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探究光伏发电的微电网系统

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摘要:光伏组件上光照时间的长短和强度都影响着光伏发电的效率,导致发电功率具有随机波动性。随着光伏并网系统的增多,产生孤岛效应的概率也随之增加。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置整合在一起的小型发配电系统,可以降低分布式电源并网时由于供电的不连续性而给配电网带来的不利影响,提高供电可靠性和电能质量。

关键词:光伏发电;微电网;并网;供电质量

太阳能是取之不尽的绿色可再生能源,光伏发电过程简单、资源随处可得、不排放污染物质,操作、维护简单,系统性能稳定,在长期的能源战略中具有重要地位。光伏发电将成为今后主要的分布式发电方式之一。

1光伏发电并网对电网的影响

光伏组件上光照时间的长短和强度都影响着光伏发电的效率,发电功率变化波动性较大。光伏发电系统产生的是直流电,接入公共电网一般要通过逆变装置先进行转换,这些逆变装置及其它电力电子转换器,起到了能量的传递和负荷的投切作用,但也引入了大量的非线性负载,对电网产生谐波污染,不仅会降低发电、输电及用电设备的使用效率,还会支电网运行的安全稳定性造成影响。光伏并网系统数量的不断增加,产生孤岛效应的概率也随之增大[1]。当光伏并网发电系统处于独立运行状态即孤岛方式运行时,如果该供电系统没有储能元件或其容量太小,不足以为用户提供合适的电压,用户端的负荷电压就会发生跳变,当电网重新向孤岛电网供电时还可能损坏设备。孤岛效应还可能危害电力维修人员的安全、破坏用电设备,对整个配电系统产生不利影响。因此,必须找到一种合适的系统模式,降低光伏发电并网对配电网的影响,提高光伏发电的效率,保证电网的安全性和稳定性。

2微电网系统的特点

微电网是一种将分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、以及监控保护装置等组合而成的小型发配电系统[2]。数量庞大、种类不同的分布式电源并网所带来的问题,都可以靠微电网得以解决,并使分布式电源的灵活高效应用得以实现。微电网实际上也是一个完整的小型配电系统,具有自我控制、保护和管理的功能,能对功率进行平衡调节,对系统运行进行优化,还可实现故障检测与保护等。凭借这些关键技术,可以降低分布式电源并网时由于供电的不连续性而给配电网带来的不利影响,提高供电可靠性和电能质量。将分布式电源以微电网的形式接入配电网,被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一。微电网作为配电网和分布式电源的纽带,使得配电网不必直接与不同种类、不同归属、分散接入的(甚至是间歇性的)大量分布式电源进行对接。在《2010-2030应对能源挑战白皮书》中,国际电工委员会(IEC)明确将微电网技术列为未来能源链的关键技术之一。

3光伏发电微电网系统的组成

光伏发电微电网系统也是一个完整的电力系统,主要由光伏组件、光伏控制器、蓄电池组、逆变器和负载组成。

3.1光伏组件光伏组件通常叫太阳能电池板,是由太阳能电池片切割成不同规格的太阳能电池组合在一起构成。单独太阳能电池由于电流和电压都很小,所以要作为电源必须将若干电池串并联并严密封装成组件。

3.2光伏控制器光伏控制器是用于对多路太阳能电池方阵和蓄电池、以及蓄电池和设备之间的电能传输进行自动控制的设备,是光伏供电系统的核心控制部分。光伏发电产生的电流具有随机波动性,直接输出会容易损坏蓄电池和负载。光伏控制器通过高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器对数据进行采集、监测和调节控制,稳定电流输出,起到保护蓄电池和负载的作用。此外,光伏控制器还具有通信功能,可在各光伏发电系统子站中进行数据传输,实现对子站的集中管理和远距离控制。

