吳旭鵬，解 大，戴 敏，趙萬(wàn)劍

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 松江供電公司，上海 201600）

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源緊缺與電力系統(tǒng)對(duì)供電安全性、可靠性和靈活性的要求越來(lái)越高，供電模式已由傳統(tǒng)的采用高電壓、大電網(wǎng)和大機(jī)組為主的集中式單一供電模式向含分布式發(fā)電的多樣化形式發(fā)展，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等清潔能源發(fā)電。其中，光伏發(fā)電作為新型能源中應(yīng)用較廣、使用區(qū)域受限較小而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，很多國(guó)家把發(fā)展光伏發(fā)電作為振興經(jīng)濟(jì)的重要手段。

關(guān)于光伏發(fā)電的研究，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家都有中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃和相應(yīng)的促進(jìn)光伏發(fā)電推廣應(yīng)用的政策，而我國(guó)作為太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家，起步較晚。我國(guó)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用方面所取得的成績(jī)相對(duì)較不突出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其投入成本及發(fā)電隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，難于大規(guī)模投入實(shí)際應(yīng)用中。但隨著節(jié)能減排任務(wù)的加重以及居民用電負(fù)荷的日益增大，有必要大規(guī)模開發(fā)和利用光伏發(fā)電。目前，我國(guó)已陸續(xù)出臺(tái)一系列涉及光伏發(fā)電的補(bǔ)貼政策和示范項(xiàng)目，全國(guó)正在掀起新一輪發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的熱潮［1，2］。而居民屋頂光伏發(fā)電使居民不僅僅是用戶，還可能是電能的提供者，因此研究上海居民光伏發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)上海電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行具有重大意義。

1 居民屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池陣列、直流接線箱、DC／AC逆變器、交流配電箱及計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)組成。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成直流電能后，再通過(guò)逆變器將直流電逆變?yōu)?0Hz、220V／380V的交流電，配電箱輸出的電能分成兩路，一路通過(guò)接入本地負(fù)荷以供自用，另外一路接入電網(wǎng)。當(dāng)光伏發(fā)電量大于等于本地負(fù)荷時(shí)，將多余的電能輸送至電網(wǎng)，而當(dāng)光伏發(fā)電量不足以滿足居民用戶負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷電能由電網(wǎng)供給，如圖1所示［3］。

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變控制部分擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的DC／AC轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波含量等重要指標(biāo)。同時(shí)，逆變控制部分是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)各部分與公共電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)可能發(fā)生的各種異常狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于居民光伏發(fā)電的并網(wǎng)，主要有單相和三相兩種方式。普通的小型單戶居民屋頂太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)采用單相并網(wǎng)方式；大廈太陽(yáng)能幕墻光伏系統(tǒng)，由于太陽(yáng)能電池陣列龐大，發(fā)電功率較單戶居民大很多，一般采用三相并網(wǎng)系統(tǒng)，并配有蓄電池組。

圖1 居民光伏發(fā)電系統(tǒng)

2 上海太陽(yáng)能資源概況及居民負(fù)荷特點(diǎn)

2.1 上海太陽(yáng)能資源概況

上海市位于中緯度地區(qū)的太平洋西海岸，屬北亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。四季分明、雨量充沛，氣候溫濕，年平均氣溫約為16.5℃，海拔高度約4m。上海日照條件較為充足，太陽(yáng)能資源比較豐富，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 014h。日照時(shí)數(shù)的分布以夏季最多，達(dá)600～700h，約占年總時(shí)數(shù)的三分之一；而冬季最少，約360～465h，僅占年總時(shí)數(shù)的18%～23%。多年平均太陽(yáng)總輻射量為4 565MJ／m2，太陽(yáng)總輻射量的分布以夏季最多，冬季最少，僅占年總輻射量的16%，春秋季接近相等，太陽(yáng)總輻射量的分布與日照時(shí)數(shù)的分布基本相似。

