淺談分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)與實(shí)踐應(yīng)用

白正

【摘 要】隨著工業(yè)化的不斷增長(zhǎng)，能源消耗與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，自然界的一次能源（石油、天然氣、煤炭）儲(chǔ)量有限，已經(jīng)不能解決電力的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)還存在嚴(yán)重的環(huán)境污染，積極開(kāi)發(fā)可再生的綠色新能源迫在眉睫。太陽(yáng)能是一種理想的可再生資源，開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能，有利于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。筆者在課外實(shí)踐活動(dòng)中，走訪(fǎng)了供電企業(yè)與分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目業(yè)主，現(xiàn)場(chǎng)參與了屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)，完成了社會(huì)實(shí)踐論文。本文針對(duì)分布式光伏發(fā)電原理、并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)、實(shí)踐案例分析進(jìn)行了分析研究，論述了光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目前景良好，意義深遠(yuǎn)。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電 并網(wǎng)技術(shù) 實(shí)踐應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，截至2014年底，國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量2805萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量約250億千瓦時(shí)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，太陽(yáng)能是取之不竭，用之不盡，是一種理想的可再生能源。據(jù)測(cè)算，我國(guó)國(guó)土面積2/3以上的地區(qū)，每年的日照量都在2000小時(shí)以上，有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。同時(shí)由于國(guó)家推行較高的發(fā)電補(bǔ)貼政策，光伏并網(wǎng)發(fā)電成為精準(zhǔn)扶貧、居民投資增收的得力手段。用屋頂面積安裝中小型太陽(yáng)能發(fā)電可以節(jié)約土地資源，是一種方便可行的方法。為此，筆者倡導(dǎo)大力發(fā)展屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電，并在課外學(xué)習(xí)活動(dòng)中進(jìn)行了研究和實(shí)踐。

1 光伏發(fā)電的原理及優(yōu)越性

（1）光電轉(zhuǎn)換原理：光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光伏發(fā)電的原理就是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子，形成電壓，建立電流回路將光能量轉(zhuǎn)化為電能量。

（2）光伏材料：光伏材料是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料，又稱(chēng)太陽(yáng)能電池材料，只有半導(dǎo)體材料具有這種功能。目前可以制作太陽(yáng)電池材料的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于地面并且已批量生產(chǎn)的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。其中我國(guó)已經(jīng)投入商業(yè)生生產(chǎn)的單晶硅、多晶硅，較經(jīng)濟(jì)且常用的是多晶硅。

（3）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)指在用戶(hù)所在地附近，利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，不以大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送電力為目的，所生產(chǎn)的電力以用戶(hù)自用、余量上網(wǎng)為主要消納方式的發(fā)電系統(tǒng)。現(xiàn)有的分布式光伏發(fā)電包括并網(wǎng)型，離網(wǎng)型及多能互補(bǔ)微電網(wǎng)等應(yīng)用形式。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)把光能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，直接通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池方陣、連接器、并網(wǎng)逆變器、電網(wǎng)等部分組成。如圖1所示。

（4）分布式光伏發(fā)電的優(yōu)越性主要有三個(gè)方面：一是系統(tǒng)相互獨(dú)立，安全性高；二是能源取之不盡，屬清潔能源，大大減小環(huán)保壓力。三是土建和安裝成本低，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，維護(hù)成本低；存在的主要問(wèn)題發(fā)電量是受氣候環(huán)境影響較大。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)

分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)主要考慮因素的有并網(wǎng)模式、并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)接入點(diǎn)、計(jì)量裝置和安全措施等。

2.1 并網(wǎng)模式選擇

分布式電源的并網(wǎng)模式有全部自用、全額上網(wǎng)和自發(fā)自用余量上網(wǎng)三種模式，用戶(hù)根據(jù)自身特點(diǎn)，可以自行選擇。全部自用模式是指發(fā)電量全部用于自用，不向電網(wǎng)輸送，發(fā)電量不足時(shí)，由電網(wǎng)供電；全額上網(wǎng)模式是指發(fā)電量全部輸入電網(wǎng)；自發(fā)自用、余量上網(wǎng)模式是指發(fā)電量先滿(mǎn)足客戶(hù)用電需求，剩余電量向電網(wǎng)輸送，發(fā)電量不足時(shí)，由電網(wǎng)供電。

2.2 并網(wǎng)電壓的選擇

分布式電源并網(wǎng)電壓等級(jí)可根據(jù)裝機(jī)容量進(jìn)行初步選擇，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，一般情況下，裝機(jī)容量8千瓦及以下接入220伏，8千瓦以上至400千瓦接入380伏，400千瓦以上至6000千瓦接入10千伏。最終并網(wǎng)電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選論證確定，若高低兩級(jí)電壓均具備接入條件，優(yōu)先采用低電壓等級(jí)接入。

2.3 并網(wǎng)點(diǎn)的選擇

分布式電源與電力用戶(hù)在同一場(chǎng)所，發(fā)電量“全部自用、自發(fā)自用剩余電量上網(wǎng)”，接入用戶(hù)側(cè)。分布式電源與電力用戶(hù)不在同一場(chǎng)所情況，接入公共電網(wǎng)。為保證設(shè)備和人身安全，并網(wǎng)點(diǎn)要有明顯斷開(kāi)點(diǎn)和標(biāo)志，安裝專(zhuān)用開(kāi)關(guān)，明確指示開(kāi)關(guān)是“合上”還是“斷開(kāi)”，并在線(xiàn)路短路等故障情況下可以快速斷開(kāi)故障電流，有自動(dòng)檢測(cè)電壓功能，失壓時(shí)自動(dòng)跳閘，電壓恢復(fù)時(shí)自動(dòng)合閘。

