风光互补新能源并网发电试验系统的研制与应用

时间：2024-07-28

黄来，李劲柏，刘武林

(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007)

当前，能源、环境、气候变化问题日益突出。发展清洁能源，开发“绿色”电力，推进能源战略转型，成为世界能源发展的新趋势。可以说，清洁能源的发展将带来一场“能源革命”，对全球经济社会发展和国际政治经济秩序产生重大而深远的影响。展望世界新能源发展趋势，以美国为代表的世界发达国家及欧日韩等发达经济体均在大力推进新能源，把发展新能源放在一个极其重要的战略位置上，并将此作为应对当前金融危机、刺激经济复苏、增加就业机会的重要契机;作为推进经济长远发展、创造新的经济繁荣的重要引擎;作为抢占未来经济制高点、继续保持世界经济主导地位的战略产业;作为减少温室气体排放、争夺全球气候变化斗争领导权和控制权的重要砝码〔1〕。

风电、太阳能等新能源的崛起强烈促使我国的国家电网实施智能化电网的开发。因为一些间歇性可再生能源的大规模利用将对传统电网提出挑战，它们的不稳定性将对传统的电网产生冲击〔2〕。

1 太阳能光伏并网发电系统

太阳能光伏并网发电系统由光伏电池组件、单相防雷配电箱、光伏并网逆变器和监控系统组成，光伏组件通过“光伏效应”把光能转化为直流电能，经直流防雷后到并网逆变器将直流电转换为与公用电网同频率、同相位的正弦波交流电，再通过交流防雷和计量电表馈入公用电网实现并网发电。

1.1 光伏电池组件

本系统采用CS48－TD170型单晶硅光伏组件，主要参数为:输出峰值功率170 W、峰值电压35.5 V、峰值电流4.8 A、开路电压44 V、短路电流5.1 A，尺寸为:1 589 mm×806 mm×35 mm;单晶硅光伏组件转换效率≥16%。

共采用30块峰值功率170 W的光伏电池组件，总峰值功率达到5.1 kW。

1.2 单相防雷配电箱

选用合肥阳光生产的6 kW单相防雷配电箱，该配电箱具备交直流防雷功能，从太阳能电池板出来的直流电经直流防雷到SG5K－B逆变器逆变成正弦波交流电再经过计量电表和交流防雷直接与电网连接实现并网。

1.3 并网逆变器

并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率等各项电气参数。同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。

选用SG5K－B并网逆变器，它通过时刻采集电网侧的相位和频率同步反馈给并网逆变器，并通过其内部的功率调节器将光伏组件发出的直流电能变换成与电网侧同相位、同频率的正弦波交流电，以220 V电压实现并网，当电网断电时并网逆变器也会同时切断并网输出。SG5K－B并网逆变器的主要技术参数见表1。

表1 SG5K－B并网逆变器的主要技术参数

1.4 太阳能电池组件分布

30块170 W光伏组件，按每组15块组件串联，组成2个光伏组件阵列。SG5K－B并网逆变器最佳直流工作点为530 V，CS48－TD170参数为开路电压为44 V，最佳工作电压为35.5 V，短路电流为5.10 A，最佳工作电流为4.8 A，峰值功率为170 W。15块串联最佳工作电压为532.5 V，正好在最佳工作点范围。

2 风力并网发电系统

并网型风力发电系统由风力发电机、风机并网控制器、卸荷电阻箱、并网逆变电源及配电系统组成。风能通过风力发电机转化为幅值和频率变化的交流电，通过控制器整流为直流电，再经并网逆变电源将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电，馈送入电网。

2.1 风力发电机

风力发电机采用某设备有限公司设计并生产的HY2－AD4型。系统主要由离心变桨风轮、发电机、回转体(内装输电滑环、机械制动机构)、塔杆、制动系统、电缆、风机控制器等组成。风机的主要技术参数和特性功率曲线分别见表2和图1。

表2 HY2－AD4型风机主要技术参数

图1 功率曲线

2.2 其他系统组成

风力发电系统的并网逆变器采用某公司生产的WG3K并网逆变器，满足2 kW风力发电系统的要求。卸荷整流箱采用该公司生产的WEL4K型卸荷整流箱。其它部件如单相防雷配电箱、监控系统、工控机、多机监控软件、环境参数采集系统、显示器与光伏发电装置共用。

3 风光互补并网发电系统的研制

3.1 屋顶太阳光阴影跟踪

在太阳能光伏发电系统运行中，局部阴影现象常会发生。由于局部阴影的存在，太阳电池板中某些电池的电流、电压会发生变化，其结果是使电池板局部电流与电压之乘积增大，从而在这些电池片上产生局部温升。这将引起太阳电池组件中的某些电池片发热，产生所谓“热斑”现象。若热斑的温度超过一定极限将会使电池板上的焊点熔化并毁坏栅线，从而导致整个组件损坏。

在搭建太阳能光伏发电系统之前，对楼顶的太阳阴影进行了跟踪，确定了阴影范围。时间安排:2009年8月12日—2009年8月19日连续1周每天早晨07∶15—09∶15，下午16∶00—18∶00间隔0.5 h测量1次楼顶阴影区域。

经过连续1周的对楼顶阴影区域的测量，发现每天同一时刻阴影区域变化不大，综合1周的测量数据绘制出楼顶的阴影区域示意图如图2所示。

图2 测量数据绘制出楼顶的阴影区域示意图

图2中:左、右第1根线分别表示09∶15和16∶00的阴影边界;左、右第2根线分别表示08∶45和16∶30的阴影边界;左、右第3根线分别表示08∶15和17∶00的阴影边界;左、右第4根线分别表示07∶45和17∶30的阴影边界;左、右第5根线分别表示07∶15和18∶00的阴影边界。

在8月份之后，早晨07∶45以前和晚上17∶00以后光伏发电装置会处于阴影区域，有可能产生“热斑”现象，会缩短光伏电池组件的使用寿命，但是由于早、晚产生阴影时太阳光强不是很大，并且阴影移动速度很快 (每分钟至少移动几厘米)，所以“热斑”现象的影响不大。

3.2 风光互补并网发电系统原理

风光互补新能源并网发电系统原理图如图3所示。太阳能光伏发电系统通过单相防雷配电箱和并网逆变器转换成与电网同频率和相位的交流电并入配电网;风力发电系统通过卸荷控制器转换成直流电，然后通过并网逆变器转换成与电网同频率和相位的交流电并入配电网。太阳能光伏发电和风力发电所产生的电能通过电表进行记录。同时光伏并网逆变器和风机并网逆变器通过信号线传输给监控系统，对风光互补系统的运行状况进行实时监控。

图3 风光互补并网发电系统原理图

4 运行和应用情况

图4 太阳能光伏发电系统现场运行图

图5 风力发电系统现场运行图

图4和5分别为太阳能光伏发电系统和风力发电系统现场图。其中太阳能光伏发电系统于2009年11月5日实现并网发电，风力发电系统于2009年11月17日实现并网发电。该风光互补系统的成功并网发电标志着湖南省首座风光互补并网发电系统正式落成。依据湖南省太阳能和风力资源分布情况，预计该风光互补并网发电系统年发电量可达10 000 kWh左右，节约电费6 000元左右，CO2减排量约为6 000 kg。