2.2 居民用電負(fù)荷特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2003年上海常住人口已超過(guò)2300萬(wàn)，是我國(guó)用電負(fù)荷最高、用電量最大的城市［4］。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)、電熱水器等大功率電器的普遍使用，上海的用電負(fù)荷逐年遞增，如表1所示。

表1 上海2001—2012年用電量 億kWh

其中，居民用電占的比例在15%左右。全年用電高峰由曾經(jīng)的僅夏季一個(gè)高峰向夏季、冬季兩個(gè)高峰發(fā)展。此外，上海用電存在較大供需矛盾，在高峰時(shí)供電量不足，但高峰持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)；居民生活用電負(fù)荷的利用小時(shí)數(shù)低，負(fù)荷率低；居民生活用電負(fù)荷所占比重比用電量的比重大得多，僅傳統(tǒng)的發(fā)電形式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有居民以及工業(yè)的供電，而單純的引導(dǎo)居民節(jié)約用電或拉閘限電措施并不能從根本平衡電能的供需［4］，因此利用光伏發(fā)電的接入不僅可以有效地利用清潔能源，還可以在不同程度上滿足居民的用電需求。

3 居民光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響

3.1 輸出功率不穩(wěn)定

光伏發(fā)電的能源來(lái)源是太陽(yáng)能，除發(fā)電裝置的故障、檢修等原因外，所發(fā)電量很大程度上受日照、溫度、季節(jié)等因素的影響，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)頻繁。通過(guò)對(duì)上海某光伏發(fā)電站2013年7月11日的有功功率（單位：MW）和無(wú)功功率（單位：Mvar）數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每5min一個(gè)點(diǎn)，共288組數(shù)據(jù)，如圖2所示。從圖2中可以看出，光伏系統(tǒng)夜間的發(fā)電量為0，白天日照較強(qiáng)，發(fā)電量較多，在正午時(shí)達(dá)到最大。而無(wú)功消耗量?jī)H在很小的范圍處于較穩(wěn)定的水平，根據(jù)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，無(wú)功功率的數(shù)值在0～0.1Mvar，因此曲線比較平緩。

圖2 光伏發(fā)電功率波動(dòng)曲線

由于電力系統(tǒng)調(diào)度對(duì)有功功率的短期負(fù)荷精度要求較高，當(dāng)光伏發(fā)電的容量超過(guò)一定比率時(shí)，將對(duì)系統(tǒng)的電壓、頻率造成影響，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要對(duì)光伏系統(tǒng)安裝點(diǎn)的多種氣象因素進(jìn)行長(zhǎng)期的考察，在大量數(shù)據(jù)支持的基礎(chǔ)上會(huì)盡可能提高輸出功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)電網(wǎng)的影響。此外，還應(yīng)在相應(yīng)的位置配備應(yīng)對(duì)發(fā)電量下降的補(bǔ)償裝置，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 孤島效應(yīng)

居民光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式發(fā)電，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)。所謂孤島效應(yīng)，就是當(dāng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因引起電網(wǎng)中斷供電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然與本地負(fù)載連接并處于獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)。由于孤島效應(yīng)被電力部門認(rèn)為已經(jīng)停電的光伏系統(tǒng)設(shè)施仍然可能帶電，這在檢修時(shí)將威脅到檢修人員的安全。此外，處于孤島中的用電裝置會(huì)因電壓和頻率的變化超出其承受能力進(jìn)一步損壞，而并網(wǎng)設(shè)備本身也將有損壞的可能性［4］。

考慮到用電的安全和對(duì)電能質(zhì)量的影響，應(yīng)避免孤島的產(chǎn)生。因此，光伏系統(tǒng)應(yīng)具有檢測(cè)孤島狀態(tài)并快速有效停止并網(wǎng)運(yùn)行的能力。對(duì)此應(yīng)安裝孤島檢測(cè)與控制裝置，及時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)側(cè)和光伏系統(tǒng)側(cè)的電壓、頻率等指標(biāo)，在指標(biāo)不滿足要求或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)保護(hù)裝置，及時(shí)跳開相應(yīng)的斷路器。

