典型分布式光伏发电工程电力系统接入的优化设计

■ 李晟 吴江 朱军峰

(1.中冶华天工程技术有限公司；2.中冶华天南京电气工程技术有限公司)

0 引言

分布式光伏发电是指利用工商企业厂房屋顶或者厂区内其他空间资源，装机规模一般较小，发电单元布置在负荷侧，通常是以10 kV及以下电压等级接入的光伏发电系统。典型的分布式光伏发电项目消纳模式采用“自发自用，余量上网，电网调节”，从技术性来看，既可以减少能源的传输损耗，又能保证用户能源供给的稳定可靠；从经济性来看，由于政策的引导，收益也高于“标杆电价”全额上网的消纳模式。得益于技术性和经济性的独特优势，以自发自用为主的分布式光伏发电工程的投资建设及技术研究受到了极大关注，该电力系统接入设计也取得了丰富的研究成果[1-2]。

在很多研究和工程实践中，往往将分布式光伏发电系统与其所依存的企业配电网相割裂，忽视了分布式光伏发电系统与企业配电网之间的相互影响和相互制约，降低了光伏工程的经济效益和配电网安全。本文以典型分布式光伏发电工程为例，在深入分析和研究企业配电网现状与特性的基础上，提出了分布式光伏发电工程电力系统接入优化设计的思路和方法。

1 企业配电网情况分析

某汽车制造公司10 kV供电系统的电源来自上级110 kV变电站。厂区10 kV开闭所设置了3条独立母线，不设母联。其中：

1)Ⅰ段母线电源由上级变电站1F71间隔引来，该段母线设置15台配电设备，主要供给焊装车间、总装车间、涂装车间、综合站房用电。Ⅰ段母线单线原理图如图1所示，Ⅱ、Ⅲ段母线与之类似。

2)Ⅱ段母线电源由上级变电站1F74间隔引来，该段母线设置14台配电设备，主要供给焊装车间、总装车间、冲压车间、涂装车间、综合站房、高压空压机用电。

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3)Ⅲ段母线电源由上级变电站1F75间隔引来，该段母线设置13台配电设备，主要供给高压制冷机、焊装车间、涂装车间用电。但Ⅲ段母线所接高压制冷机总柜1AH1负荷为7158 kVA，每年仅在夏季使用5个月左右，为典型的季节性负荷。

根据负荷计算表和供电系统设计，将各用电负荷计算参数分配至各条母线，则3段母线的负荷计算数据(考虑了设备的利用系数、同时系数)如表1所示。

表1 各段母线负荷计算数据

考虑电气配电网在设计时，负荷计算数据为最大生产率下的负荷工况，而实际运行负荷应低于上述参数。假设实际运行时的有功功率为最大值的70%，则Ⅰ段母线有功功率为4940 kW，Ⅱ段母线有功功率为5121 kW，Ⅲ段母线有功功率为5020 kW(启用高压制冷机)和1420 kW(停用高压制冷机)。

2 分布式光伏发电系统容量和发电功率预计

根据光伏可用空间面积和前期规划，拟建分布式光伏发电系统总装机容量为10 MWp，分为9个光伏发电单元；每个单元的光伏阵列安装光伏组件约1.11 MWp，每个单元配置1台1 MW集中式逆变机房和1台箱式升压变压器。

根据项目所在地的太阳辐射数据，一年中出现水平面辐射强度超过光伏组件标准测试条件要求的太阳辐射强度1000 W/m2的概率极少，而光伏组件的容量都是按照标准测试条件标定的，因此，光伏发电系统的输出功率出现超发、满发的概率极低。即使短时太阳辐射强度达到了超发和满发的条件，考虑到分布式光伏发电系统的一般系统转换率(PR)为80%左右，则整个光伏发电系统的交流输出功率应在8 MW左右；折算至每个发电单元，最大交流输出功率约为880 kW。

图2 单个光伏发电单元的电气原理图

3 电力接入方案优化设计

3.1 并网点光伏装机容量分析

由于本项目的装机容量达到了10 MWp，根据国家标准及国家电网公司的有关规范要求，本项目应采用10 kV电压等级接入企业配电网，并且设置不低于2个并网点，以满足单个并网点光伏装机容量不高于6 MW的要求[3-4]。而企业配电网分为3段独立母线，具备设置33个光伏并网点的条件，因此，接入方案存在多种组合方式。在可能的组合方案中，必须考虑应满足如下几个前提：

