技術前瞻
110kV錐山變電站光伏并網發電系統研究

110kV錐山變電站光伏并網發電系統研究

2020.03.17

文/上海交通大學 蚌埠供電公司 劉同旭


【摘要】對110kV 錐山變電站光伏并網發電系統的結構進行了介紹,對光伏并網發電系統相關技術進行了研究,分析了該太陽能光伏系統的效益,從太陽能發電量和節能減排效益的角度認為該太陽能光伏發電系統不僅解決了變電站自用電,對城市電力也是一個補充,同時降低了能耗污染。
【關鍵詞】變電站;光伏并網發電系統;太陽能;研究

0 引言
太陽能是資源最豐富的可再生能源,具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力。充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧相處及能源與環境的協調發展。21 世紀以來, 世界太陽能光伏發電產業快速發展,市場應用規模迅速擴大。為了研究光伏并網發電應用技術,蚌埠供電公司申報了一個科技項目, 在錐山變電站建立了光伏并網發電系統。

1 系統構成
錐山變電站光伏系統設計總容量為30kW,主要包括光伏組件、并網逆變器、交直流防雷配電柜等部分。光伏組件在光生伏打效應下將太陽能轉換成直流電能, 直流電經交直流防雷配電柜流入并網逆變器,并網逆變器將其逆變成符合電網電能質量要求的交流電,經過交直流防雷配電柜接入AC380V/50Hz 三相交流電網進行并網發電。該系統采用大功率單晶硅太陽能電池組件, 光伏組件有效總面積220m2,占地約470m2。
每個太陽能電池串列按照8 塊電池組件進行串聯設計,系統可分成21 個太陽能電池串列。為了減少電池組件與逆變器之間連接線,以及日后的維護方便,在直流側配置了4 臺光伏方陣防雷匯流箱,其直流輸出通過電纜線輸送到二次室,經交直流防雷配電柜直流單元匯流成一條直流母線輸入到SG30K3 并網逆變器,再通過交直流防雷配電柜交流單元接入AC380V/50Hz 三相交流低壓電網。
整個光伏并網發電系統配置1 套監控裝置, 通過RS485 或Ethernet(以太網)通訊接口將系統的工作狀態和運行數據以及環境參數提供給專業技術人員進行實時監測。
系統原理圖如下:

2 系統技術要求
2.1 要求光伏并網,在白天由光伏發電給站用電負荷供電,并將多余電量饋入電網。在晚上或陰雨天發電量不足時,由市電給站用電負荷供電。
2.2 要求系統具備最大功率點跟蹤控制功能, 使系統獲得最大的功率輸出;
2.3 要求系統具備過/欠壓保護、過/欠頻保護、短路保護、防孤島效應等并網保護功能;
2.4 要求系統具備遠程通訊功能,以實現系統運行情況的遠程監視。

3 太陽能電池組件方陣的設計
3.1 太陽能電池發電原理和分類
太陽能電池組件方陣在有光照情況下,電池吸收光能,電池兩端出現異號電荷的積累,即產生“光生電壓”,這就是“光生伏打效應”。在光生伏打效應的作用下,太陽能電池的兩端產生電動勢,將光能轉換成電能,太陽能電池是能量轉換的器件。當太陽光照射到半導體P-N結時,會在P-N 結兩邊產生電壓,使P-N 結短路,就會產生電流。這個電流隨著光的強度的加大而增大,當接受的光的強度一定時,就可以將太陽能電池看成恒流源。太陽能電池主要有以下幾種類型:單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。目前在研究的還有納米氧化鈦敏化電池、多晶硅薄膜以及有機太陽電池等。但實際應用的主要還是單晶硅電池和多晶硅電池。其中單晶硅電池的轉換效率最高,因此錐山變電站光伏并網發電系統選用了單晶硅電池。
3.2 光伏組件方陣的設計
采用180W 單晶硅光伏電池組件共168 塊,分為21 個單元,每個單元陣列支架可放置8 塊太陽能電池組件。組件正面朝南放置,陣列共5 行,其中靠北4 行每行包含5 個單元陣列,靠南單獨一單元陣列為一行。根據蚌埠緯度,優化設計支架與水平地面傾角為27.4°。
整個發電系統采用8 塊組件串聯為一單元, 一共21 支路并聯的方式,輸入4 個匯流箱,其中的3 個匯流箱每個接5 路輸入,另一個匯流箱接6 路輸入。經匯流后電纜經過電纜溝進入主控室交直流配電柜,通過交直流配電柜直流單元接入SG30K3 并網逆變器,最后由并網逆變器經交直流配電柜交流單元至380V 低壓電網。

4 光伏并網逆變器的研究
4.1 性能特點
光伏并網逆變器采用美國TI 公司DSP 控制芯片, 主電路采用日本最先進的智能功率IPM 模塊組裝,運用電流控制型PWM 有源逆變技術和優質進口高效隔離變壓器,可靠性高,保護功能齊全,且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等優點。其結構圖2 所示。
并網逆變器通過三相逆變器,將光伏陣列的直流電壓變換為高頻的三相交流電壓,并通過濾波器濾波變成正弦波電壓接著通過三相變壓器隔離升壓后并入電網發電。為了使光伏陣列以最大功率發電,在直流側采用了先進的MPPT(Maximum Power Point Tracking))算法。
4.2 基于模糊控制的太陽電池最大功率點跟蹤控制算法

