2022分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計、運行及發(fā)電效能

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計、運行及發(fā)電效能引言光伏發(fā)電相對于其它形式發(fā)電越來越具有競爭力[3]。繼早期大型光伏電站發(fā)展之后，裝機容量低于6MWb[5]從太陽輻射量角度，中國大部分東南沿海地區(qū)屬于III類區(qū)域，可利用的太陽能資源相對于西北部和東北地區(qū)較少。因此，太陽能光伏發(fā)電在東南沿海的應用較少。但是，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進步及光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其所帶來的光伏電站建設成本降低及其優(yōu)異的經(jīng)濟社會環(huán)境效益，使得在這些地區(qū)建設光伏電站也具有很好的前景。隨著國家施行“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，以及兩岸關(guān)系持續(xù)深入發(fā)展，與臺灣僅一水之隔的福建省省會福州市在區(qū)域經(jīng)濟、對臺經(jīng)貿(mào)合作等方面不斷突顯其重要性和特殊性；此外，福州在經(jīng)濟發(fā)展的同時，重視集約型、環(huán)保型城市建設，因此，發(fā)展清潔電力對于福州經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。在某個地方開展分布式光伏發(fā)電及其可行性論證，應對該地區(qū)的氣候條件、太陽能資源、電站建設模式、基礎參數(shù)等有系統(tǒng)的掌握。鑒于福州市乃至整個福建省少有分布式太陽能光伏電站建設，較為缺少光伏電站建設基礎數(shù)據(jù)、光伏電站運行數(shù)據(jù)及效能分析。本文從區(qū)域分布式光伏發(fā)電建設角度，針對福州地區(qū)實際，對該地區(qū)分布式光伏電站的設計、運行及電站性能、效能等開展了系統(tǒng)研究。其結(jié)果為今后在福州市或是東南沿海地區(qū)開展分布式光伏電站建設提供重要的模式及基礎數(shù)據(jù)參考。福州地理氣候及太陽能資源概況118?08'~120?31'25?15'~26?39'1786平方公里；福州600~1000m][8][9]4350MJ/m2(1kW?h=3.6MJ)，其中年太陽直接輻射量約為2150J21930分布式光伏系統(tǒng)方案及實施10kV及以下電壓等級接入公共電網(wǎng)，且6分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計分布式光伏電站的選址主要是在已有建筑、農(nóng)業(yè)大棚、企業(yè)廠房、漁場等。因此，電站設計主要考研究該地區(qū)分布式光伏電站建設的可行性和可能產(chǎn)生的效益，我們在福建師范大學旗山校區(qū)的教學樓屋頂設計并建設了兩座分布式光伏系統(tǒng)，一座為直接并網(wǎng)型(50.4kWb)，另一座為并網(wǎng)微電網(wǎng)型(28kWb)，78.4kWb。本項目選址福建師范大學旗山校區(qū)，位于福州市閩侯縣，校園建筑屋面多為朝20?~30?[10]。校園分布式光伏電力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。光伏組件按設計方案串并聯(lián)接后經(jīng)匯流箱接入光伏逆變器，經(jīng)用戶配電箱分別與校園用電設備和外電網(wǎng)計量電表聯(lián)接，通過雙向計量電表即可確定發(fā)電用電情況。分布式光伏電力系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩座光伏電站基礎技術(shù)參數(shù)如1所示。由于建筑屋面傾角與設計安裝高度角接近，為了降低建設并網(wǎng)接入方案設計分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點由所在電網(wǎng)的電壓等級、光伏的裝機容量、線路接納能力、區(qū)域配電網(wǎng)情況和上級變壓器等進行綜合考慮后確定[11]3kWb分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)(PV1)1接入到用戶電網(wǎng)，50.4kWb分布式光伏系統(tǒng)(PV2)2接入用戶電網(wǎng)，在產(chǎn)權(quán)分界點對光伏電能上網(wǎng)電量以及電網(wǎng)向負載供應電量進行計量。Figure1.SchematicdiagramofcampusDis-PVpowersystem圖1.校園分布式光伏電力系統(tǒng)示意圖Figure2.ElectricalstructureofDis-PVsystem圖2.分布式光伏系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)Table1.Technicalparametersofdistributedphotovoltaicsystem表1.分布式光伏系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)裝機容量(kW)2850.4組件類型單晶硅單晶硅組件效率(%)17.417.4組件功率(W)200200組件串聯(lián)數(shù)1021安裝方位角175?185?