微电网中的分布式光伏发电技术

徐大明

（重庆交通大学 重庆市 400000）

1 微电网技术

1.1 微电网的组成及研究

微电网的英文名称是Micro-Grid，简称为微网，它在分类上属于一种电压等级一般为10kV 或者400V 的新型的网络结构，是一种由分布式电源、能量转换装置，储能装置，监控，负载和保护装置等组成小型的发电及配电系统，简而言之就是由负荷和微电源组成的并且可以提供电能和热能的系统。微电网能够解决形式复杂多样，数量庞大的分布式电源的并网问题，实现分布式电源的灵活、高效应用。研究微电网技术，并在此基础上提出优化与改进方案，能够充分促进分布式电源和可再生清洁环保能源的大规模接入，同时使负载端的供给可靠性大大增强，加快传统电网向智能电网的进化进程。

1.2 微电网相对传统电力系统的优势与劣势

为了解决传统化石燃料发电所面临的这些问题，微电网技术应运而生并且在“低碳”的这个号召下发展迅速。这种由分布式电能源和电负荷组成的电网系统通过与传统电网相比来说较低的电压与配电网进行连接，运行方式灵活，性能可调度。另外，微电网可以当做电力系统内部的一个受控制的实体，可以作为单一负荷运行更是确定了其高可控性，高可控性则保障了其高供电质量。而且微电网环保节能，发电成本低，相比传统电网来说能够减少环境的压力，节约发电成本。微电网由多个微电源组成，能够直接将电能分配给本地用户，而不用从很长的输电线上进行输送，从而极大减少电源与负载之间的距离，从而减少了电能在输电线路上的热损耗，而且也不用进行建设很长的架空输电线路，减少了输电的建设成本，也不会存在因为天气原因或者地理因素导致的供电成本提高与供电可靠性降低的问题。并且在热电联产运行模式下对余热还可以进行重新回收利用，使得微电网对能源得到利用率高于80%，所以，在全球能源互联网这种大环境下，微电网的发展具有非常多的有利条件。

但是微电网相对于传统电网来说起步较晚，也存在一些不利条件，其发展也存在一些挑战及其他的制约因素。比如分布式电源相比传统电源来说成本高，运行与保护的技术标准还有待提升，电能生产与存储需要根据负载的需求进行合理调整，监管制度相对松懈，立法也需要进一步完善。

2 分布式光伏发电系统的组成

分布式发电（DistributedGeneration），一般是指那些发电功率比较小，分散，非外送型，直接布置在用户负载周围，电能可以不用远距离输送而是直接就近消纳。分布式发电系统有：以液体或者气体为能源的内燃机、热电联产机组、微型燃气轮机，燃料电池，太阳能光伏发电、风力发电、生物质能发电等类别。

图1：光伏发电的原理图

分布式光伏发电则主要为太阳能光伏发电，分为离网式和并网式两种。离网式指的是不将电力系统并入其它电网来运行，所以离网发电系统主要由太阳能发电组件，控制器和蓄电池组成，若要为交流负载进行供电，则还需要逆变器将直流电转化为交流电。而离网发电系统的范围包括对边远地区的供电系统、太阳能路灯、通信信号电源等各种带有蓄电池等储能元件的可以独立运行的光伏发电系统。而且要求储能元件的续航能够保证3 到5 个阴雨天的能量供给。

并网发电系统是太阳能发电组件产生直流电经过逆变器转换后成为传统电网要求的交流电之后，才能够接入公共电网。这种电网虽然可以不需要储能元件，但是却需要并入电网才能保证供电可靠性。并网光伏发电分为：有逆流和无逆流光伏发电系统，这两者的区别就在于能否在电量充裕时向公共电网供电。另外还有切换型并网光伏发电系统和带储能装置的并网光伏发电系统。前者的主要特点是可以在光伏发电系统因多云等原因不能正常工作时自动切换到公共电网，当公共电网出现瘫痪时还能自动切换回光伏发电。后者的主要特点就是除了并入公共电网以外还带有储能元件，这种发电系统主动性很强，当光伏发电系统和公共电网都因为故障而瘫痪时可以用储能元件作为后备电源，这种系统可以应用于紧急通信电源，加油站，医疗场所，避难所指示灯及照明等重要应急负载。

