太陽能光伏發(fā)電站節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

文_周振宇 龍?jiān)矗ū本┨柲芗夹g(shù)有限公司

1 概述

我國已經(jīng)確定將光伏發(fā)電作為一種重要的能源利用方式進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)利用，其裝機(jī)容量和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，2018年我國光伏發(fā)電新增裝機(jī)約41GW，是全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家。根據(jù)國家能源局提供的規(guī)模發(fā)展指標(biāo)，“十三五”時(shí)期，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望得到大幅提升，中國每年將新增1500萬～2000萬kW的光伏發(fā)電。到2020年底，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量有望達(dá)到1.6億kW，年發(fā)電量達(dá)到1700億kWh。

太陽能光伏發(fā)電站具有供電線路長、發(fā)電設(shè)備分布廣的特點(diǎn)，損耗高，發(fā)電量大，同時(shí)節(jié)電潛力也大，搞好各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)電，是節(jié)約能源的重要手段。一個(gè)中等規(guī)模的光伏發(fā)電站每年減少損耗幾十萬千瓦時(shí)是完全可能的。

本文根據(jù)光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)實(shí)踐，談?wù)労侠碓O(shè)計(jì)降低發(fā)電系統(tǒng)電耗的措施。

2 做好節(jié)電工作的前提

（1） 要做好節(jié)電工作，首先要了解常見的電能損失都有哪些，略去一些不明損失。電能損失主要可以分為固定損失、可變損失兩個(gè)部分。

①固定損失。固定損失是指不隨負(fù)荷變動(dòng)的損耗部分，也稱基本損失，如變壓器、電抗器、消弧線圈和各種儀表、互感器的鐵損，以及電力電容器的介質(zhì)損失等，它們只與電壓和頻率有關(guān)，在通電時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為這部分的功率損失是恒定的，電量損失即為這個(gè)恒定的功率損失與通電時(shí)間的乘積。

②可變損失?？勺儞p失是指線路中隨著負(fù)荷的變動(dòng)而變化的部分。如輸電線路上的電量損失，變壓器、電抗器、儀表、互感器等設(shè)備的銅損，均隨負(fù)荷電流大小而變化，電流愈大，損失也愈大，它與電流的平方成正比。

（2）做好節(jié)電設(shè)計(jì)工作，除了弄清常見的電能損失外，還要注意滿足下列前提。

①不影響產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和產(chǎn)量。

②不造成生產(chǎn)環(huán)境的惡化。如減少照明燈具時(shí)，必須考慮對(duì)工作人員的視覺影響。

③能夠在較短時(shí)間內(nèi)收回投資費(fèi)用。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，只有能夠較快的收回投資，才有可能引起投資方對(duì)節(jié)電技術(shù)的興趣。

④不引起其它費(fèi)用的提高和增加額外的工作。最理想的節(jié)電措施是既節(jié)能又不增加其它額外的工作量。

3 常用的節(jié)能降耗措施

3.1 合理布局，降低線路損失

3.1.1 合理選擇電壓等級(jí)

并網(wǎng)電壓是指向公共電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)送電的電壓等級(jí)。它分高壓（66kV及以上）、中壓（3～35kV）和低壓（380/220～690V）多個(gè)等級(jí)。在線路輸送相同的功率或容量時(shí)，流過較高電壓等級(jí)線路的電流較小，從而功率損耗較小。一般情況下優(yōu)先采用較高電壓送電，如中壓送電優(yōu)先采用10kV等級(jí)。