3.3 電能計(jì)量

對(duì)于不含并網(wǎng)光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)，由于用戶通常只是耗電者的角色，因此電能的計(jì)量通常采用單向累計(jì)電能計(jì)量表，即只要有電能流過(guò)電表，均默認(rèn)為消耗電能，并以此來(lái)計(jì)算電價(jià)。對(duì)于居民光伏系統(tǒng)并入電網(wǎng)的情況，只有當(dāng)光伏所發(fā)電量不滿足居民用電量時(shí)，電網(wǎng)才會(huì)有電能流向用戶。此時(shí)，若用傳統(tǒng)的單向電能表，用戶不僅要支付正常使用的電能，還要對(duì)輸入電網(wǎng)和自發(fā)的電能進(jìn)行支付，這無(wú)疑增大了用戶負(fù)擔(dān)，且極不合理。對(duì)此，需采取相關(guān)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量與電價(jià)結(jié)算。

目前，可通過(guò)采用雙向電能計(jì)量表，或根據(jù)不同的電能流向安裝兩個(gè)電能計(jì)量表［4］。對(duì)于前者，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)需考慮與原抄表系統(tǒng)的軟硬件兼容問(wèn)題，且需要比單向電能表更高的計(jì)量精度，由于國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)容量較少，這種電表的使用率不高，因此通常使用后者來(lái)進(jìn)行電能計(jì)量，如圖3所示。通過(guò)電能表1和電能表2分別計(jì)量居民的發(fā)電和用電量，對(duì)發(fā)電部分進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，對(duì)用電部分實(shí)行合理的收取電費(fèi)。

圖3 兩個(gè)電能表接入方式

3.4 節(jié)能減排

由于光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體及破環(huán)環(huán)境的污染物，更沒有廢水排放等，既有利于環(huán)境的保護(hù)，也延長(zhǎng)了傳統(tǒng)能源的使用期限。位于上海的某一屋頂光伏電站，總裝機(jī)容量為314.9kWp，共安裝1340塊235kWp的多晶硅電池組件，屋頂利用面積為2 420m2，該電站平均年發(fā)電量為33.28kWh。在采用低功耗的逆變器及其他原材料的情況下，這些電量被居民就地使用或并入電網(wǎng)時(shí)，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)煤119.81t，減少煙塵的排放量約1.8t，減少二氧化碳的排放量約313.9t，減少二氧化硫的排放量約為2.64t，其他氮氧化物的排放量減少0.89t。在其經(jīng)濟(jì)使用壽命為25年的情況下，將光電轉(zhuǎn)換效率衰減因素計(jì)算在內(nèi)，該光伏發(fā)電站將總共節(jié)省標(biāo)煤效衰減因.21 t。由此可見，屋頂光伏發(fā)電既節(jié)省了能源消耗，同時(shí)也減少了污染物排放，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看還將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在上海用電負(fù)荷與日俱增、環(huán)境問(wèn)題日益突出的現(xiàn)狀下，由于上海太陽(yáng)能資源豐富、光伏發(fā)電可利用居民屋頂?shù)奶攸c(diǎn)，開發(fā)和利用太陽(yáng)能資源成為必然的選擇。通過(guò)分析上海光伏資源分布和居民用電負(fù)荷特點(diǎn)，研究了將光伏發(fā)電接入電網(wǎng)和用戶直接使用時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)安裝相應(yīng)的功率補(bǔ)償裝置、防孤島保護(hù)等措施來(lái)滿足并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，以降低對(duì)電網(wǎng)的影響，通過(guò)安裝雙向電能表或兩個(gè)電能表來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的用電記錄。實(shí)例表明，居民光伏發(fā)電不但能滿足用戶的部分負(fù)荷，還能產(chǎn)生可觀的節(jié)能減排效果。

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