3 分布式光伏发电系统的工作机制

光伏发电系统的原理就是利用太阳能电池的光生伏打效应，利用太阳能电池板将太阳光中的光能转化为电能供用户负载端使用。光伏发电系统的主要部件有太阳能电池组件、防雷系统、配电室、汇流箱、逆变器等。

光伏太阳能电池板作为整个系统中的最关键的核心组件，负责将太阳的光能转化为电能。而且由于太阳能能量密度低的特点，需要很大面积的光伏太阳能电池阵列，为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连接线的数量，还要用到汇流箱。光伏太阳能电池所产生的电为直流电，所以还需要逆变器将直流电变成我们常用频率的交流电。发电系统还需要一些基本的防雷措施，能够保证在雷雨天气的时候为发电系统中如电池板和逆变器等重要部分提供保护。带有低压负荷的室内配电场所称谓称为配电室，主要负责为低压用户配送电能。因为分布式光伏发电系统一般都是10kV 以下，所以配置低压配电室即可满足用电需求。另外为了保证供电的可靠性，还需要搭载储能元件或者将系统并入电网中。这样，就形成了一套完整的发电与用电系统。光伏发电的原理图如图1 所示。

4 分布式光伏发电系统的技术要点

4.1 分布式光伏发电系统的并网控制

对于不带蓄电池的分布式光伏发电系统需要并入电网来保证供电可靠性。而分布式光伏发电系统有多并网逆变器以及多能量来源的特点，所以并网控制方面的影响因素是我们要进行充分考虑的。因为分布式发电系统的能源特点是具有多并网逆变器，其在并网运行中的相互耦合影响机理是在设计的时候需要重点注意的。同时这个也涉及到一些并网协调性能的控制问题，所以也应该重视多个逆变器在独立运行中如何协调控制频率与电压，从而更好地使负荷合理动态地分配。针对上述的并网多能源逆变器的特点，来开展关于独立并网控制模式和协调控制策略的研究。

4.2 改善分布式光伏发电的系统的电能质量

分布式光伏发电所输出的电能形式是直流电，但是一般用户端的负载都是使用交流电的。如果想要使用光伏发电系统输出的电能，就要将直流电转换成特定频率的交流电，这样的话就要用到逆变器。但是在并网运行的条件下，逆变器在正常运行的过程中会不可避免的产生谐波以及直流分量，这样会对电网造成污染，使得电网的电能质量降低。尤其是当电网直接与用户侧的负载相连接的时候，即便是微小的谐波和直流分量也会对用户用电端口的负载造成很大的影响，使设备不能正常工作甚至损坏设备。并且当用户负载区域的感性负载数比较多的时候，在接入分布式光伏发电系统后则会出现功率因数cosφ 比原来降低很多的情况，从而使得电机等感性负载难以正常运行，还会出现发热量大大增加的情况，导致感性负载设备损坏。出现这种情况的原因是因为分布式光伏发电系统基本上只能够输出有功功率，或者电网原有的无功功率补偿装置与现有的光伏发电系统不匹配所导致。所以，如果想要控制分布式光伏发电系统所输出出来的电能的质量，逆变器的输出是关键。可以通过采用可调节功率因数cosφ，能够输出三电平组串逆变器较为适宜，也可以采用并联电容器等装置来配置动态无功功率补偿，从而改善并网连接的光伏发电系统输出的电能的质量问题。

4.3 电网结构及其配置优化

因为分布式光伏发电系统主要以太阳能为发电的能量来源，而太阳能会随着当地的气候和所处的地理位置等外界因素有一定的随机性，并且光伏发电的核心器件天阳能电池板的能量密度也不是特别高，其网络结构相比较与其它的传统电网有一定的差异性。因为上述原因，我们在进行电网的设计过程中，应该充分考虑当地的可再生能源的分布预测，评估负荷水平的可用性、随机性以及合理性。在需要实施光伏发电的区域做一些实地考察，对当地的电网和用户的用电负荷做一些深入的了解与分析，从而确定在当地的哪些区域作多少确定容量的分布式光伏发电设备，在做出完善的当地总体规划后再进行分步实施。进而避免出现负荷过小或者某一个电网单元负荷过大的情况，从而提升当地电网运行的可靠性。