光伏直驅系統運營效益計算探索

珠海格力電器股份有限公司 ■ 唐政清 鐘金揚 李偉進

0 引言

光伏直驅系統是利用光伏能直流電直接驅動負載，且能在光伏電能富余時將光伏直流電逆變為交流電反饋電網供其他用電設備使用，并能在光伏電能不足時從電網取電實現混合供電保證。典型的有格力電器股份有限公司首先推出的光伏直驅變頻離心機系統[1]。

針對這些新出現的系統，如何評價其運營效益成為當前研究的熱點。本文引入光伏能直驅保證率來評價光伏直驅系統的運營效益，光伏能直驅保證率在光伏直驅系統中有極其重要的意義，是體現系統優勢的最重要參數之一。本文結合光伏直驅變頻離心機的實例，提出光伏能直驅保證率具體的計算思路和方法，為該類系統工程應用提供參考。

1 光伏能直驅保證率的含義

光伏直驅系統的突出優勢是直接使用光伏能，無需通過其他任何的轉換裝置。光伏能直驅保證率正是體現該系統優勢的最重要參數之一。光伏能直驅保證率指在某個時間段，在一定的匹配選型下，光伏直驅系統自發自用的電能在光伏直驅系統負載總耗電量中的比重，是系統運營統計數據。

2 光伏能直驅保證率的意義

提高光伏能直驅保證率對光伏直驅系統有非常重大的意義。直驅保證率越高，光伏直驅系統中自發自用的電量就越大，而自發自用直接使用光伏能顯著提高了電能的利用效率，可有效提高工程運營效益。以400 kW裝機負載容量為例，假設：

1)設備平均工作時間為每天10 h；

2)相對普通的光伏發電站供電系統，光伏直驅系統可提高光伏能利用率8%[1]；

3)光伏能直驅保障率提高到90%。

則相比一般的光伏系統每年可節電：400×10×8%×90%×365=105120 kWh。

若商業用電電價為0.9678元/kWh(1～10 kV)，則每年收益可增加105120元。

而以每年省電105120 kWh計算，相當于節省燃油2.65萬L或節省標準煤36.71 t；也意味著少排放101.67 t二氧化碳，1.20 t的二氧化硫和0.44 t氮氧化物；同時減少因火力發電產生的27.74 t粉塵，節約40788萬L凈水。

可見，光伏能直驅保證率反映了光伏直驅系統的能源管理利用情況，對系統運營效益和節能減排具有顯著意義。

3 光伏能直驅保證率的計算

3.1 直接計算法

以光伏直驅變頻離心機為實例，典型的光伏直驅系統示意圖如圖1所示。

圖1 光伏直驅系統示意圖

光伏能直驅保證率ψ計算中，最關鍵是要識別出自發自用的電能，即光伏陣列直接流向負載的電能。

假設：Q1為自發自用的電能；Q2為負載消耗的電能；P2為負載消耗的功率；P3為光伏能發電的功率。

在實際系統中，P2和P3均為一條跟隨時間變化的曲線，分別為P2(t)、P3(t)。

每一時刻自發自用的電能取決于這一時刻P2(t)和P3(t)功率的差值對比。當P2(t)≤P3(t)時，自發自用的電能等于負載消耗的電能；當P2(t)>P3(t)時，自發自用的電能等于光伏發電的電能。現在考察t1～t2時間段的情況，自發自用的電能為：

假設Min[P2(t)，P3(t)]代表P2(t)和P3(t)的較小者，則

光伏能直驅保證率：

3.2 間接計算法

假設：Q3為光伏能直流的電能；Q4為從電網消耗的電能，正值代表從電網取電耗電，負值代表向電網送電發電；Q4′為從電網往負載方向消耗的電能，為正值；Q4′′為負載方向往電網輸送的電能，為負值；Q5為換流器和變壓器的損耗電能。

根據能量守恒，從電網消耗的電能為雙向電表的從電網往負載方向消耗的電能與負載方向往電網輸送的電能之差，即：

負載消耗的電能為光伏能直流的電能，加上從電網消耗的電能再扣除換流器和變壓器的損耗電能，即：

自發自用的電能為負載消耗的電能與從電網往負載方向消耗的電能之差，即：

故光伏能直驅保證率為：

考慮到對于用戶來說，機載換流器和變壓器為系統必須的部件，故在一般工程中，其損耗電能可看作負載消耗的電能。將Q5并入負載消耗后的光伏能直驅保證率ψ1為：

3.3 兩種計算法的對比和差異分析

從式(3)可知，直接計算法需實時記錄負載的功率曲線、光伏能直流發電的功率曲線，并對兩條曲線的相交點進行分段積分運數。在實現方式上，需專門采用高速傳感器和高速芯片對功率曲線進行采樣、計算和存儲，而這些設備的耗資需額外增加。

從式(8)可知，間接計算法僅需直流電表的電能數據和電網側交流電表雙向電能數據，將需計算時間段起止的3個電量讀出，通過簡單的運數就能實現。而直流電表和交流電表是光伏直驅系統必備的計量電表，無需附加額外設備。兩種計算法的對比如表1所示。

表1 兩種計算法的對比

嚴格來講，這兩種計算法的結果存在一定差異，主要在于間接計算法對負載消耗的電能根據工程實際情況進行了簡化計算，將換流器和變壓器的消耗看作負載消耗所導致。兩種方法的差異實際為式(7)和式(8)的差異。參照目前國內光伏并網逆變器效率狀況[2]，根據行業一般逆變器效率推算的換流和變壓損耗，約占負載消耗電能的3%，即式(7)中的Q5約為負載消耗電能Q2的3%。根據式(8)計算的光伏能直驅保證率兩種計算法的差異見表2。

對于光伏能和負載功率配比為1∶1的直驅系統，在不經過任何系統級算法處理的情況下，本例系統的光伏能直驅保證率能達到50%以上。從表2可看出，差異將小于1.5%，在通過系統級算法手段處理提高的情況下，差異更小。故在實際光伏能直驅系統工程中，這兩種計算法的差異對運營統計數據的評價沒有影響。

表2 兩種計算法的差異

通過以上對比，使用間接計算法充分利用了系統已有設備，實現方法簡單、耗費低，能滿足實際工程要求，可作為光伏能直驅保證率首選的計算方法。

4 結語

本文對光伏直驅系統的運營效益進行了初步探索，引入光伏能直驅保證率的概念，從光伏能的管理和運用角度分析其對運營效益的意義。結合了光伏直驅變頻離心機系統工程實際，詳細介紹了兩種計算光伏能直驅保證率的方法。得出如下結論：

1)光伏能直驅保證率反映了光伏直驅系統的能源管理利用情況，是運營效益重要的評價指標，可在直驅系統中計算和運用。

2)有兩種方法可對光伏能直驅保證率進行計算，根據兩種計算方法的對比來看，優選間接計算法作為實際工程的計算方法。

[1]帥鵬坤.格力光伏離心機再獲“國際領先”認定登頂國際制冷技術制高點[N].羊城晚報，2013-12-24(A23).

[2]段光復，段倫.薄膜太陽電池及其光伏電站[M].北京：機械工業出版社，2013.