安裝高度角35?25?組件并聯(lián)數(shù)1412直流匯流箱路數(shù)1616并網(wǎng)逆變器容量(KW)30503.3.光伏電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由間隔層、站控層兩部分組成，間隔層是面向單元設備的控制層，包含采集單元、控制單元、保護單元、計量單元、網(wǎng)絡和通信接口等部分；站控層由操作員工作站、功能工作站、遠動接[1213]4所示，本系統(tǒng)的間隔層由環(huán)境監(jiān)測儀、逆變器、電表、數(shù)據(jù)采集器和無線路由器等組成，站控層由網(wǎng)絡鏈路、云平臺、計算機及手機監(jiān)控軟件等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先通過數(shù)據(jù)采集器對環(huán)境檢測儀、逆變器、電表進行數(shù)據(jù)采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線路由器發(fā)送到云平臺，云平臺接收到上傳數(shù)據(jù)以后，對數(shù)據(jù)進行計算處理分析，通過計算機和手機實時監(jiān)測分布式光伏系統(tǒng)的運行情況。Figure3.Grid-connectedaccessschemeofDis-PVsystem圖3.分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)接入方案Figure4.DataacquisitionandcommunicationarchitectureofDis-PVsystem圖4.分布式光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通信架構(gòu)分布式光伏電站運行數(shù)據(jù)分析與討論28kWb50.4kWb50.4kWb分布式光伏系統(tǒng))進行統(tǒng)計分析和研究，并網(wǎng)微電網(wǎng)型電站將另文研究。不同天氣類型光伏發(fā)電分析為研究不同天氣下光伏發(fā)電性能的情況與差異，我們將天氣分為晴天、多云、陰天和雨天四種典型2018550.4kWb分布式光伏系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本進行分析。數(shù)據(jù)測量采集結(jié)果如圖所示。從5(a)、5(b)中可以看到，晴天時光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率及太陽輻射最好，功率和輻照度變化具有明顯的對稱性，正午時太陽輻射最大，對應時段的光伏發(fā)電功率也達到最大值。多云、陰天和雨天則呈現(xiàn)波動性，而且存在突變現(xiàn)象[14][15][16]。我們知道，在白天，云層的遮擋是影響地面太陽輻射強度的直接原因，云能夠吸收和散射太陽輻射，同時也能夠吸收來自地表和對流層下層的紅外熱輻射[17]5(c)5(d)S型增長，129~14時近似為線性增長；多云天氣條件下光伏發(fā)電功率由于太陽輻射受云層遮擋而波動性大，但發(fā)電量增長趨勢與晴天類似，并且發(fā)電能力還是相當可觀；陰天、雨天天氣光伏日累計發(fā)電量和日累計輻射量增長緩慢，這與兩種天氣條件下的太陽輻射弱有直接關(guān)系，基本上沒有太陽直射輻射，而只有散射光，因此光伏發(fā)電功率均較低。此外，從這兩個圖還可以看出，不論是哪一類型天氣，總體上，一天內(nèi)光伏發(fā)電量與地面某一地點接收的太陽輻射量變化情況一致。Figure5.ThestationofDis-PVpowergenerationandsolarradiationunderthefourtypicalweatherconditions圖5.四種典型天氣條件下分布式光伏電站運行情況與太陽輻射情況晴天光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣特性從56所示。觀察6(a)中光伏發(fā)電功率及平面瞬時輻照度變12114986(b)光伏陣列最大功率點的變化趨勢也反映了這一點，上午時段整體對應的平均最大功率略高于下午時段對應的最大功率。這個可以從光伏組件在一天內(nèi)的溫度變化來理解，正常情況下，光伏組件溫度從早晨開始逐漸上升，直到下午14~15時達到最高溫度(后面我們將給出實驗結(jié)果)[19]6(b)7~1212~17時呈現(xiàn)相反趨勢。這一結(jié)果也體現(xiàn)出最大功率跟蹤對于提高光伏系統(tǒng)整體發(fā)電效率具有重要的作用。Figure6.ThechangeofPVpowergenerationperformanceundersunshinecondition圖6.晴天條件下光伏發(fā)電性能變化情況除了太陽輻射強度影響光伏發(fā)電量之外，溫度對光伏組件的轉(zhuǎn)換效率也有重要影響，進而影響光伏發(fā)電量。相關(guān)研究表明，溫度升高將降低太陽能電池的填充因子和最大功率，其實質(zhì)就是降低太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率[18]7給出了測試地點(福州)光伏電站運行期間四個特征日期的環(huán)境溫度及對應組7(a)30℃~400℃~20℃間變化；從7(b)可以發(fā)現(xiàn)，光伏組件溫度變化區(qū)間較大，特別是夏至的組6014~15時之間。