上海居民光伏發電并入電網的相關問題分析

吳旭鵬，解 大，戴 敏，趙萬劍

（1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.國網上海市電力公司 松江供電公司，上海 201600）

0 引言

隨著傳統能源緊缺與電力系統對供電安全性、可靠性和靈活性的要求越來越高，供電模式已由傳統的采用高電壓、大電網和大機組為主的集中式單一供電模式向含分布式發電的多樣化形式發展，如風能、太陽能、潮汐能等清潔能源發電。其中，光伏發電作為新型能源中應用較廣、使用區域受限較小而受到國內外學者的高度重視，很多國家把發展光伏發電作為振興經濟的重要手段。

關于光伏發電的研究，美國、日本、歐洲等發達國家都有中長期發展計劃和相應的促進光伏發電推廣應用的政策，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電應用方面所取得的成績相對較不突出，太陽能光伏發電因其投入成本及發電隨機性、間歇性等特點，難于大規模投入實際應用中。但隨著節能減排任務的加重以及居民用電負荷的日益增大，有必要大規模開發和利用光伏發電。目前，我國已陸續出臺一系列涉及光伏發電的補貼政策和示范項目，全國正在掀起新一輪發展光伏發電產業的熱潮［1，2］。而居民屋頂光伏發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電并網的相關問題，對上海電網安全可靠經濟的運行具有重大意義。

1 居民屋頂光伏發電系統

屋頂光伏發電系統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組成。光伏并網系統將太陽能轉換成直流電能后，再通過逆變器將直流電逆變為50Hz、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。當光伏發電量大于等于本地負荷時，將多余的電能輸送至電網，而當光伏發電量不足以滿足居民用戶負荷時，負荷電能由電網供給，如圖1所示［3］。

在光伏并網系統中，逆變控制部分擔負著系統的DC／AC轉換，并準確控制轉換電壓、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系統的關鍵設備，負責光伏并網發電系統各部分與公共電網的協調運行，并對系統可能發生的各種異常狀態進行保護。對于居民光伏發電的并網，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采用單相并網方式；大廈太陽能幕墻光伏系統，由于太陽能電池陣列龐大，發電功率較單戶居民大很多，一般采用三相并網系統，并配有蓄電池組。

圖1 居民光伏發電系統

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的太平洋西海岸，屬北亞熱帶海洋性季風氣候。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，多年平均日照時數為2 014h。日照時數的分布以夏季最多，達600～700h，約占年總時數的三分之一；而冬季最少，約360～465h，僅占年總時數的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的分布基本相似。

2.2 居民用電負荷特點

據統計，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］。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，空調、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的僅夏季一個高峰向夏季、冬季兩個高峰發展。此外，上海用電存在較大供需矛盾，在高峰時供電量不足，但高峰持續時間并不長；居民生活用電負荷的利用小時數低，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，僅傳統的發電形式難以實現對所有居民以及工業的供電，而單純的引導居民節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 居民光伏發電對電網的影響

3.1 輸出功率不穩定

光伏發電的能源來源是太陽能，除發電裝置的故障、檢修等原因外，所發電量很大程度上受日照、溫度、季節等因素的影響，導致輸出功率波動頻繁。通過對上海某光伏發電站2013年7月11日的有功功率（單位：MW）和無功功率（單位：Mvar）數據進行采集，每5min一個點，共288組數據，如圖2所示。從圖2中可以看出，光伏系統夜間的發電量為0，白天日照較強，發電量較多，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定的水平，根據實際采集的數據，無功功率的數值在0～0.1Mvar，因此曲線比較平緩。

圖2 光伏發電功率波動曲線

由于電力系統調度對有功功率的短期負荷精度要求較高，當光伏發電的容量超過一定比率時，將對系統的電壓、頻率造成影響，不利于電力系統的安全穩定運行，這就需要對光伏系統安裝點的多種氣象因素進行長期的考察，在大量數據支持的基礎上會盡可能提高輸出功率預測的準確性，降低對電網的影響。此外，還應在相應的位置配備應對發電量下降的補償裝置，以保證系統的穩定。

3.2 孤島效應

居民光伏并網發電系統屬于分布式發電，因此不可避免地會產生孤島效應。所謂孤島效應，就是當由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因引起電網中斷供電時，光伏發電系統仍然與本地負載連接并處于獨立運行的狀態。由于孤島效應被電力部門認為已經停電的光伏系統設施仍然可能帶電，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，而并網設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量的影響，應避免孤島的產生。因此，光伏系統應具有檢測孤島狀態并快速有效停止并網運行的能力。對此應安裝孤島檢測與控制裝置，及時監測電網側和光伏系統側的電壓、頻率等指標，在指標不滿足要求或電網出現故障時，應啟動保護裝置，及時跳開相應的斷路器。

3.3 電能計量

對于不含并網光伏發電的電力系統，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。對于居民光伏系統并入電網的情況，只有當光伏所發電量不滿足居民用電量時，電網才會有電能流向用戶。此時，若用傳統的單向電能表，用戶不僅要支付正常使用的電能，還要對輸入電網和自發的電能進行支付，這無疑增大了用戶負擔，且極不合理。對此，需采取相關措施來實現電能計量與電價結算。

目前，可通過采用雙向電能計量表，或根據不同的電能流向安裝兩個電能計量表［4］。對于前者，在設計和生產時需考慮與原抄表系統的軟硬件兼容問題，且需要比單向電能表更高的計量精度，由于國內光伏產業容量較少，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分別計量居民的發電和用電量，對發電部分進行相應的補償，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 節能減排

由于光伏發電不會產生溫室氣體及破環環境的污染物，更沒有廢水排放等，既有利于環境的保護，也延長了傳統能源的使用期限。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時，每年可為電網節約標煤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。在其經濟使用壽命為25年的情況下，將光電轉換效率衰減因素計算在內，該光伏發電站將總共節省標煤效衰減因.21 t。由此可見，屋頂光伏發電既節省了能源消耗，同時也減少了污染物排放，長遠來看還將產生可觀的經濟效益。

4 結語

在上海用電負荷與日俱增、環境問題日益突出的現狀下，由于上海太陽能資源豐富、光伏發電可利用居民屋頂的特點，開發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，研究了將光伏發電接入電網和用戶直接使用時可能出現的問題。

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

［1］ 邱宇晨，張勇，崔蓓蓓.上海地區分布式電源及其對電網影響初探［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技術研究［J］.電力系統，2010，8，58-62.

［3］ 張垠.居民太陽能光伏發電并網引起的問題研究［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管理的應對措施［J］.上海電力學院學報，2009，25（6）：614-621.