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分布式光伏发电技术应用

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近年来,国家提出了可再生能源的发展战略,而光伏发电技术具有前所未有的良好应用前景[1],其广泛的应用大大支撑了国家能源产业政策发展方向。此外,太阳能光伏发电具有不受地域限制、不产生环境污染、发电容量可任意组合、能流密度低等特点,适合分散使用。当前应用最为广泛的分布式光伏发电系统是利用建筑物屋顶的光伏发电系统。钢铁企业厂内具有大面积的厂房和办公建筑,而且布置分散[1],同时,钢铁企业用电负荷大,分布广,因此非常适用于分布式太阳能光伏发电系统的建设。目前,在华东地区的宝钢股份、梅山钢铁、宁波钢铁等企业均已成功实施了厂房屋顶的分布式光伏发电项目,其应用不仅能够带来较好的经济、社会和环境效益,而且节能减排效果更为显著。

1分布式太阳能光伏发电原理及系统组成

太阳能光伏发电其基本工作原理[2~3]如图1所示,当太阳光照射到半导体材料组成的PN结时,一部分被反射,其余部分被PN结吸收,被吸收的辐射能有一部分变成热,另一部分以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞,产生电子空穴对,在PN结势垒区内建电场Ei的作用下,将电子驱向N区,空穴驱向P区,使N区有过剩电子,P区有过剩空穴。在PN结附近形成与内建电场方向相反的光生电场Eph。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使P层带正电,N层带负电,在N区和P区间的薄层产生光生电动势,即“光生伏打效应”。若分别在P型层和N型层焊上金属引线,接通负荷,在持续光照下,外电路就有电流通过,形成一个小的太阳能光伏电池单元,经过串并联组合构成光伏阵列,就会在太阳能作用下输出足够大的电能。本文所述分布式太阳能光伏发电系统是将分散在钢铁企业现有厂房屋顶,利用光电转换原理和相应的光电转换器进行发电,其输出为直流,通过控制逆变器变换成交流,并经过相位整合后采用低压并网方式并入交流电网,其组成如图2所示。梅钢光伏发电系统由光伏(太阳能电池)组件、智能型汇流箱、直流柜、并网逆变器、隔离变压器(升压变压器)、配电网络以及调度监控系统组成。在具体构成中,分布式光伏电源通过400V交流母线汇流后再经过0.4/10kV专用升压变接入该企业10kV的配电系统,梅钢分布式光伏发电系统构成如图3所示。

2钢铁企业分布式光伏发电系统

钢铁企业分布式发电系统是基于钢铁企业的现有地理环境、供配电系统、能源管理系统及通信网络等,因此钢铁企业光伏发电系统在决策阶段和方案制定阶段必须综合考虑钢铁企业周边供电网络现状及发展,兼顾节约资源、工程可行性以及电网安全方面要求,同时考虑到光伏系统发电规模及运行管理等因素。

2.1光伏发电系统概况梅钢分布式光伏发电系统总建设功率为20MWp,使用标准功率为245Wp的多晶硅组件81664块,实际安装功率为20007.68kW。系统多晶硅光伏组件分别铺设在屋顶坡度为三度的镀锌主厂房、酸轧主厂房、连退镀锡主厂房、热连轧车间等12个厂房屋顶上。按照厂区车间分布情况,设立7个接入点,分别接入10kV配电室母线,梅钢光伏发电系统电气一次接入如图4所示。

2.2系统保护配置2.2.110kV线路保护10kV线路在用户10kV侧配置1套线路方向过流保护器,光伏系统侧不配置,依靠用户侧线路保护切除线路故障。光伏系统线路发生短路故障时,线路保护器快速动作,瞬时跳开相应断路器,从而满足全线故障时快速切除故障要求。

2.2.2母线保护光伏系统侧为线变组接线,经升压变后直接输出,因此不配置母线保护。

2.2.3安全自动装置在光伏发电系统进线侧装设一套具备失压跳闸功能及检有压(同期)合闸功能的自动装置,实现频率电压异常紧急控制功能,跳开进线侧断路器。

2.2.4防孤岛保护电网失压时,光伏发电系统仍保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态称为孤岛现象。非计划性孤岛效应的发生,可能危及线路维护人员和用户的生命安全,干扰电网的正常合闸,造成孤岛中的频率和电压失去控制。根据《分布式光伏发电接入配电网相关技术规定》要求,分布式光伏应具备防孤岛保护功能。光伏发电系统侧设防孤岛保护,采用具备防孤岛能力的逆变器。当电网断电时,逆变器迅速监测孤岛现象,关断逆变器,立即断开与电网连接,使光伏发电系统处于停止发电的状态。梅钢采用三相集中型逆变器,具备低电压闭锁及检有压自动并网功能。

2.2.5其他光伏发电系统逆变器还具备装置异常时能自动脱离系统的功能,能同时具备耐受电压异常及耐受系统频率异常的能力,能满足《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中在电网电压或频率异常时的运行时间要求。

2.3电能质量分析本文从谐波、电压波动、电压不平衡度及直流分量等方面分析光伏电站对电网系统的影响。

2.3.1谐波太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能,再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流,并入电网,在将直流电能经逆变转化为交流电能的过程中会产生谐波。梅钢的光伏发电系统各并网点接入的10kV母线相应的公共连接点为220kV变电站,距实际接入点较远,光伏发电系统与公用电网之间有2~4级变压器隔离,如图3所示,因此对公用电网的影响很小。梅钢的光伏发电系统与电力用户在同一场所,分7个接入点接入用户内部的10kV配电室,7个并网点的接入功率最小为1.309MW,最大为5.049MW,属于分布式光伏发电,所发电量由用户“自发自用,余电上网”。由于采用的逆变器各项指标合格,而光伏发电系统电能质量问题主要由光伏逆变器设备引起,因此该分布式光伏发电系统的电压偏差、谐波、闪变及电压波动、三相不平衡等电能质量指标均能满足GB/T12325、GB/T14549、GB/T12326、GB/T15543等电能质量国家标准的规定。

