黃來，李勁柏，劉武林

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007)

當前，能源、環(huán)境、氣候變化問題日益突出。發(fā)展清潔能源，開發(fā)“綠色”電力，推進能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，成為世界能源發(fā)展的新趨勢?？梢哉f，清潔能源的發(fā)展將帶來一場“能源革命”，對全球經(jīng)濟社會發(fā)展和國際政治經(jīng)濟秩序產(chǎn)生重大而深遠的影響。展望世界新能源發(fā)展趨勢，以美國為代表的世界發(fā)達國家及歐日韓等發(fā)達經(jīng)濟體均在大力推進新能源，把發(fā)展新能源放在一個極其重要的戰(zhàn)略位置上，并將此作為應對當前金融危機、刺激經(jīng)濟復蘇、增加就業(yè)機會的重要契機;作為推進經(jīng)濟長遠發(fā)展、創(chuàng)造新的經(jīng)濟繁榮的重要引擎;作為搶占未來經(jīng)濟制高點、繼續(xù)保持世界經(jīng)濟主導地位的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè);作為減少溫室氣體排放、爭奪全球氣候變化斗爭領(lǐng)導權(quán)和控制權(quán)的重要砝碼〔1〕。

風電、太陽能等新能源的崛起強烈促使我國的國家電網(wǎng)實施智能化電網(wǎng)的開發(fā)。因為一些間歇性可再生能源的大規(guī)模利用將對傳統(tǒng)電網(wǎng)提出挑戰(zhàn)，它們的不穩(wěn)定性將對傳統(tǒng)的電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊〔2〕。

1 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組件、單相防雷配電箱、光伏并網(wǎng)逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)組成，光伏組件通過“光伏效應”把光能轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)直流防雷后到并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為與公用電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，再通過交流防雷和計量電表饋入公用電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

1.1 光伏電池組件

本系統(tǒng)采用CS48－TD170型單晶硅光伏組件，主要參數(shù)為:輸出峰值功率170 W、峰值電壓35.5 V、峰值電流4.8 A、開路電壓44 V、短路電流5.1 A，尺寸為:1 589 mm×806 mm×35 mm;單晶硅光伏組件轉(zhuǎn)換效率≥16%。

共采用30塊峰值功率170 W的光伏電池組件，總峰值功率達到5.1 kW。

1.2 單相防雷配電箱

選用合肥陽光生產(chǎn)的6 kW單相防雷配電箱，該配電箱具備交直流防雷功能，從太陽能電池板出來的直流電經(jīng)直流防雷到SG5K－B逆變器逆變成正弦波交流電再經(jīng)過計量電表和交流防雷直接與電網(wǎng)連接實現(xiàn)并網(wǎng)。

1.3 并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把太陽能電池板轉(zhuǎn)換的電能送入電網(wǎng)。逆變器自帶的顯示單元可顯示太陽能電池方陣電壓、電流，逆變器輸出電壓、電流、功率等各項電氣參數(shù)。同時具有標準電氣通訊接口，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

選用SG5K－B并網(wǎng)逆變器，它通過時刻采集電網(wǎng)側(cè)的相位和頻率同步反饋給并網(wǎng)逆變器，并通過其內(nèi)部的功率調(diào)節(jié)器將光伏組件發(fā)出的直流電能變換成與電網(wǎng)側(cè)同相位、同頻率的正弦波交流電，以220 V電壓實現(xiàn)并網(wǎng)，當電網(wǎng)斷電時并網(wǎng)逆變器也會同時切斷并網(wǎng)輸出。SG5K－B并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SG5K－B并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)參數(shù)

1.4 太陽能電池組件分布

30塊170 W光伏組件，按每組15塊組件串聯(lián)，組成2個光伏組件陣列。SG5K－B并網(wǎng)逆變器最佳直流工作點為530 V，CS48－TD170參數(shù)為開路電壓為44 V，最佳工作電壓為35.5 V，短路電流為5.10 A，最佳工作電流為4.8 A，峰值功率為170 W。15塊串聯(lián)最佳工作電壓為532.5 V，正好在最佳工作點范圍。

2 風力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)電機、風機并網(wǎng)控制器、卸荷電阻箱、并網(wǎng)逆變電源及配電系統(tǒng)組成。風能通過風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電，通過控制器整流為直流電，再經(jīng)并網(wǎng)逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，饋送入電網(wǎng)。

2.1 風力發(fā)電機

風力發(fā)電機采用某設備有限公司設計并生產(chǎn)的HY2－AD4型。系統(tǒng)主要由離心變槳風輪、發(fā)電機、回轉(zhuǎn)體(內(nèi)裝輸電滑環(huán)、機械制動機構(gòu))、塔桿、制動系統(tǒng)、電纜、風機控制器等組成。風機的主要技術(shù)參數(shù)和特性功率曲線分別見表2和圖1。

