隋 超，趙憲國，高壽梅
（國網山東省電力公司沂南縣供電公司，山東 臨沂 276300）
1 微電網概述
近年來，社會經濟發展的速度逐漸加快，石油化工能源被過度開發利用，隨之引發能源危機問題。基于該背景，新能源技術應運而生，更多企業開始關注與應用新能源發電技術，如光伏太陽能發電、風力發電等。新能源發電雖可有效解決能源危機問題，然而因為該技術本身存在發電間歇性問題，尤其是并網過程中極易導致電網形成電力波動現象，影響電能質量和發電量。因此，提出微電網的概念，其核心在于多微電源同時供電，相互補充電源，可滿足小范圍的電力供應目標[1]。分布式光伏發電的微電網結構如圖1 所示。
圖1 分布式光伏發電微電網的結構
1.1 微電網結構
微電網即微網，是電壓等級為400 V 或10 kV 的一種現代化網絡結構，也是負載與保護裝置、能源轉換裝置、分布式電源以及儲能裝置等構成的發電、配電系統[2]。從根本上說，微電網對于形式煩瑣、數量較多的分布式電源并網問題解決力度較大，達到分布式電源高效應用的目標。
1.2 微電網元件
靜態開關、分布式電源、功率電子設備以及儲能設備等要素共同組成微電網，其中分布式電源指的是負載周邊分布的一種電力，主要將其分成2 種，即非再生能源、可再生能源。儲能設備主要為飛輪儲存、超級電容量和蓄電池等[3]。在電網有效功率高于負載要求的情況下，就會存儲剩余電量，以維持電力供需平衡。微電網孤網運行時，可調節儲能設備頻率，從而為微網運行提供保障。
1.3 微電網的優勢和劣勢
微電網是在低碳經濟背景下所產生的，由電負荷、分布式電能源共同組成的系統通過低電壓連接配電網，且存在更靈活的運行方式，具有可調度性能。微電網可視為電力系統的受控實體，具有較高的可控性，能夠有效保障供電質量。微電網具有環保節能的優勢，且發電成本比較低，對比傳統電網，微電網能夠有效緩解環境壓力，降低發電成本。由多個微電源共同組成的微電網，可以向本地用戶分配電能，無須輸電線傳輸，大大縮減了負載和電源的距離，使輸電線路的電能熱損耗獲得有效下降，也無須創建架空輸電線路，有效節約輸電建設成本，不會由于地理、天氣等因素而提高供電成本，具有較高的供電可靠性[4-5]。熱電聯產運行下，還可重復回收利用余熱，基于該情況，微電網的能源利用率可超過80%。
由此可以看出，世界能源互聯網下的微電網存在極大的發展優勢。然而，與傳統電網相比，微電網起步比較晚，也有很多不利因素，其發展受到很多制約因素的影響，如分布式電源具有較高成本，有待進一步提升運行和保護技術標準；電能存儲和生產必須依照負載需求調整，且微電網市場監管制度也不完善，有待從立法層面進一步優化。
2 分布式光伏發電技術
作為用途極為廣泛的分布式光伏發電系統，其結構包括獨立發電與并網發電2 類。分布式光伏發電系統產生之初多是用于微波中繼站、太空飛船、電視差轉臺以及通信系統等區域。近年來，越來越多的領域開始推廣應用太陽能光伏并網發電，主要為家庭屋頂光伏發電、城市交通或照明等。
2.1 獨立光伏發電系統
獨立光伏發電系統也被叫作離網光伏發電系統，為太陽能電池的能量轉化系統，由熱輻射與光產生能量。通常來說，單獨太陽能發電一定要配備能量存儲設備，電池是應用最多的設備。同時，需要配備控制器，主要作用是避免蓄電池過度放電，或者過度充電[6]。在直流電源中，應用的獨立廣電系統核心部件主要為蓄電池組、防反充二極管、電池方陣以及控制器等。
2.2 并網光伏發電系統
太陽能光伏系統的主要特點在于，通過并網逆變器轉化直流電成交流電，進而保證交流電能夠與公共電網實現有效連接，向廣大住戶提供更多電力，多余電量直接輸送至電網。在太陽能電池低電量的情況下，有必要做好電力網補充工作。并網光伏系統的示意如圖2 所示。