3.3蓄电池组光伏发电系统的发电效率跟光照强度有关,会随着环境和天气变化而变化,随机波动性较大,造成发电功率的不稳定,不但影响了设备的利用效率,而且影响电网的稳定性。因此,光伏发电系统必须配备蓄电池组,将产生的电能转化成化学能进行储存。光伏发电能量过大时,储存电能,过少时补充电能,以起到电能的调节作用,保证供电的稳定性。

3.4逆变器经过蓄电池输出的是直流电,而公共电网是交流电,日常的用电设备工作电压要求也是交流电。因此,光伏发电系统要并网或者直接输出做生活用电,都必须配备合适的交流逆变器,使输出的正弦波电流的频率和相位与电网或者负载相匹配[3]。

4光伏发电微电网系统的可靠性和安全机制

4.1光伏发电微电网系统的可靠性微电网并网运行时,负荷的无功功率和谐波会影响二者之间的电能质量传输[4]。而微电网一般处于电力系统的末端,在虚弱电网的末梢,这种影响要比中心电网严重的多,需采用有源逆变技术进行滤波和无功补偿。在光伏发电并网技术中,可将无功补偿控制、有源滤波和发电控制指令进行合成,实现发电和无功补偿一体化控制,减少功率损耗,提高供电质量。微电网自身的稳定性决定了,即使并网终端数量不断增加,系统的负荷主要由微电网承担时,微电网也可减少系统的平均停电次数和时间,保证系统供电的可靠性。

4.2光伏发电微电网系统的安全机制微电网存在多种运行状态,可以与电网并网运行,也可与电网断开转为孤岛运行。当处于并网运行时,电能可以在微网与电网之间双向运输;当微电网或者电网发生故障时,微电网的自动控制功能会其脱离电网独立运行,仅向其所连接的重要负荷供电,故障排除后,控制功能会再次将微电网转为并网运行。由于微电网的自我控制保护功能,可以减小光伏发电系统作为分布式电源并网和断网时对电网的冲击,增加电网的安全性。微电网孤岛效应产生的可能原因有:电网断电但微电网仍连接在电网上;微电网并网开关断开但微电网未停运。国内外学者虽未这个问题上达成共识,但微电网孤岛效应的所带来的不利影响都是认同的,因此孤岛现象的检测显得尤为重要。孤岛效应的检测不仅要快速,而且要考虑发电装置的特性以及孤岛响应的差异性。针对微电网的保护,主要是从分布式发电电源入手,采取限制电源注入量、继电保护等技术,来解决电源故障引起的输出短路电流对保护装置的影响问题。

5光伏微电网系统的应用及发展前景

我国生产的太阳能电池占全球市场份额的一半以上,也是光伏发电应用大国。但由于技术和资金的限制,目前我国对光伏发电微电网系统的使用还处于初级阶段,虽然在工业、农业和城市建设等方面都有应用,但主要是用于公共照明、紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要或应急负载的供电系统[5]。光伏发电微电网系统技术具有存储、调节和稳定电能等优点,不仅可以直接输出给负载,也可以并入电网与配电网进行能量交换。随着光伏发电和微电网技术的不断提高,其应用成本会不断降低,光伏发电微电网系统必将得到越来越广泛的应用,促进绿色能源的不断普及。

参考文献

[1]熊静.光伏并网发电系统的研究[D].南京:南京理工大学,2017.

[2]杨新法,苏剑,吕志鹏,刘海涛,李蕊.微电网技术综述[J],中国电机工程学报,2014,1(34):57-70.

[3]吕志鹏,刘海涛,苏剑.可改善微网电压调整的容性等效输出阻抗逆变器[J].中国电机工程学报,2013,33(9):1-9.

[4]江海宁,苏建徽,丁明,张国荣.光伏并网功率调节系统[J].中国电机工程学报,2007,27(2):75-79.

[5]王文静,王斯成.我国分布式光伏发电的现状与展望[J].中国科学院院刊,2016(2):165-172.

作者:陈思文 单位:武汉纺织大学电子与电气工程学院

探究光伏发电的微电网系统责任编辑:陈老师    阅读:人次