此，對(duì)具備無(wú)功電壓調(diào)節(jié)控制能力的光伏電站原則上不需要再另行裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

由于目前江蘇南京地區(qū)已并網(wǎng)以及正在建設(shè)準(zhǔn)備并網(wǎng)的光伏電站，其并網(wǎng)逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)功能大多尚未得到全面開發(fā)和利用，其額定功率因數(shù)均設(shè)定為1.0（或0.99），不具備無(wú)功調(diào)節(jié)能力。因此，為保證光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平和電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，大中型光伏電站應(yīng)按照《規(guī)定》的要求，配置相應(yīng)容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

《規(guī)定》第6.2.2節(jié)規(guī)定：對(duì)于專線接入公用電網(wǎng)的大中型光伏電站，其配置的容性無(wú)功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集系統(tǒng)、主變壓器的全部感性無(wú)功及光伏電站送出線路一半的感性無(wú)功功率之和；其配置的感性無(wú)功容量應(yīng)能夠補(bǔ)償光伏電站送出線路的一半充電無(wú)功功率。

《規(guī)定》設(shè)有對(duì)T接于公用電網(wǎng)的光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償方式及容量作具體的規(guī)定。由于T接配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，T接線路一般不會(huì)太長(zhǎng),T接的光伏電站容量相對(duì)又較小，因此，T接光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償可以不影響線路T接前的無(wú)功電壓水平和電網(wǎng)電壓質(zhì)量為原則進(jìn)行補(bǔ)償。在接入系統(tǒng)時(shí)可結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際考慮以下2種方法來(lái)確定光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置類型及容量：①光伏電站“全額滿出力”、“零出力”2種典型運(yùn)行方式，光伏電站T接點(diǎn)的注入潮流功率因數(shù)為1.0，所對(duì)應(yīng)的光伏電站的容性、感性無(wú)功出力為無(wú)功補(bǔ)償容量；②光伏電站的容性補(bǔ)償容量以全額補(bǔ)償電站滿發(fā)時(shí)站內(nèi)匯集系統(tǒng)、主變壓器及T接線路的全部感性無(wú)功之和。感性無(wú)功容量：補(bǔ)償T接線路一半充電無(wú)功功率。

按照《規(guī)定》第6.2節(jié)的要求，并網(wǎng)光伏電站配置的無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)是可調(diào)節(jié)的。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光伏電站最終確定的并網(wǎng)方式、無(wú)功補(bǔ)償類型、容量，應(yīng)綜合考慮光伏電站總裝機(jī)容量、周邊電網(wǎng)實(shí)際情況，因地制宜地選擇技術(shù)、經(jīng)濟(jì)均優(yōu)的接入系統(tǒng)方案

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[1]國(guó)家電網(wǎng)公司.光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].

[2]江蘇省電力公司.光伏電站接入系統(tǒng)導(dǎo)則[S].

[3]趙爭(zhēng)鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011(12)：106-112.

Discussion on photovoltaic power station and its network mode

TAN Kang
（Nanjing Electric Power Supply Company,Nanjing 210008,China）

2012-05-28

1009-1831（2012）06-0056-03

TM6158

E

（

徐文紅）