3.1.2 升壓裝置深入負(fù)荷中心

升壓變壓器的位置應(yīng)設(shè)在接近負(fù)荷中心處。光伏發(fā)電是可再生的清潔能源，電站運(yùn)行不需要原料供運(yùn)，也無污染物產(chǎn)生，同時(shí)考慮電站運(yùn)行所需的人力、物力較少，大中型光伏發(fā)電站并網(wǎng)升壓站一般設(shè)在接近公共電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)方向的附近。但各光伏陣列的升壓變壓器宜合理利用現(xiàn)場(chǎng)地形，在利于運(yùn)營生產(chǎn)管理及維護(hù)的前提下，應(yīng)盡量設(shè)置在方陣居中心的位置，以減少直流電纜長度，降低直流損耗。將升壓變壓器置于光伏陣列邊緣，雖然可以節(jié)省檢修道路投資，而采用延伸低壓側(cè)直流或交流電纜的匯集方式，將導(dǎo)致線損大增，日積月累其線損耗資將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出初期的投資。所以當(dāng)生產(chǎn)布局決定后應(yīng)及時(shí)調(diào)整變電所位置，使之始終處于負(fù)荷中心，縮短供電距離，最大限度降低低壓匯集線路的電能損耗、從而降低電壓損失和線纜有色金屬消耗量。

3.1.3 合理選擇導(dǎo)線截面

眾所周知，當(dāng)線路電流、長度、電阻率一定時(shí)，線損與導(dǎo)線截面成反比，增加導(dǎo)線截面會(huì)降低導(dǎo)線電阻，減少電能損耗和線路壓降。但增加導(dǎo)線截面會(huì)增加初次投資。對(duì)于導(dǎo)線截面，確定通過的電流密度多大為合理，要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)考慮這個(gè)問題：應(yīng)當(dāng)考慮電纜的全壽命周期成本，即不僅要考慮電纜線路的初始成本，而且要同時(shí)考慮電纜在經(jīng)濟(jì)壽命期間的電能損耗成本，應(yīng)符合使兩項(xiàng)成本之和為最低的原則。采用導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)截面，電纜運(yùn)行溫度要比電纜絕緣允許最高溫度低得多，這樣可延長電纜線路的使用壽命。工程設(shè)計(jì)中，在滿足載流量、壓降、保護(hù)配合的前提下，適當(dāng)加大電纜截面，會(huì)使線路電能損耗降低。

3.2 科學(xué)選擇變壓器，降低變壓器損耗

3.2.1 科學(xué)確定和調(diào)整變壓器容量

當(dāng)用電負(fù)荷確定之后如何確定變壓器容量，以最大限度減少變壓器損耗（簡稱變損）的問題，一般是考慮到變壓器效率，理論計(jì)算出負(fù)荷率為50%～60%時(shí)變壓器效率最高，目前變壓器容量的確定也多以此為據(jù)。但由于此負(fù)荷率是從變壓器本身設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，運(yùn)行時(shí)按單位功率損耗最小、效率最高考慮的，忽略了負(fù)荷的變化及其它因素，因此在實(shí)踐中究竟如何確定其負(fù)荷率才能獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益尚須綜合分析。光伏發(fā)電受太陽輻射量直接影響，在一天中發(fā)電量一般呈現(xiàn)正態(tài)分布，滿載發(fā)電時(shí)間很短，可以近似按額定裝機(jī)容量確定變壓器容量。

對(duì)于大中型光伏發(fā)電站來說，通?？赡艽嬖诙紊龎旱那闆r，總升壓變壓器安裝于匯集站內(nèi)，就地升壓變壓器分布在光伏場(chǎng)區(qū)之中?？偵龎鹤儔浩魇苤朴诖箅娋W(wǎng)中，供電部門對(duì)這類變壓器的設(shè)置有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)制約，一般在接入系統(tǒng)方案階段即會(huì)指定該工程升壓變?nèi)萘浚ㄒ话闩c裝機(jī)容量相同）。對(duì)于就地升壓變壓器由于不受供電部門的制約，故其負(fù)荷率可低于匯集站的總升壓變壓器。

3.2.2 推廣使用高效節(jié)能變壓器

低損耗電力變壓器具有損耗低、質(zhì)量輕、效率高、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，近年來各種低損耗電力變壓器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在節(jié)約電能和降低運(yùn)行費(fèi)用方面已經(jīng)取得了顯著效果。

