吳旭鵬，解 大，戴 敏，趙萬劍

（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)對供電安全性、可靠性和靈活性的要求越來越高，供電模式已由傳統(tǒng)的采用高電壓、大電網(wǎng)和大機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內(nèi)外學(xué)者的高度重視，很多國家把發(fā)展光伏發(fā)電作為振興經(jīng)濟的重要手段。

關(guān)于光伏發(fā)電的研究，美國、日本、歐洲等發(fā)達國家都有中長期發(fā)展計劃和相應(yīng)的促進光伏發(fā)電推廣應(yīng)用的政策，而我國作為太陽能資源豐富的國家，起步較晚。我國在太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用方面所取得的成績相對較不突出，太陽能光伏發(fā)電因其投入成本及發(fā)電隨機性、間歇性等特點，難于大規(guī)模投入實際應(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，我國已陸續(xù)出臺一系列涉及光伏發(fā)電的補貼政策和示范項目，全國正在掀起新一輪發(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)問題，對上海電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟的運行具有重大意義。

1 居民屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、直流接線箱、DC／AC逆變器、交流配電箱及計量檢測系統(tǒng)組成。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能后，再通過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，一路通過接入本地負荷以供自用，另外一路接入電網(wǎng)。當(dāng)光伏發(fā)電量大于等于本地負荷時，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荷時，負荷電能由電網(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)負著系統(tǒng)的DC／AC轉(zhuǎn)換，并準確控制轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波含量等重要指標。同時，逆變控制部分是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，負責(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)運行，并對系統(tǒng)可能發(fā)生的各種異常狀態(tài)進行保護。對于居民光伏發(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能光伏系統(tǒng)采用單相并網(wǎng)方式；大廈太陽能幕墻光伏系統(tǒng)，由于太陽能電池陣列龐大，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 上海太陽能資源概況及居民負荷特點

2.1 上海太陽能資源概況

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，太陽能資源比較豐富，多年平均日照時數(shù)為2 014h。日照時數(shù)的分布以夏季最多，達600～700h，約占年總時數(shù)的三分之一；而冬季最少，約360～465h，僅占年總時數(shù)的18%～23%。多年平均太陽總輻射量為4 565MJ／m2，太陽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，太陽總輻射量的分布與日照時數(shù)的分布基本相似。

2.2 居民用電負荷特點

據(jù)統(tǒng)計，到2003年上海常住人口已超過2300萬，是我國用電負荷最高、用電量最大的城市［4］。隨著經(jīng)濟的發(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)的僅夏季一個高峰向夏季、冬季兩個高峰發(fā)展。此外，上海用電存在較大供需矛盾，在高峰時供電量不足，但高峰持續(xù)時間并不長；居民生活用電負荷的利用小時數(shù)低，負荷率低；居民生活用電負荷所占比重比用電量的比重大得多，僅傳統(tǒng)的發(fā)電形式難以實現(xiàn)對所有居民以及工業(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)電的能源來源是太陽能，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)致輸出功率波動頻繁。通過對上海某光伏發(fā)電站2013年7月11日的有功功率（單位：MW）和無功功率（單位：Mvar）數(shù)據(jù)進行采集，每5min一個點，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，發(fā)電量較多，在正午時達到最大。而無功消耗量僅在很小的范圍處于較穩(wěn)定的水平，根據(jù)實際采集的數(shù)據(jù)，無功功率的數(shù)值在0～0.1Mvar，因此曲線比較平緩。

圖2 光伏發(fā)電功率波動曲線

由于電力系統(tǒng)調(diào)度對有功功率的短期負荷精度要求較高，當(dāng)光伏發(fā)電的容量超過一定比率時，將對系統(tǒng)的電壓、頻率造成影響，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，這就需要對光伏系統(tǒng)安裝點的多種氣象因素進行長期的考察，在大量數(shù)據(jù)支持的基礎(chǔ)上會盡可能提高輸出功率預(yù)測的準確性，降低對電網(wǎng)的影響。此外，還應(yīng)在相應(yīng)的位置配備應(yīng)對發(fā)電量下降的補償裝置，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，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然與本地負載連接并處于獨立運行的狀態(tài)。由于孤島效應(yīng)被電力部門認為已經(jīng)停電的光伏系統(tǒng)設(shè)施仍然可能帶電，這在檢修時將威脅到檢修人員的安全。此外，處于孤島中的用電裝置會因電壓和頻率的變化超出其承受能力進一步損壞，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)具有檢測孤島狀態(tài)并快速有效停止并網(wǎng)運行的能力。對此應(yīng)安裝孤島檢測與控制裝置，及時監(jiān)測電網(wǎng)側(cè)和光伏系統(tǒng)側(cè)的電壓、頻率等指標，在指標不滿足要求或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)啟動保護裝置，及時跳開相應(yīng)的斷路器。

3.3 電能計量

對于不含并網(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，因此電能的計量通常采用單向累計電能計量表，即只要有電能流過電表，均默認為消耗電能，并以此來計算電價。對于居民光伏系統(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，電網(wǎng)才會有電能流向用戶。此時，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，還要對輸入電網(wǎng)和自發(fā)的電能進行支付，這無疑增大了用戶負擔(dān)，且極不合理。對此，需采取相關(guān)措施來實現(xiàn)電能計量與電價結(jié)算。

目前，可通過采用雙向電能計量表，或根據(jù)不同的電能流向安裝兩個電能計量表［4］。對于前者，在設(shè)計和生產(chǎn)時需考慮與原抄表系統(tǒng)的軟硬件兼容問題，且需要比單向電能表更高的計量精度，由于國內(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進行電能計量，如圖3所示。通過電能表1和電能表2分別計量居民的發(fā)電和用電量，對發(fā)電部分進行相應(yīng)的補償，對用電部分實行合理的收取電費。

圖3 兩個電能表接入方式

3.4 節(jié)能減排

由于光伏發(fā)電不會產(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，也延長了傳統(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，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標煤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)濟使用壽命為25年的情況下，將光電轉(zhuǎn)換效率衰減因素計算在內(nèi)，該光伏發(fā)電站將總共節(jié)省標煤效衰減因.21 t。由此可見，屋頂光伏發(fā)電既節(jié)省了能源消耗，同時也減少了污染物排放，長遠來看還將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

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

在實際應(yīng)用中，可通過安裝相應(yīng)的功率補償裝置、防孤島保護等措施來滿足并網(wǎng)的標準，以降低對電網(wǎng)的影響，通過安裝雙向電能表或兩個電能表來實現(xiàn)合理的用電記錄。實例表明，居民光伏發(fā)電不但能滿足用戶的部分負荷，還能產(chǎn)生可觀的節(jié)能減排效果。

［1］ 邱宇晨，張勇，崔蓓蓓.上海地區(qū)分布式電源及其對電網(wǎng)影響初探［J］.供用電，2009，26（3）：16-19.

［2］ 王仁祥，王小曼.終端用戶分布式新能源接入智能配電網(wǎng)技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)，2010，8，58-62.

［3］ 張垠.居民太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)引起的問題研究［J］.供用電，2009，26（4）：37-39.

［4］ 肖勇，王恒山，楊俊保.上海居民用電特點分析及需求側(cè)管理的應(yīng)對措施［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2009，25（6）：614-621.