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《太陽能》《太陽能學報》

  創刊于1980年,

  中國科協主管

  中國可再生能源學會主辦

《太陽能》雜志社有限公司出版

《太陽能》雜志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  國內發行2-165  國外發行Q286

《太陽能學報》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  國內發行2-165  國外發行Q286

详细内容

并網型分布式光伏電站待機運行狀態下的降損優化策略

      分布式光伏電站屬于間歇性發電電源,在一天中,其功率輸出的時間段相對固定:當光照強度滿足電站最低啟動條件時,電站進入并網發電運行狀態;隨著時間的推移,光照強度逐漸降低,電站進入待機運行狀態,不再向電網提供電量,電站由發電性質轉變為用電負荷用電性質。與傳統的燃煤發電、水輪發電機組相比,光伏發電的輸出功率波動明顯,功率幅值變化的預測難度高,其發電特性決定了電氣設備的工作特性,即電氣設備的利用率不高,運行工況輕載現象嚴重,因此,常采用增大直流側超配比例或配置一定容量的儲能系統等方式來進行改善。


       針對分布式光伏電站在并網發電運行狀態下如何提升整體發電量已有較多研究,技術成熟;而針對分布式光伏電站待機運行狀態下產生的待機損耗的分析,大多僅停留在理論階段,未形成全面的關注度,忽略了待機損耗電量價值、待機狀態用電電價與光伏發電電價的差額。文獻[1-2]對傳統電力網絡的各類損耗單元進行了模型分類及損耗計算,并根據其在總線損中的構成比例提出了相適應的降損策略。文獻[3-4] 針對分布式電源接入后對電力網絡潮流的影響進行了分析,對整體損耗產生的影響進行了計算,并由此推導出最佳分布式電源準入容量。文獻[5] 提出了變壓器在諧波作用中的損耗分析及對絕緣壽命的影響。文獻[6] 考慮了在電網中通過配置無功補償裝置來降低損耗的分析。文獻[7-8] 提出了大規模的分布式電源接入后對配電網產生的影響。文獻[9-10] 提出了一種在過電壓限制下的最大可接入分布式電源容量。文獻[11] 提出了一種含光伏發電系統的配電網電壓越限的解決方案。


       并網型分布式光伏電站在不發電狀態下,光伏升壓變處于待機運行狀態,雖然有針對光伏等新能源發電的政策支持,光伏電站新增升壓變壓器的容量費不計入電費,但待機電量損耗是正常存在的。經調研后發現,在大量的已并網高、低壓光伏電站中,低壓光伏電站的待機年自用電率在1% 以內,高壓光伏電站因存在大量變壓器空載運行的情況,其待機年自用電率一般在2% 以內。目前,暫無專門針對分布式光伏電站如何降低待機損耗的相關策略。本文通過對已并網分布式光伏電站的待機損耗進行分類,分析了各類損耗的比重,并提出了適宜的降損運行策略。


1 待機電量貿易結算


1.1 典型分布式光伏電站的計量點設置

       按照上網模式不同,分布式光伏電站主要分為“全額上網”電站和“自發自用,余量上網”電站2 大類,且2 類電站接入電網的位置不同。一般分布式光伏電站會設置2 個計量點,分別為關口計量表、發電計量表。關口計量表為結算返送至上一級電網的上行電量,發電計量表分別結算光伏發電量補貼的上行電量和待機運行損耗的下行電量。


1.2 待機計費原則

       光伏電站待機運行是指維持電站并網最小的損耗功率,待機運行損耗電量可能過發電計量表的下行電量讀取,電價為實時的公網電價。


2 分布式光伏電站待機損耗模型


2.1 負荷分類

       從電網負荷分類角度來看,分布式光伏電站在待機運行狀態下為感性負荷,其主要負荷元件包括變壓器、逆變器、電纜及暖通照明設備等。由于電站在待機運行狀態下的負載電流值很小,變壓器的狀態接近空載運行,因此,根據變壓器的損耗計算公式,在一定的負載電流條件下,總有功損耗PL 可表示為:

       I 為變壓器的運行電流;In 為變壓器的額定運行電流。待機運行狀態時,(I 2/I 2n) 的比值接近零,因此,總有功損耗可近似認為等于空載損耗。此運行狀態下,分布式光伏電站的主要負荷的分類如表1 所示。



2.2 負荷理論計算

       以浙江區域的典型并網型分布式光伏電站為例,通過計算其理論的待機損耗值和實際的待機損耗值的偏差來作為制定降損策略的依據。該分布式光伏電站的基本情況為:在框架式混凝土屋頂上采用小傾角安裝光伏組件,裝機容量為1.46MW,采用1 臺標準的1.26 MWp 逆變升壓單元,“手拉手”環接至原10 kV 供電開關柜,并網方式采用“自發自用,余量上網”。該分布式光伏電站的主要負荷損耗功率及損耗占比如表2 所示,主要負荷的損耗功率如圖1 所示。




       為簡化計算,分布式光伏電站在待機運行狀態下的損耗模型可簡化為一定條件下功率相對恒定的感性負載,夜間用電功率因數cosφ 取0.8,電站損耗計算的邊界條件選取典型日發電輸出功率曲線,并網發電日均運行時間t 按06:00~18:00 計算,其余時間為待機運行。因此,分布式光伏電站的理論日均待機損耗電量Wday 為:

       式中,p 為分布式光伏電站的功率;u 為分布式光伏電站的電壓;i 為分布式光伏電站的待機電流;φ 為功率因數角。


       將相關數據代入式(2) 可知,Wday 為42.72 kWh。折算至每月,則理論月均待機損耗電量Wmonth 為Wday×30=1281.6 kWh。


2.3 典型分布式光伏電站的待機電量分析

       仍以上文所選典型并網型分布式光伏電站為例,從監控后臺調取該電站2018 年實際運行的總發電量、自發自用電量、上網電量、待機損耗電量等數據,具體如表3 所示。該分布式光伏電站的2018年電量結算折線圖如圖2 所示。




       由圖2 可得出以下結論:

       1) 根據分布式光伏電站的實際月均待機損耗電量值曲線可知,其基本與理論月均待機損耗電量值在同一水平,實際值符合設計預期值。


       2) 分布式光伏電站的待機損耗電量與總發電量大小無關,是由分布式光伏電站的系統配置決定的。待機損耗電量全年浮動不大,曲線基本呈水平直線狀,保持穩定。


       3) 分布式光伏電站的待機損耗率與電站的總發電量呈負相關,即當總發電量越大時,站用電率較小,在總發電量較高的3~10 月,待機損耗率在較低范圍內波動。


       4) 降低分布式光伏電站的待機損耗電量相當于從另一個方面提升了電站的整體發電量,可提高電站的財務收益率,也是電站高水平設計和運維的反映。同時,對待機損耗率占比過高的分布式光伏電站來說,應加強運維管理,與周邊地區同類型分布式光伏電站進行多維對比,分析其損耗源頭,避免發生類似“夜間竊電”的現象。


3 降低待機損耗的若干策略


3.1 設定定時限投切開關

       分布式光伏電站在待機運行狀態下,光伏變壓器由并網發電時的升壓變壓器轉變為負荷的降壓變壓器,主要的負荷源點為變壓器單元,占電站總損耗的比例為55.06%。因此,降低變壓器的空載損耗,可大幅降低電站的待機損耗,是實現光伏電站降損的高效路徑。


       降低變壓器待機運行的時間,將變壓器高壓側的開關設置為定時限的自動投切的標準單元,使其實現在任意一天的固定時間段開關的運行狀態。當分布式光伏電站轉變為待機運行狀態時,將變壓器高壓側開關投退,將變壓器從光伏發電系統中隔離切出;當分布式光伏電站轉變為發電運行狀態時,將變壓器投入運行。投切時間段可以根據電站所在地的典型日最大發電時間曲線進行設計。另一種方法是增加檢測電流互感器,當電流超過發電電流閾值或小于待機負荷電流值時,通過觸發信號,啟動或關閉高壓側開關來實現投切時間段的設定。