2.3.2电压波动及偏差太阳能光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化,白天光照强度最强时,发电装置输出功率最大,夜间无光照,输出功率基本为零。由于光伏发电系统仅影响接入点所在的用户变电站白天电压水平,一般不会恶化接入点的最大电压偏差,同时,光伏电站配置的逆变器具备无功功率调节及电压控制能力。因此,该钢铁企业光伏发电系统引起的电压偏差在标准允许范围内。

2.3.3电压不平衡度及直流分量经论证三相光伏逆变器交流输出电压存在不平衡,其负序电压不平衡度为0.1%,但仍然能够满足《电能质量三相电压不平衡度》规定的“接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡允许值一般为1.3%,短时不超过2.6%”的要求。由于该钢铁企业光伏发电系统逆变器输出升压后接入电网,通过升压变压器低压侧三角形绕组将直流分量隔离(如图4所示),故直流分量不会被送到电网,因此,也能够满足《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中关于直流分量的相关要求。

2.4调度自动化根据《地区电网调度自动化设计技术规程》、《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》以及《江苏光伏电站接入系统导则(2010年版)》等有关文件,该钢铁企业在调度系统接口、光伏电站远动设备、通道要求及附属设备选择等方面对调度自动化进行设计。

2.4.1调度关系及调度管理该钢铁企业光伏发电系统以7回10kV线路接入用户变10kV配电室高压间隔,并纳入本市供电公司调度控制中心调度运行管理,上传信息主要包括并网设备状态、并网点电压、电流、有功功率、无功功率和发电量,调度控制中心实时监视光伏发电系统运行状况。光伏发电关口计量点设置在光伏电站为10kV的出线侧。

2.4.2远动系统本市供电公司调度系统连接企业光伏发电监测系统的远动信息。企业光伏发电控制中心采用GPRS数传终端,通过RS232连接远动服务器的数据上传端口,为电厂与调度之间提供一个无线数据传输通道,该通讯规约采用IEC60870-5-101。省电力公司通过移动APN专网接收光伏站实时信息,并将数据通过逻辑强隔离装置发送至省公司信息内网数据库,FTP服务器定时生成数据接口E文件,南京地调EMS系统从省公司信息内网FTP机上获取光伏站端实时数据,并通过电力反向安全隔离装置发送到一区EMS系统。梅钢光伏发电调度自动化系统配置如图5所示。

2.5光伏年发电计算

2.5.1发电转换效率分析并网光伏发电系统的能量损失主要有光伏阵列能量损失、逆变器能量损失、交流并网能量损失等三部分。该钢铁企业光伏发电系统由于场地地形复杂,直流电缆损耗大,取85%计算;依据逆变器参数,考虑光伏发电大部分时间非满载运行,取95%计算;由于逆变器与升压变布置在一起,并网能量损耗较小,取97%计算。

2.5.2发电量计算根据太阳辐射能量、光伏系统组件总功率和总效率等数据,考虑不同电池组件效率随着时间存在衰减的实际状况,该钢铁企业20MWp并网光伏发电系统25年发电期间的每年发电量计算为:(1)25年总发电利用小时数为23021h,总发电量约为46042万kW•h;(2)25年年平均利用小时数为920.85h,年均发电量为1841.69万kW•h。

3经济效益分析

太阳能的广泛利用可以减少一次能源(如煤、石油、天然气)的利用,在全球环境污染问题越来越严重的情况下,充分利用可再生资源发电,可以在提供电源的同时,不产生烟尘、SO2、温室气体、废水等污染物,不会因项目开发造成自然界不可恢复的破坏,有利于环境的保护,是一种绿色可再生的清洁能源。光伏发电系统建设符合国家可持续发展规划,有利于社会发展,能带来良好的社会效益和经济效益。以梅钢分布式光伏发电系统为例,光伏发电系统的投入运行后每年可为电网提供约1841.69万kW•h电量,与相同发电量的火电厂相比,相当于每年可节约标煤0.636万(t以平均发电标煤煤耗为346g/kW•h计),每年可以减少二氧化硫排放量约54t,二氧化碳约16663.3t,氮氧化物47.06t,同时还可节约大量水资源。因此,大力开发太阳能资源,发展钢铁企业分布式光伏发电,不但可节约宝贵的一次能源,还可以避免由于火力发电厂建设造成的环境污染。随着国家能源战略的实施,发展光伏发电将成为实现能源、经济、社会可持续发展的重要途径。

4结语

太阳能是清洁的可再生能源,不产生污染。光伏电站运行时主要能源消耗为集电线路、电气设备的损耗和生产、生活用电的消耗。钢铁企业通过采用先进的节电、节水及节约原材料的措施,合理利用能源和资源先进的理念,为光伏电站长期经济高效运行奠定了基础,符合国家的产业政策,符合可持续发展战略。

作者:刘广莉 孙朝庆 杭启舟 鲍志勤 倪俊 单位:南京市节能技术服务中心 上海梅山钢铁股份有限公司 上海宝钢节能环保技术有限公司 江苏省节能技术服务中心

分布式光伏发电技术应用责任编辑:杨雪    阅读:人次