圖2 并網光伏系統示意
2.3 分布式光伏發電的工作模式
光伏發電系統的工作機理在于，通過太陽能電池所具有的光生伏打效應，太陽能電池板將太陽光中的光能轉換為電能供應給客戶。太陽能電池板、配電室、防雷系統、匯流箱以及逆變器等是太陽能電池板的重要組成部分。此外，因為太陽的能量密度較低，所以要求有較大的光電轉換效率，并且要使用匯流箱來降低光電轉換效率。由于光伏太陽能電池所產生的電屬于直流電，因此還必須要有一個逆變器來將直流電變成交流電。同時，為了確保在雷暴天氣下對發電系統中的關鍵部件，如電池面板、逆變器等進行防護，也必須進行初步的防雷設計。具有低壓負載的室內配電場所統稱為配電室，能夠為低壓用戶分發電能。由于分布式光伏發電系統通常在10 kV 之下，因此只需要設置一個低壓配電室即可[7]。除此之外，還必須在電力供應上安裝一些能量存儲單元，或是將整個系統接入電力網絡，才能確保電力供應的穩定，如此便構成一個完備的發電和用電體系。光伏發電原理如圖3所示。
圖3 光伏發電原理
3 基于微電網的分布式光伏發電技術要點
3.1 并網控制
若分布式光伏發電系統沒有配備相應的蓄電池，則需將其并入電網，以確保該光伏發電系統的供電可靠性。分布式光伏發電有多能量來源、多并網逆變器等特性，所以應充分考慮影響并網控制的相關因素。此外，因分布式光伏發電系統能源產生多借助并網逆變器，且并網運行期間需要重點注意耦合機理，所以涉及控制并網協調性能問題，應注重在運行過程中協調控制逆變器的電壓和頻率，以合理地動態分配其運行負荷。
3.2 優化系統電能質量
通常情況下，分布式光伏發電的電能輸出主要為直流電，然而用戶端負載多用交流電。若要使用光伏發電所輸出的電能，則需要轉化直流電為特定頻率的交流電，由此就需要應用逆變器。但是，并網運行過程中，正常運行時的逆變器會產生直流分量與諧波，會污染到電網，影響電網得電能質量。特別是電網直接連接用戶側負載時，就算直流分量與諧波非常小，也會嚴重影響到用戶的用電端口負載，造成設備不能順利或正常運行，導致設備遭到損壞。除此之外，在用戶負載中有大量感性負載的情況下，接入分布式光伏發電系統會大大降低功率因數cosϑ，導致電機等感性負載無法正常運行，甚至會加大發熱量[8]。以上情況產生的主要原因在于，分布式光伏發電系統大多只輸出有功功率，還有可能是電網無功功率補償裝置不匹配光伏發電系統。因此，若想有效控制光伏發電系統的電能質量，借助可調節功率因數cosϑ，可以對三電平組串逆變器進行輸出，也可通過并聯電容器實現動態無功補償的配置，有效改善并網連接中出現的光伏發電電能輸出質量問題。
3.3 電網結構和配置優化
由于分布式光伏發電系統的發電能源為太陽能，而太陽能會因為各地氣候、地理位置等外部因素而存在一定隨機性，而且光伏發電的核心部件即太陽能電池板的能量密度相對較低，相比傳統電網，太陽能電池板的網絡結構存在一定不同。基于以上因素，在電力系統規劃過程中，應精準預估本地可再生能源的分布情況，同時評估負載的可用性、隨機性和合理性[9]。對要進行光伏發電的地區進行現場調查，詳細調查和研究當地的電網、客戶的用電負荷，進而決定在當地的地區設置相應的分布式光伏發電裝置，防止負載過小或某一個電網單元負載過大，有效提升地方電網運行的安全性、可靠性。
4 結 論
分布式光伏發電技術與微電網技術迅猛發展的現階段，進一步擴大了分布式光伏設備的實際應用范圍，且并網能力也隨之得到提升。未來發展中，還會進一步擴充太陽能應用與發展的空間，為供電領域提供更多能源，最終推動社會經濟的可持續發展。
