摘要：分布式光伏并网发电与供电部门配电网出现兼容问题经常出现一些风险，所以针对光伏系统设计方案的优化，与发电效益有着密不可分的关系。本文分析了光伏发电效益的主要影响因素，通过案例分析明确了光伏发电系统设计优化的必要性，从不同角度分析了能够提高工作效益的系统设计优化方案。
关键词：光伏系统；设计优化；效益
光伏发电技术是绿色电力能源技术中较为成熟的类型，整体系统的造价以及能够接近风力发电技术。光伏发电系统的建设时间较短、适用地区广泛、使用维护简单，同时还具有新能源环保清洁的有点，已经在世界范围内大量应用。近年来，我国光伏并网项目的进展十分快速，有调查研究显示并网发电总装机量早已超过了每年10GW[1]。在光伏发电网络装机容量的快速增长条件下，并网发电与传统电力网络的兼容已经成为电力系统研究的重要课题。
一、分布式光伏发电系统中的关键因素
1 季节以及时间因素
分布式光伏发电技术是通过用户所在位置布设分布式电源设备，将太阳能通过设备科学合理转化为能够使用的电能。基于此，太阳光辐射是分布式发电技术的能源基础，也与整体发电系统的能源产出有直接的关系，太阳光辐射的强度越高则分布式发电系统的能源产出就越多。而以我国的地理位置以及实际环境，夏季的太阳光辐射相比冬季要强烈，而夏季分布式光伏发电系统的能源产出要相比冬季明显增加。而以一天的太阳光辐射变化为依据，中午时间的光伏发电系统能源产出是一天中最多的，随着时间推移系统能源产出会逐渐降低。
2 天气因素
天气是与太阳光辐射有密切关系的因素，对于分布式光伏发电系统的电能产出。如果天气情况较为恶劣，比如雨雪天气或者云层较厚，太阳光辐射会大幅度降低，从而影响到分布式光伏发电系统的电能产出。可以说，天气因素是光伏发电系统中产能不稳定性的主要影响因素。
3 系统运行效率
分布式光伏发电系统的电能产出与整体系统的工作效率也有密不可分的关系，而系统运行中太阳能电池组以及逆变器等都是重要的组成部分。在光伏发电系统设计过程中，需要针对系统效率的各种影响因素，采取有效的系统优化措施。
二、光伏发电项目优化的必要性
1 案例一
某分布式光伏发电项目的原有电网中主要供电线路为1条10KV线路，而变压器容量设定为2000kVA，设置的光伏发电系统总容量为400kW，光伏发电的并网节点位置为400V的核心配电柜。工厂供电系统中固有的无功补偿装置为400V三相共补型SVC，而电流与电压的采样位置均位于10kV-400V的变压设备输出端。将光伏发电设备并网投入运行之前，系统功率因数测定结果保持在0.9至0.95之间。在光伏系统并网投入运行后，系统功率因数测定在0.7至0.9之间。
图1 分布式光伏发电系统拓扑结构图
在系统优化分析中确定，项目用电网络的结构较为简单，而并网点的位置与核心变压器较为接近，无功补偿设备仅一台。通过问题排查的方法确定，光伏发电系统并网前的整体电网系统有功功率为700kW，无功功率为300kVA。在光伏发电系统并网运行后，有功功率为350kW~500kW，无功功率为310kVA。在光伏发电系统并网后无功功率没有发生明显改变，而光伏逆变器的运行为单位功率因数，输出的功率为有功功率。系统功率下降的主要原因是系统输出的有功功率部分为光伏系统提供，而原有电网中的有功功率输出减少。可以得出的结论是功率因数降低。而在光伏发电系统并网运行前，无功功率为300kVA，数值较高。而多数无功补偿设备的起始补偿功率因数为0.95，现场功率因数则没有达到，推测无功补偿装备存在问题。通过现场实地检查发现，无功补偿装置的电容全部使用，推测无功补偿装置的容量无法达到整体要求。通过将逆变器的输出模式改变为无功功率给定模式，将总无功输出功率设定为200kVA后，系统再次运行后功率因数保持在0.95以上。
2 案例二
项目系统原有的供电设备为一台1000kVA容量变压器，而并网光伏发电系统的总容量为200kW，而同样配置有无功补偿SVC装置。光伏发电系统并网接入之前的系统功率因数为0.95至0.97。在光伏发电系统并网接入运行之后，系统功率因数保持在0.3至0.7。通过数据分析发现，接入前的有功功率为200至300kW，无功功率为30kVA。在光伏发电系统接入后有功功率输出为50至150kW，无功功率为70至110kVA。在光伏发电系统接入前后的数据中，并网接入后系统的无功功率上升较为显著。通过对无功补偿设备的检查发现，电容组的投切功能存在异常，可能发生报警后全部电容切出的问题。确定无功补偿装置报警原因为系统电流谐波超出标准。光伏发电系统并网接入后，由于逆变器输出保持为单位功率因数，电流谐波的含量较少，确定具体原因为逆变器提供了部分的基波电流，通过变压器输出的基波电流减少。系统中谐波电流没有明显改变，因此谐波滤波与无功补偿的取样位置（变压器低压侧）中电流谐波相对增加。在无功补偿设备计算的THD值增加超过标准时，无功补偿设备无法正常工作。而通过修改THD保护值，确保在THD值明显升高的状态下无功补偿装置可以正常工作，暂时解决了问题。而这样的解决方案存在较大的风险，有可能导致无功补偿装置中的电容组出现损坏。理想的解决方案是更换无SVC无功补偿装置，替换为APF有源电力滤波器，在完成无功补偿功能的过程中对于滤波也有补偿作用。
