浅谈“双碳”目标下以光伏发电为主的农村新型能源系统

2022-11-26张烜智

电气技术与经济 2022年4期

张烜智

（中广核新能源控股有限公司）

0 引言

光伏发电最早的研究与应用可以追溯到20世纪，研究这项技术最早是应用在航空领域，因为光伏发电设备先期的生产成本相对较高，给光伏发电的大规模应用带来了一定的阻碍。而随着近些年“双碳”目标的确立及科技的快速发展，我国的光伏发电设备成本已经大幅度降低，这给光伏发电大规模应用带来曙光，其强大的发电功能在满足用户居家生活及生产用电的同时，也可以向当地的电网出售，给农村地区发展光伏发电提供了推广的基础，

1 光伏发电的优势

光伏发电的结构与原理相对简单，没有能源的消耗，也不排放二氧化碳等一些温室气体，在发电的过程中也没有噪声与污染，只要有太阳能就可以把光能转化为电能，且太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，也是目前最为清洁与可持续的能源类型。光伏发电优势：①光伏发电所需的物质近乎于取之不尽、用之不竭。通过一些数据调查出的结果可以看出，每年照射到地球的太阳光所富含的能量要比人类消耗的能量高出6000多倍，而且分布极为广泛；②太阳能资源不受地理及空间限制，可以随时发电以供应当地电网，这避免了长线路输电所导致的电力损耗；③光伏发电的能量转化方式相对简单，直接将光能转化为电能，在这之中没有以往的机械能转化为电能的损耗，发电效率可以达到80%以上；④光伏发电自身不使用任何的化石燃料［1］，也不排放相应的温室气体及其他有害气体，可以做到零污染与零噪声，对于周边环境也极其的友好，不会因为燃料市场价格变化而增加发电及用电成本；⑤光伏发电过程中不需要有冷却装置，可以适用于没有水资源的荒漠地区，而光伏也能和建筑物很好地结合起来，不需要占用宝贵的土地资源。

2 农村光伏发电装置目前面临的问题

2.1 供电网络调配问题

农村分布式光伏发电首先应该根据其分布的特点，将电网电能的供需关系考虑进去，在电网供电压力大及承载能力较强的地区优先开始布局。分布式光伏发电设备在接入所在地区的电网之后，就会由原有的单独式发电设备，变成电网的组成部分，形成一套有源网络，这会改变以往的供电方式，将纯输出型的电网，转变为双向电力交易的供电体系，使用户也转变为发电源头，而用户通过光伏发电之后，在满足自身的用电需求之外，还可以将富裕电力就近销售给当地的供电企业。农村的光伏发电所产出的电压是属于低压网络，而目前的电网供电主干网络都是高压电网［2］，当大量的低压电能输入到电网之中也会对电网的电压维持系统、继电保护装置与短路保护等供电设备产生部分影响，当电网的电压超过预定的标准时，可能会触动电网的保护系统工作。在当地电网因检修或故障导致停止供电时，分布式光伏发电装置如还在继续工作，就会导致当地的供电线路中还有部分区域属于带电运行，最终形成了一个供电孤岛。

2.2 光伏发电设备施工及分布方面的问题

在农村屋顶以及空余区域安装光伏发电装置时，主要还存在一些施工方面的困难，由于农村的光伏电站具有分散等特性［3］，这会在安装时产生一些较大的风险，主要就是高空安装作业、带电安装问题和需要手工施工问题。因而在安装光伏发电装置时，这些施工中的风险也会有发生的概率，安全问题始终是最为突出的要素。而在运行的过程中还会发生一些突发的自然灾害，例如冰雹、大风及强对流天气等恶劣天气，这会对设备以及房屋下面的居民产生一定的安全隐患。

2.3 光伏发电设备运维方面的问题

在电网正常运行的过程中，分布式光伏发电设备会随着当地天气的变化而产生一些影响，主要的核心部件逆变器的正常输出功率也会随之而变，会产生谐波从而会引发电能污染。农村分布式光伏发电系统主要是通过电网中的低压线路入网的，用户在无法消耗所发电力的时候就会从所在地区的变压装置并入当地电网，产生多个并入点集中入网，而我国农村电网体系相对城市还是有一些薄弱的，大量的电能并入电网可能会对电网工作的稳定性产生影响。农村分布式光伏发电装置其工作的不可调节的特点，会与当地电网系统的调节及负荷有所不同，造成电压产生峰谷差、电压不稳及电压产生闪变等供电现象。我国一部分农村地区相对比较偏远，这些地区的供电线路相对比较长，而这种长线路供配电系统产生的电力损耗也是相对较高的［4］，如在这些地区建设多个分布式农村光伏发电装置并网时，会导致当地的供电系统负荷增大，甚至会引发电路保护装置启动，尤其是一些供电末端的变压设备容量相对不足，而现有的农村分布式光伏发电装置大多数都是按照2kV的标准设计的，每户的设计容量都在5kV之上，这会对农村的供配电系统的正常运行造成比较大的压力。