2.4 計(jì)費(fèi)裝置的選擇

為準(zhǔn)確計(jì)量發(fā)電量、上網(wǎng)電量、下網(wǎng)電量（客戶(hù)向電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)的電量），并網(wǎng)時(shí)應(yīng)安裝多功能電能表，并納入供電企業(yè)并網(wǎng)（發(fā)電）多功能電能表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集相關(guān)發(fā)電量、電壓、電流等及日運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。

2.5 安全裝置的配置

在選擇光伏發(fā)電裝置和并網(wǎng)設(shè)備時(shí)，應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范，制定有效的安全措施，配置相關(guān)保護(hù)裝置、防雷裝置、接地裝置，保證在出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓、失壓、頻率過(guò)高或過(guò)低、極性反接、負(fù)載過(guò)重等異?；蚬收锨闆r時(shí)，能自動(dòng)斷開(kāi)，有效保證設(shè)備和人身安全。

3 20千瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目（屋頂式）設(shè)計(jì)案例

某地20千瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目資料如下：

（1）項(xiàng)目選址在農(nóng)村住宅區(qū)，采用屋頂式，占地約180平米，每千瓦投資預(yù)算為8000元。

（2）太陽(yáng)能電池組件選用多晶硅材料，成本相對(duì)較低。并網(wǎng)逆變器采用多組串逆變器，體積小、搬運(yùn)和安裝方便。匯流箱選用智能光伏匯流箱，提供防雷及過(guò)流保護(hù)，并監(jiān)測(cè)光伏陣列的單串電流、電壓及防雷器狀態(tài)、斷路器狀態(tài)。

（3）采用380伏并網(wǎng)，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)模式，并網(wǎng)點(diǎn)選在用戶(hù)側(cè)。在產(chǎn)權(quán)分界處配置雙向多功能電能表，用于計(jì)量上網(wǎng)電量和下網(wǎng)電量（電網(wǎng)向用戶(hù)提供的電量），在發(fā)電設(shè)備匯總處安裝電能表計(jì)量發(fā)電量（由供電公司安裝）；用電負(fù)載前客戶(hù)可以安裝電能表計(jì)量用電量，也可計(jì)算出用電量=（發(fā)電量-上網(wǎng)電量）+下網(wǎng)電量。接線(xiàn)圖如圖2所示。

注：圖中QF—低壓斷路器 QS—低壓隔離開(kāi)關(guān)

（4）光伏發(fā)電項(xiàng)目益分析：

筆者對(duì)該電站2015年發(fā)電收益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如下：

發(fā)電容量：20千瓦，本地區(qū)上網(wǎng)電價(jià)為0.3205元/千瓦時(shí)，補(bǔ)貼電價(jià)為0.42元/千瓦時(shí)，建站成本為159000，累計(jì)年發(fā)電量28956千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量28501千瓦時(shí)，自用電量455千瓦時(shí)。

年用電節(jié)約電費(fèi)=自用電量×自用電價(jià)=455*0.477=217.04元①

年上網(wǎng)電費(fèi)=上網(wǎng)電量×上網(wǎng)電價(jià)=28501*0.3205=9134.57元②

年補(bǔ)貼電費(fèi)=總發(fā)電量×補(bǔ)貼價(jià)格=28956*0.42=12161.52元③

年總收益=①+②+③=217.04+9134.57+12161.52=21513.13元

年收益率（%）=21513.13/159000=13.53%

筆者走訪(fǎng)了供電公司和多家分布式光伏發(fā)電業(yè)主，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，即使考慮每年5%的設(shè)備折舊，分布式光伏發(fā)電資金投入的年平均收益率依然可以達(dá)到7-10%。這個(gè)收益水平，高于同期銀行存款和理財(cái)?shù)幕貓?bào)，具有較大的投資價(jià)值。（注：根據(jù)《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2013〕24號(hào)文）規(guī)定，“上網(wǎng)電價(jià)及補(bǔ)貼的執(zhí)行期限原則上為20年”。）

4 光伏發(fā)電的發(fā)展前景

分布式光伏發(fā)電的發(fā)展方向，與政策的引導(dǎo)鼓勵(lì)、技術(shù)發(fā)展、建設(shè)收益等因素息息相關(guān)。筆者認(rèn)為今后發(fā)展趨勢(shì)如下：一是向屋頂發(fā)展，不占用土地。二是向農(nóng)村發(fā)展，大規(guī)模布局農(nóng)村光伏扶貧項(xiàng)目、農(nóng)光互補(bǔ)項(xiàng)目是政府及能源主管部門(mén)明確的引導(dǎo)方向。三是向工業(yè)客戶(hù)配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)展，可以充分利用已經(jīng)投入的供、配電設(shè)施，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，減少電量傳輸損耗，促進(jìn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展迅速，成效顯著。按照我國(guó)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，在電網(wǎng)的可消納的范圍內(nèi)，增加新能源發(fā)電比例，減少燃煤發(fā)電比例，有利于環(huán)保及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

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