       當存在多級光伏升壓變壓器“手拉手”運行時,考慮到變壓器投切時對電網的沖擊,以及變壓器的勵磁涌流對變壓器壽命的影響,可在每一級變壓器投切時間上設置級差,分段投切。


       對于給定的變壓器,其空載損耗和額定負載損耗值是常數。變壓器的負載損耗值與負載率呈雙曲線關系,隨著負載率增大,負載損耗值也隨之增大,然后當負載率達到“1”時,此時的負載損耗為額定負載損耗。


       以1 臺10 kV、1250 kVA 的干式升壓變壓器為例,其空載損耗為2.09 kW,按每天空載運行時間12 h 估算,年均節省電量9154.2 kWh,25年累計可節省電量228855 kWh,即相當于電站發電量可提升228855 kWh。


3.2 靈活調節變壓器的運行方式

       分布式光伏電站輸出功率隨太陽輻照度的變化而波動,其平均系統效率約為80%。而分布式光伏電站中電氣設備的設計是按照直流側額定容量設計的,導致電氣設備在多數情況下處于輕載狀態,如此造成初始投資增大,運行損耗增加。分布式光伏電站典型日功率曲線如圖3 所示。



       調整變壓器的運行方式,改善設備輕載或閑置運行工況,可以降低變壓器的負載損耗。當分布式光伏電站處于發電低谷時間段時( 滿足2 臺升壓變的發電電流之和不大于任意1 臺的額定電流值),可靈活切換2 臺變壓器的運行模式,通過投入聯絡開關QF3,斷開QF1、QF2,將1# 變壓器下的負荷電流轉移至2# 變壓器。變壓器的橋接運行方式如圖4 所示。



       1) 2 臺變壓器并列運行時,變壓器的負載損耗為:

       2) 2 臺變壓器合并運行時,變壓器的負載損耗為:

       當PL1=PL2 時,并列運行與合并運行的損耗值相等,可求解出此時的臨界電流值IP。當運行電流I 小于臨界電流IP 時,合并運行的損耗值小于并列運行時的值;當運行電流I 大于臨界電流IP 時,合并運行的損耗值大并列運行時的值。因此,可根據實時的光伏發電輸出功率來靈活調節變壓器的運行方式,從而降低變壓器損耗。


3.3 選用非晶合金型變壓器

       變壓器的空載損耗包含銅損和鐵損,夜間當變壓器處于空載運行狀態時,其空載損耗主要為鐵損,鐵損和變器線圈材料的導磁率有關。因此,為了從源頭上降低鐵損,可以選用空載損耗更低的材料,比如非晶合金型變壓器,可使空載損耗值大幅降低。


       在相同使用條件下,非晶合金型變壓器的空載損耗約為常用的環氧樹脂型變壓器的1/3,大幅降低了變壓器的空載損耗。


4 結論


       并網型分布式光伏電站的待機損耗主要來源于升壓變壓器的空載損耗,其占總損耗比例較大且數值相對固定。本文提出了并網型分布式光伏電站待機運行狀態下的降損優化策略,通過從控制變壓器的空載運行時間來降低損耗、改變現有電網的連接結構、更換空載損耗更低的升壓變等策略來實現,并可根據分布式光伏電站的實際情況進行靈活改造。綜上所述,待機損耗的降低可以通過多途徑降損策略來實現,總的原則是在保證系統安全運行的基礎上,充分利用已有設備,改善設備輕載或閑置運行工況,將損耗控制在最優范圍內。


浙江正泰新能源開發有限公司

胡華友,朱高麟,吳云來

來源:《太陽能》雜志2020年第6期(總第314期)



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