3 案例分析
通过案例分析可以确定，在光伏发电系统中出现系统工作效率出现问题后，需要确定光伏系统是否完成与电网母线的并网接入，之后确定电网母线中的无功补偿设备采样点是否存在问题，最后通过母线总口的电能表数据信息确定存在的问题。在实际工作中，确定问题发生原因的过程较为简单，而选择科学合理的解决方案则难度较大。在光伏系统项目整体工程结束后，如果要完成并网点位置的改变难度较大，同时还存在正常支线电路出现逆流的问题。这些情况发生后，只能选择临时替代方案或者放弃系统工作效益，或者通过超出预算的无功补偿设备购入方式解决。因此，在系统设计过程中可以通过设计方案优化，避免这些问题的发生。
三、光伏发电项目的设计优化方法
1 光伏方阵设计的优化
在光伏发电系统的设计初期，需要通过整体项目工程的调查研究，对项目工程的整体环境信息进行汇总研究，内容包括自然环境、地理环境、气候环境以及太阳能资源情况等。通过整体项目的调研资料为基础，确定光伏方阵的设计是否科学合理，同时具有较高的可实现性。在基础信息资料的调查研究后，需要设计光伏方阵的倾斜角度。而在温度与环境因素固定的环境下，光伏电池的输出电压、电流以及功率存在明显的相关性。伏安特性曲线的非线性特征较为明显，在无法提供大功率输出、输出电流在多数电压范围内稳定的情况下，电流下降较为明显。光伏电池在这种情况下的输出功率，与太阳光照射强度以及光谱分布有密切的关系。而光伏方阵设置的最佳角度应当为正南方向偏离在20度之内[2]。在无法确保光伏方阵的角度在正南方向的方位角情况下，需要将光伏组件水平安装。在倾斜角度大于10度的情况下，需要考虑光伏组件出现积灰、积水、积雪等问题，需要通过有效的改进措施避免杂物的影响。
2 逆变器设计的优化
在当前的光伏发电领域，逆变技术的结构以及性能已经较为成熟。但是有些问题还没有得到彻底解决。首先逆变器的升压变压器工作模式为工频，在系统需要足够的散热功能时，需要增加变压器的整体质量以及所占空间。这样系统造价会明显升高，不可避免的是系统噪音较为明显。同时还需要选择规格较高的大电流开关设备，可能营销到输入电压以及负载，设备动态响应能力明显下降。而高频链逆变技术能够有效减少逆变电源的功率损耗。高频链逆变技术中的电流源逆变方式，能够在减少系统损耗的同时，解决电压过冲的问题，同时表现出良好的可控性以及动态性，是当前逆变器设计中的主要电路拓扑方式[3]。
3 设计设计优化的关键因素
光伏发电项目设计中首先明确的是电网系统的容量，以项目的实际需求容量为核心，确定当前的电力线路、变压设备、并网位置能否达到实际要求的标准。而分布式小型光伏发电系统的发电容量基本原则为，低于上一级变压器极限负荷的25％。而在电力网络所有的分支线路都需要满足这一发电容量的基本原则，低于上一级极限负荷的25%。尤其是在所有分支线路均配置有独立的无功补偿装置情况下，理想的设计方式是将光伏发电系统的设备以分散的方式在分支线路中并网，可以确保对分支线路的影响降到最低。而其次，分布式光伏发电系统设计中需要考虑电力线路母线或者支路的负荷问题。在选择确定光伏发电系统并网点的时候，避免选择负荷变化较多而功率波动较为明显的分支线路。在将光伏发电系统并入后，可能增加分支线路的功率波动，导致分支线路电压以及频率的明显改变。严重的情况下，还可能导致逆变器与电网分离、负载烧毁等，同时线路中的电压也会受到影响，电流谐波也会出现明显的波动，整体系统中较为敏感度设备无法运行使用。所以在系统设计的初期，需要明确项目固有配电网络中的设备情况，包括无功补偿设备以及有源电力滤波器等。对于光伏设备接入分支线路可能导致的问题进行分析，同时做好预防方案，在问题发生后可以选择影响较小、快速有效的方案解决问题。
结束语
分布式光伏发电系统设计过程中，需要考虑的内容很多，包括光伏方阵、组件设置、接线方式以及逆变器选择等，而影响系统输出功率因数的主要因素较多。本文通过具体案例分析，明确了光伏发电系统工作中可能影响工作效益的一些问题，提出了不同角度的光伏发现系统设计优化思路，希望能够为分布式光伏发电系统设计提供新的思路。
参考文献：
[1]潘琪，徐洋，高卓.含分布式光伏电站接入的配电网三级电压控制系统设计[J].电力系统保护与控制，2014，（20）：64-68.
[2]王家兵.分布式光伏电站接入配电网优化规划研究[D].东南大学，2017.
[3]许崇伟.分布式光伏发电集成系统设计及优化建议[J].工程建设与设计，2018，（24）：183-184.
论文作者:黄漫龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：光伏论文; 系统论文; 分布式论文; 功率论文; 功率因数论文; 设备论文; 逆变器论文; 《基层建设》2019年第8期论文;