3 农村新型能源分布式光伏实施措施

3.1 农村光伏发电分布设计解决方式

在农村规划光伏发电设备时，应充分考虑当地电网的实际需求与有效载荷，光伏发电项目的建设是要与区域供配电系统协调发展的。在当地配电网络承载能力的基础之上，对不同分布的光伏发电装置进行优化调配，针对不同的区域安装光伏发电装置，可以根据当地供电部门的电力供应情况分析当地用电需求，了解当地电网的近期及中远期规划，对光伏设备进行合理分布［1］。对于经济发展相对比较落后的地区，其用电的需求也相对较少，当地供配电网络也比较薄弱，这些地区的光伏发电安装可能受到的影响会相对较大。而一些经济条件相对发达的地区，由于其人口相对较多，用电需求及配套电网也比较大，这些区域正是光伏发电装置大显身手的区域。光伏发电装置在农村的分布应在设计期间就要综合考虑当地的经济发展、用电需求及供配电设施问题。农村光伏发电的设计与布局首先就要保持其发电系统能够正常工作，也要根据安装的场地不同进行综合化的考量，如果安装在房屋顶部区域，应考虑到房屋的防水问题。要在设备发电的过程中对电力与电流进行数据的采集与反馈，做好相关的数据整理与保存，进而了解产品在运行中产生的问题，在现有的产品基础之上，进行优化与升级［2］。光伏发电装置在设计阶段还要考虑到一些极端天气和突发事件（例如火灾及触电等事态）的影响。光伏发电装置的设计核心系统就是控制方式，在开始设计前，应该对施工的场地进行深入考察，评估当地的安装与运行条件，根据当地的地理条件制定个性化方案［5］，采用最佳的倾斜角度，还要避免附近的其他建筑物和高大植物的遮挡。在安装光伏发电设备的时候应配置电弧故障的设备，还需要安装一些反孤岛设备，对于孤岛现象及发电电压进行监控，保障光伏发电的安全。安装电力保护设备，从而达到与电网适配方式相同，这会使光伏发电的适配区域进一步扩大。由于光伏发电都会安装在高处，应在发电设备安装防雷装置，为光伏发电提供更高更安全的保障。

3.2 增强农光互补，为农村生活生产提供更大的便利

由于各地的天气与地理位置不同，光伏发电设备的安装应充分考虑安装地区的环境，而光伏发电设备除了给用户提供电力服务之外，还可以对农村的温室及大棚提供良好帮助。光伏发电板可以有效地阻挡一部分紫外线，可以反射一些昆虫繁衍所需要的蓝紫光，这些优势可以减少当地的蔬菜病虫害，进而提高当地的蔬菜品质与产量，这是高科技产品与生态绿色农业建设相互结合的新模式［3］。每当步入夏季，我国的大部分地区都会受到高温的严重影响，这导致每年都有一部分时间无法种植蔬菜，尤其是传统的温室与大棚在夏季的温度可能会达到50℃以上，而这种气温对于大部分蔬菜品种来说是无法成活的，每年都会有一部分时间空闲，导致其产出受到极大的影响［6］。而新的光伏大棚或温室就可以完美地解决这一问题，由于光伏发电板的遮盖会使大棚内的温度降低，使大棚的产出时间大大延长［4］。当冬季来临之时，光伏发电板还可以防止棚内的温度向外流失，对于夜间的温度下降问题也能得到很好的解决，可以节省草帘覆盖这一环节，节省大量的人力、物力及财力。而光伏发电装置除了对农村蔬菜种植有益处之外，合理的遮光也能为农村的养殖业提供更好的生长环境，合理的光线互补也对水生花卉种植和鱼类养殖起到更好的效果，这能使得光伏与农村生产相互结合，通过与村集体合作等方式，惠及当地群众，从而带动农村的收入。

3.3 助力乡村振兴发展

《中共中央国务院关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》、《中共中央办公厅国务院办公厅印发〈乡村建设行动实施方案〉》等文件均提到通过建设光伏发电助力乡村振兴发展。除农光互补模式外，光伏发电可在规划设计阶段融入文旅元素，如将组件按照景观进行布置设计、建设新型互动景观，在周边修建绿色步道等，形成新的旅游景点，促进地方能源与旅游产业发展，还可在项目的建设过程中统筹考虑农村电网改造、供电设施升级，改善农村基础设施水平，为乡村振兴赋能。

3.4 农村屋顶分布式光伏发电设备的指标

现有的光伏发电设备在农村的主要安装地点是居住的屋顶，而光伏发电设备是一种集合多种高新技术于一体的发电装置，有大量的转换器，可以提供光伏的利用率，节约传输电缆的使用量，反馈装置的运行情况，以便于对光伏发电装置的实时管理，在这个过程之中，为了能使设备更好的运行，良好的运行维护是必不可少的一环［5］。分布式光伏主要从谐波的控制入手，还需要提升并网的逆变控制装置的工作效率，尤其是我国农村地区供配电系统相对薄弱，这对于逆变系统运行的好坏有着直接的关系［6］。由于光伏发电装置的运行特点带有间歇性与波动性，逆变器是整个光伏设备的直流转交流的主要工作部分，这就要求逆变器的电力偏差要控制在合理的范围之内，其输出的三相电压偏差要控制在7%；电压波动：光伏发电设备以10kV接入为标准［7］，其电压的波动应控制在3%范围之内；电压不平衡度：在公共位置连接点的负序电力不平衡度是需要控制在2%的范围之内，瞬间不能超过4%，而由光伏发电设备产生的负序电压不平衡度应控制在1.3%，瞬间应不超过2.6%；直流分量指标：光伏发电设备在和公共连接点所注入的直流分量应不超过额定数值的0.5%［7］。