表2 HY2－AD4型風機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 功率曲線

2.2 其他系統(tǒng)組成

風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器采用某公司生產(chǎn)的WG3K并網(wǎng)逆變器，滿足2 kW風力發(fā)電系統(tǒng)的要求。卸荷整流箱采用該公司生產(chǎn)的WEL4K型卸荷整流箱。其它部件如單相防雷配電箱、監(jiān)控系統(tǒng)、工控機、多機監(jiān)控軟件、環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、顯示器與光伏發(fā)電裝置共用。

3 風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研制

3.1 屋頂太陽光陰影跟蹤

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行中，局部陰影現(xiàn)象常會發(fā)生。由于局部陰影的存在，太陽電池板中某些電池的電流、電壓會發(fā)生變化，其結(jié)果是使電池板局部電流與電壓之乘積增大，從而在這些電池片上產(chǎn)生局部溫升。這將引起太陽電池組件中的某些電池片發(fā)熱，產(chǎn)生所謂“熱斑”現(xiàn)象。若熱斑的溫度超過一定極限將會使電池板上的焊點熔化并毀壞柵線，從而導致整個組件損壞。

在搭建太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之前，對樓頂?shù)奶栮幱斑M行了跟蹤，確定了陰影范圍。時間安排:2009年8月12日—2009年8月19日連續(xù)1周每天早晨07∶15—09∶15，下午16∶00—18∶00間隔0.5 h測量1次樓頂陰影區(qū)域。

經(jīng)過連續(xù)1周的對樓頂陰影區(qū)域的測量，發(fā)現(xiàn)每天同一時刻陰影區(qū)域變化不大，綜合1周的測量數(shù)據(jù)繪制出樓頂?shù)年幱皡^(qū)域示意圖如圖2所示。

圖2 測量數(shù)據(jù)繪制出樓頂?shù)年幱皡^(qū)域示意圖

圖2中:左、右第1根線分別表示09∶15和16∶00的陰影邊界;左、右第2根線分別表示08∶45和16∶30的陰影邊界;左、右第3根線分別表示08∶15和17∶00的陰影邊界;左、右第4根線分別表示07∶45和17∶30的陰影邊界;左、右第5根線分別表示07∶15和18∶00的陰影邊界。

在8月份之后，早晨07∶45以前和晚上17∶00以后光伏發(fā)電裝置會處于陰影區(qū)域，有可能產(chǎn)生“熱斑”現(xiàn)象，會縮短光伏電池組件的使用壽命，但是由于早、晚產(chǎn)生陰影時太陽光強不是很大，并且陰影移動速度很快 (每分鐘至少移動幾厘米)，所以“熱斑”現(xiàn)象的影響不大。

3.2 風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理

風光互補新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過單相防雷配電箱和并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率和相位的交流電并入配電網(wǎng);風力發(fā)電系統(tǒng)通過卸荷控制器轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率和相位的交流電并入配電網(wǎng)。太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電所產(chǎn)生的電能通過電表進行記錄。同時光伏并網(wǎng)逆變器和風機并網(wǎng)逆變器通過信號線傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，對風光互補系統(tǒng)的運行狀況進行實時監(jiān)控。

圖3 風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

4 運行和應用情況

圖4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場運行圖

圖5 風力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場運行圖

圖4和5分別為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場圖。其中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)于2009年11月5日實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，風力發(fā)電系統(tǒng)于2009年11月17日實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。該風光互補系統(tǒng)的成功并網(wǎng)發(fā)電標志著湖南省首座風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正式落成。依據(jù)湖南省太陽能和風力資源分布情況，預計該風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量可達10 000 kWh左右，節(jié)約電費6 000元左右，CO2減排量約為6 000 kg。

5 結(jié)論

文中通過現(xiàn)場試驗、設計和研究，搭建了風光互補新能并網(wǎng)發(fā)電試驗系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。在此試驗系統(tǒng)的基礎上，筆者將進一步開展如下研究:

(1)間歇、隨機式新能源對配電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的研究。

(2)間歇、隨機式新能源接入電網(wǎng)時電能質(zhì)量各參數(shù)的測試研究。

(3)太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器參數(shù)測試研究。

(4)儲能系統(tǒng)對于間歇、隨機式新能源適應性研究。

(5)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測和故障診斷研究。

〔1〕張國寶.重視新能源發(fā)展〔J〕.時代汽車，2009，(4):43．

〔2〕許珊珊，聶繼飛.新能源分布式發(fā)電的應用研究現(xiàn)狀〔J〕.大眾用電，2009，(4):3-5．