對(duì)于新建光伏發(fā)電站項(xiàng)目，應(yīng)采用低損耗的節(jié)電變壓器，對(duì)于分布式光伏項(xiàng)目中的即有變電所，應(yīng)采用隨機(jī)械設(shè)備更新，逐步更換和改造，節(jié)約電能。

3.3 提高電網(wǎng)功率因數(shù)，減少無功功率

電能輸送過程中，在線路輸送的有功功率和運(yùn)行電壓基本不變的條件下，提高功率因數(shù)以減少線路的無功分量，從而減少線路中的無功電流損耗。

3.3.1 大、中型光伏電站采取高壓SVG補(bǔ)償方式

無功補(bǔ)償裝置可以減少線路壓降，提高變壓器負(fù)載能力。大、中型光伏電站一般較偏遠(yuǎn)，送電距離長，壓降較大，功率因數(shù)降低還將使受電端電壓進(jìn)一步下降，因此必須在高壓端集中進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高線路功率因數(shù)，減少無功電流，提高線路電壓。高壓靜止無功發(fā)生器SVG采用電力電子器件，能夠快速吸收或者發(fā)出無功功率，對(duì)容性和感性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，具有補(bǔ)償快速，跟蹤準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 分布式光伏電站可以使用電容器自動(dòng)投切裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償

分布式光伏電站通常采用就地并網(wǎng)方式接入公共配電網(wǎng)絡(luò)或者配電變壓器低壓側(cè)?？赏茝V采用低壓移相電容器自動(dòng)補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切補(bǔ)償，使功率因數(shù)總是處于較理想的狀態(tài)。

3.4 平衡三相負(fù)荷，減少損耗

三相負(fù)荷不平衡可導(dǎo)致變壓器處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，造成變壓器的損耗增大；另對(duì)用電設(shè)備也有影響。三相不平衡的發(fā)生對(duì)線損的影響在于：各相的負(fù)荷電流不相等，就在相間產(chǎn)生了不平衡電流，這些不平衡電流除了在相線上引起損耗外，還將在中性線上引起損耗，這就增加了總的線損，電流不平衡度越大，線損增量也越大。

因此在設(shè)計(jì)中把單相用電設(shè)備分類，均衡地分配到三相上，例如照明燈具、插座要盡量實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三相平衡；在實(shí)際運(yùn)行中，要定期進(jìn)行三相負(fù)荷的測(cè)定和調(diào)整工作，使變壓器三相電流接近平衡，這是無需任何設(shè)備投資且十分有效的降損措施。

3.5 跟蹤技術(shù)發(fā)展，合理選用節(jié)能設(shè)備

3.5.1 采用新型光伏組件和逆變器設(shè)備

結(jié)合光伏發(fā)電設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，與通常的1000V光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，采用電壓更高的1500V光伏組件及逆變器，提高光伏系統(tǒng)直流側(cè)系統(tǒng)電壓，降低直流系統(tǒng)工作電流，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3.5.2 采用一體化裝置替代傳統(tǒng)的分立設(shè)備

在大中型光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)中，還可采用新型的逆變升壓一體機(jī)，代替原有系統(tǒng)中的集中式逆變器、升壓變壓器和中壓配電裝置。在縮短安裝時(shí)間，降低安裝難度的同時(shí)，省略集中式逆變器和升壓變壓器之間的低壓電纜，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

4 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電站具有供電線路長、發(fā)電設(shè)備分布廣的特點(diǎn)，在降低光伏發(fā)電系統(tǒng)電耗方面可采用的措施很多，其中最主要的是降低輸電線路損耗、降低變壓器降耗和提高電網(wǎng)功率因數(shù)三方面，其它如均衡低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷、采用新型節(jié)能設(shè)備等措施也很重要。

總之，降低損耗、提高電能的利用率，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重要的意義，在工程設(shè)計(jì)中需要考慮多方面因素，盡量達(dá)到節(jié)約用電的目的。