福州地區(qū)的環(huán)境溫度變化特點使光伏發(fā)電性能出現(xiàn)了差異性，這也正是為何夏至太陽輻射強度大、日照時間長，但總體發(fā)電量并沒有比其它三個特征日期的發(fā)電量大太多的原因，因此溫度對光伏組件的發(fā)電性能影響是不容忽視的。全年光伏發(fā)電分析全年光伏發(fā)電及日照輻射統(tǒng)計從工程及光伏電站建設經(jīng)濟可行性的角度，我們需要獲得某個地區(qū)年平均光伏發(fā)電量，進而可以有效估算光伏電站整個生命周期內(nèi)的總發(fā)電量及產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會效益。因此，為了研究福州地區(qū)全年光20171020189月期間光伏電站所在地區(qū)平面日照總輻射50.4kWb分布式光伏電站年光伏發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并按春夏秋冬四個季節(jié)進行分析研究。Figure7.ThetemperaturechangeofenvironmentandPVarraysforthefourtypicaldatesundersunshinecondition圖7.晴天條件下四個特征日期環(huán)境和光伏組件溫度變化情況(福州地區(qū))1250.1kWh/m2155635.2%44034kWh。圖8給出了全年按月統(tǒng)計的分布式光伏電站發(fā)電量及日照輻射變化情況。從圖中可以看到，1、2、11、12四個月份的太陽輻射量較小，均在60~70kWh/m2之間；3~10月份太陽輻射量均在100kWh/m2以上(100~150kWh/m2之間7145.7kWh/m26月的太陽輻射46月是福州地區(qū)春雨和梅雨期，降雨造成了太陽輻射782中春夏兩季陰天及雨天天數(shù)明顯反應了這一特點。Table2.Thedaysofweathertypeinthefourseasonsof2017-2018表2.2017~2018四季天氣類型分布天數(shù)情況晴天多云陰天雨天春季5352329夏季832646秋季15321727冬季12381822合計40137641248同時給出了分布式光伏電站全年按月統(tǒng)計的發(fā)電量情況。從圖中可以看出，全年頭尾四個月份2500kWh3~103600kWh11月為發(fā)電量最少(153kWh)，7月為發(fā)電量最多(4689kWh)?？梢钥吹剑夥l(fā)電量與平面太陽總輻射量的變化趨勢基本一致。Figure8.Theannualcurveofphotovoltaicpowergenerationandsolarradiation圖8.全年光伏發(fā)電及平面總輻射量變化情況為了分析全年不同氣候條件下的光伏發(fā)電情況，我們統(tǒng)計了四個季節(jié)各自的環(huán)境參數(shù)及光伏發(fā)電情況，結(jié)果如3所示?？梢钥吹?，福州地區(qū)春季和夏季的光伏發(fā)電量接近，雖然夏季太陽平面總輻射量50kWh/m2，但由于夏季的平均溫度高于春季，導致光伏組件轉(zhuǎn)換效率下降，使得夏季光伏發(fā)電量并沒有比春季的高多少。此外，我們發(fā)現(xiàn)福州地區(qū)冬季的光伏發(fā)電量很低，拉低了全年的總發(fā)電量和平均日發(fā)電量。表中還給出了福州地區(qū)不同季節(jié)的日照時數(shù)、日照百分率等參數(shù)，對于分析光伏電站發(fā)電量及不同季節(jié)發(fā)電量分布情況有很好的參考。對于光伏電站建設的可行性分析來看，其中的1kWb光伏組件日平均光伏發(fā)電量，從3可以看到，福州地區(qū)春、夏兩個季度這個參數(shù)值可達到2.85kWh，由于冬季這個參數(shù)值僅1.66kWh為全年平均值約為2.41kWh。Table3.Photovoltaicpowergenerationandsolarradiationparametersoffourseasons表3.四季光伏發(fā)電及日照輻射情況季節(jié)春季夏季秋季冬季光伏發(fā)電量(kWh)13,08313,11610,29975361kWb組件日平均光伏發(fā)電量(kWh)2.852.862.251.66平面總輻射量(kWh/m2)356.7403.9297.8191.5日照時數(shù)(h)425.2466.4408.4256.7日照百分率(%)36.337.839.126.4光伏日發(fā)電量與日輻射量擬合分析20171020189月全年日發(fā)電量與日輻射量進行統(tǒng)計及擬合，如9所示，從總體上，光伏發(fā)電量與輻射量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，擬合結(jié)果顯示，斜率值為0.03357，最大平面日輻射量在7074Wh/m2，最大日發(fā)電量為240kWh。Figure9.TherelationshipbetweenannualcumulativedailyradiationanddailycapacityofPVpowergenerationanditsli-nearfittingresult圖9.全年日累計輻射量與光伏日發(fā)電量的關(guān)系及擬合結(jié)果結(jié)論本文從區(qū)域分布式光伏發(fā)電建設角度，針對福州地區(qū)實際