4.2.1 太陽電池特性
日照強度在極大的程度上影響太陽電池陣列的輸出電流。圖3 給出了不同日照強度下典型的I-V 和P-V 特性。

 

圖4 為太陽電池陣列的輸出功率特性P-V 曲線, 由圖可知當陣列工作電壓小于最大功率點電壓Vmax 時,陣列輸出功率隨太陽電池端電壓Vpv 上升而增加; 當陣列工作電壓大于最大功率點電壓Vmax時,陣列輸出功率隨Vpv 上升而減少。MPPT 的實現實質上是一個自尋優過程,即通過控制陣列端電壓Vpv ,使陣列能在各種不同的日照和溫度環境下智能化地輸出最大功率。
本項目采用基于模糊邏輯的MPPT 控制算法,取得了良好地動態響應速度和精度。
4.2.2 基于模糊邏輯控制器的MPPT基于模糊集合和模糊算法的模糊理論可以得出一系列模糊控制規則,可以由DSP 十分簡明的執行。模糊邏輯控制器的設計主要包括以下幾項內容:
1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量;
2)歸納和總結模糊控制器的控制規則;
3)確定模糊化和反模糊化的方法;
4)選擇論域并確定有關參數。實現MPPT 的模糊邏輯控制器構成如圖5 所示。
4.2.3 模糊推理算法
在模糊理論中,模糊控制的推理方法很多,但在模糊控制中應用較多有Mamdani 推理、Larsen 推理、Tsukamoto 推理和Takagi-Sugeno推理。本文采用Mamdani 推理舉例說明控制算法, 推理規則采用“if……then……”的語句格式進行定義。

舉例說明: “if (dP/dI is PB) and (△dP/dI is PB) and (△UDC (k-1)is P) then (△UDC (k) is PB)”。如圖6 所示,“dP/dI is PB”意味著目前太陽電池陣列的工作點位于P-I 曲線的左半部分斜率較大的部分,所以大致上FLC 的輸出△UDC (k)應該為正??紤]“△UDC (k-1) is P”意味著上次FLC 的輸出△UDC (k)為正,即并網輸出功率加大;接著考慮“△dP/dI is PB”,意味著的斜率變化為正,即當前的斜率比上次的斜率有較明顯的加大。從P-I 曲線可以看出,如果日照不變,在曲線左半段,P 增加,則斜率dP/dI 是下降的,而目前斜率dP/dI 反而上升,意味著當前的日照有較大幅度的增加。為此,FLC 的輸出△UDC (k)也應為較大的正值。所以△UDC(k) is PB。
4.2.4 精確輸出量的反模糊化
反模糊化的目的就是必須求出能代表所有模糊輸出量的作用的精確值。即在推理得到的模糊集合中取出最能代表這個模糊集合的單值。對于本文來說,FLC 的輸出應該是一個確定具體的△UDC (k)提供給后級的直流電壓外環控制程序。

反模糊判決可以采用不同的方法,用不同的方法所得的結果也是不同的。常用的方法有:最大隸屬度法,重心法,系數加權平均法和隸屬度限幅元素平均法。本文采用重心法。其計算表達式如下:
上式中μ(Di)為第i 個模糊輸出量的隸屬度,即模糊推理的結果;Di 為第i 個模糊輸出量單點位置或中心元素的位置;n 為所定義的系統輸出模糊量的個數,本項目中n 為5。

5 運行效益
蚌埠供電公司110kV 錐山變電站光伏系統總功率為30kW,系統直流部分效率按90%計,交流部分效率按90%計,蚌埠地區平均每天峰值日照時間按3 小時,理論系統年發電量為:30×3×365×90%×90%=26608 kWh。2009 年實際發電量為25818 kWh。
傳統的火力發電多以煤炭為燃料且產生大量污染, 主要為粉塵、二氧化碳、二氧化硫、熱污染和化學藥品污染等。每年需要一大批污染處理和環保費用。太陽能發電無需消耗燃料,沒有空氣污染,可以節約標煤和實現減排溫室氣體(包括CO2,NOx 等)的作用,實現能源的清潔利用, 對保護環境, 節省能源作出很大貢獻。以每發1 度電消耗374g 標煤計算,發2.6 萬kWh 電消耗耗標煤9.724 噸。以每發1 度電可以少排放170gCO2,7.68gSO2計算,光伏發電2.6 萬kWh 可減少CO2排放量4.42 噸,減少SO2排放量199.68kg。

6 結語
變電站光伏并網發電系統使用了太陽能這一綠色、環保無污染的清潔能源,節能、環保,而且增加了變電站站用電系統的可靠性。在夜晚或陰雨天發電量不足時,由電網給站用電負荷供電,總體上實現站用電負荷全年對于市電的“零消耗”。盡管目前太陽能光伏發電系統的造價相對偏高,相比其它發電形式來說,其經濟效益并不明顯,但隨著光伏發電的產業化及常規能源的稀有化,其投資造價必然會逐步降低、經濟效益也會越發明顯。

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