1)每个光伏并网点配置的装机容量必须固定，避免保护、调度系统调整参数，确保配电网的可靠性。

2)考虑到在生产过程中可能出现负荷波动、特殊情况(如节假日、淡季时段、检修等)等主要生产负荷停用时段的情况，因此，并网点数目应尽可能多，以便在少量不停用负荷上得到尽可能多的消纳。

3)在充分考虑了企业生产与用能特性的基础上，满足光伏电力最大比例的被生产负荷所消纳，尽量避免余电上网的情况。

表2为可选接入容量的匹配方案，并给出了2种方案的对比分析数据。

表2 可选接入容量匹配方案

由于Ⅲ段母线存在周期性负荷，其变化占比高达72.69%，所以可以预期：如果采用方案1，在周期负荷停用的时段内，该段母线上的光伏系统发电量至少有一半将不能实现自发自用。在相同的负荷工况下，若采用方案2，通过合理调整各段母线并网点的光伏装机容量，各个并网点的理论自发自用率均可达到100%，明显优于方案1。

3.2 电力接入方案确定

根据上述比选分析，按照方案2给出的并网点光伏装机容量，依照国家电网公司发布的参考设计方案[4]，设计本分布式光伏发电工程的电力系统接入方案，如图 3所示。

4 分布式光伏发电系统接入企业配电网后的无功平衡

一般情况下，由于光伏发电系统并网点处功率因数接近0.99，其输出功率绝大部分为有功功率，无功功率非常低。虽然可以通过调节控制参数，使光伏并网逆变器可输出一定的容性或感性无功功率，但这需要占用逆变器自身的输出能力，会降低发电效益。

在特定时间内，假定配电网中用电设备的有功负荷为P，无功功率为Q，此时光伏发电系统输出有功功率为P1，必然对配电网计量点(或者系统接入点，PCC)处的功率因数存在影响[5-6]。

光伏发电系统接入前的功率因数φ为：

光伏发电系统接入后的功率因数φ1为：

在忽略光伏发电系统输出的无功功率的情况下，结合表1和表2中的数据，可计算出光伏发电系统接入后对配电网无功平衡的影响，具体数 据如表3所示。

图3 本分布式光伏发电工程的电力系统接入方案示意图

表3 接入光伏发电系统前、后的计量点功率因数对比

从表3数据可明显看出，接入分布式光伏发电系统后，对于配电网计量点而言，由于各段母线上负荷所需要的无功功率未发生改变，而光伏发电系统输出了大量有功功率，因此减少了负荷从电网中获得的有功功率，必然导致了计量点处功率因数的下降。

又由于光伏发电系统输出功率会随着光照情况而发生变化，生产负荷也会随着工况变化不断变化。针对这种情况，如果不在原有配电网增设合适容量的动态无功补偿装置，如静止无功发生器(SVG)装置，将会由于低功率因数问题导致企业需缴纳电网公司的低力率调整电费。

根据分析计算，本项目在3段母线上各设计安装了1套2 MVar的SVG装置，并将配电网计量点功率因数作为控制目标，以满足配电网无功平衡的需要。

5 优化设计方案实际运行效果

根据项目并网运行一年的统计数据分析，由于合理匹配并网点的光伏装机容量，分布式光伏发电系统年平均自发自用率达到90%左右(由于节假日及生产检修期间用电量较少，存在余电上网情况，因此必然低于生产时段的自发自用率)，取得了良好的经济和技术效益。同时，统计数据显示，系统月平均功率因数均高达0.98，验证了企业配电网无功平衡问题已得到了良好的解决。

6 总结

本文以典型工程为例，研究了合理优化配置光伏发电系统并网点数量、容量，以匹配生产负荷电力消纳特性的设计思路，从而提高自发自用率，增强经济效益；并且提出了应将包含光伏发电系统的企业配电网看作整体，从全局上考虑系统的无功功率平衡问题，以满足电网安全、调度、平衡的需要。通过对分布式光伏发电工程电力系统接入优化设计，为类似工程提供了有益借鉴。