新型智能戶用光伏系統

黃 勇

（上海太陽能工程技術研究中心有限公司，上海 200241）

新型智能戶用光伏系統

黃 勇

（上海太陽能工程技術研究中心有限公司，上海 200241）

目前的戶用光伏系統應用形式還只是簡單的獨立或并網系統，其應用領域和初衷還只局限于偏遠無電少電地區、供電質量較差地區等，其系統可靠性、穩定性、經濟性等指標較差，應用局限性較大，無法大規模推廣應用。現提出一種新型智能的戶用光伏系統，并研究其原理、控制策略、實現過程、應用形式等。經研究表明，該種新型智能的戶用光伏系統可廣泛應用于鄉村和城市，有利于分布式光伏發電系統的大量推廣應用。

太陽能；光伏系統；分布式；戶用光伏；智能微網

1 引言

太陽能作為一種新型、環保、潔凈的可再生能源，近年來越來越受到人們的普遍關注，在政策方面國家也對太陽能的發展給予了大力扶持。太陽能必將成為未來能源開發利用的一個重要方向。

2013年至2014年期間，國家先后出臺的《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》、《關于進一步落實分布式光伏發電有關政策的通知》等政策，分布式光伏發電應用得到了高度的重視。

在我國，相比于大規模集中式地面光伏電站，分布式光伏發電有著諸多優勢，它是以就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用為原則，省去升壓及長距離輸電的過程，系統損耗小效率高。系統容量一般相對較小，分散式，在用戶側并網發電，電壓等級低，對電網沖擊影響小等。系統可廣泛安裝于工業廠房屋頂、公共建筑屋頂及幕墻、民用建筑屋頂及陽臺等，不占用額外的土地資源，應用方式靈活，同時光伏材料還能有效降低建筑物自身的能耗，環保效益及經濟效益顯著。

戶用光伏系統作為分布式光伏發電的一個重要組成部分，可廣泛應用千家萬戶的建筑物屋頂。假如全國有 800萬戶家庭安裝了戶用光伏系統，平均每戶安裝 3KWp，則裝機總容量將超過三峽工程的總裝機容量。戶用光伏系統的各方面效益皆非常可觀。

目前戶用光伏系統的應用形式主要有簡單的獨立系統和并網系統，系統應用層次比較低，系統效率、穩定性、可靠性和經濟性等比較差，只能實現簡單的光伏發電功能，沒有統籌從分布式發電、用戶高效經濟可靠用電、電網要求等多角度統籌規劃，沒有兼顧用戶、電力公司、管理部門等多方面利益或需求，不能適應未來長遠發展。

針對現有戶用光伏系統存在的諸多問題，現提出一種新型智能的戶用光伏系統，并對其原理與應用進行深入研究。

2 新型智能戶用光伏系統

2.1對目前已有幾種戶用光伏系統的分析

現在普遍應用的戶用光伏系統有離網型(獨立)戶用系統和并網型戶用系統，如圖1和2所示：

圖1　離網型戶用光伏系統

圖2　并網型戶用光伏系統

離網型戶用光伏系統主要由太陽電池組件（光伏組件）、光伏控制器、蓄電池、離網逆變器等組成，光伏組件將太陽輻射能轉換直流電能，并通過光伏控制器對蓄電池進行充放電控制。光伏控制器一方面可直接輸出直流電為直流負載供電，也可通過離網逆變器將直流電轉換為交流電為交流負荷供電。

離網型戶用光伏系統結構比較簡單，功能也比較單一，其光伏控制器一般不帶mppt（最大功率點跟蹤）功能，光伏效率較差。離網逆變器的功率因數一般只有0.8左右，轉換效率一般也只有 80%多一點，損耗高，帶負荷能力差，對非阻性負荷一般需要降容量運行，否則逆變器很容易遭受沖擊而損壞模塊。系統成本一般較高，穩定性、可靠性較差。

并網型戶用光伏系統和離網型相比省去了光伏控制器和蓄電池。光伏組件將太陽能轉換直流電能后，經并網逆變器將直流電轉換為交流電為本地負荷供電，不足部分由市電補充，若有富余電力則反饋入公共電網。進戶表箱中的電表具雙向計量功能。并網型戶用光伏系統相比離網型戶用光伏系統，其功能有了很大改進，其效率一般較高，可在95%以上，滿功率功率因數一般不低于 0.99。在電網穩定的情況下，系統穩定性、可靠性相對較高。但該種并網型戶用光伏系統也存著諸多缺點：

（1）對電網依賴性較高，一旦電網出現故障或電網進戶端電能質量較差，則系統無法工作；

（2）由于太陽能具有間歇性和隨機性，光伏電力輸出不穩定，對電網具有沖擊性；隨著戶用光伏系統裝機數量和容量不斷增大，該種影響會越發明顯，對電網結構和電網吸納分布式光伏的能力也提出了越來越高的要求。

（3）在低功率運行時，光伏電力的電能質量較差，對電網具有諧波污染；

（4）該系統無法針對用戶端的負荷需求、消費時段進行有針對性的統籌規劃和智能供電。例如：太陽能發電的高峰時段往往并不是戶用負荷消費的高峰時段，白天的富余光伏電力只能低價賣給電力公司。晚上戶用負荷高峰時，太陽能已不發電，此時用戶又只得高價從電網購電。用戶的光伏發電和用電的經濟性較差。

（5）由于該系統自身具有不穩定性等諸多缺陷，從削峰填谷、統一調度、穩定電網等功能要求方面，還無法滿足電力公司和有關管理部門的要求。但為了吸納更多的分布式能源，從某種意義上說也只得推廣堅強智能電網。

因此，從解決問題的另一個角度考慮，有必要提出一種能夠滿足用戶經濟用電需求，能實現穩定輸出，對電網沖擊小，電能質量高，能接受電網調度，穩定、可靠、經濟、智能新型的戶用光伏系統。

2.2新型智能戶用光伏系統

2.2.1系統總體設計

新型智能的戶用光伏系統需包含性價比較高的儲能裝置、智能控制系統，用以平滑光伏發電的間歇性和不穩定性，實現光伏發電的最有效性、用戶用電的最經濟性、系統運行的最穩定可控性。

新型智能的戶用光伏系統的總體結構原理圖，如圖3所示：

圖3　新型智能的戶用光伏系統的總體結構原理圖

圖3中，并網逆變器、雙向(儲能)逆變器、智能控制器各自為一個獨立的設備，其中智能控制器可集成安裝在戶用智能光伏配電箱中。該種結構，可充分利用市場已有成熟產品進行系統集成，但多臺設備占用戶用空間稍大，效率稍有損失。

為了節省空間，優化系統效率和功能，可對圖2-3所示系統進行升級優化。圖 4所示為升級優化后的新型智能戶用光伏系統的總體結構原理圖：

圖4　升級優化后的新型智能戶用光伏系統的總體結構原理圖

多功能智能混合逆變器包含了并網逆變、雙向(儲能)逆變、智能控制與通訊等多功能于一體，體積相對較小、效率高、智能控制功能全，響應速度快，切換時間不超過10ms，其系統原理圖如圖5所示：

圖5　多功能智能混合逆變器系統原理圖

根據需要還可對其進行風力發電、柴油發電機發電、其它新能源發電的功能拓展，擴大系統適用范圍。

2.2.2系統組成

圖 3所示的新型智能戶用光伏系統由光伏陣列、儲能電池、并網逆變器、雙向（儲能）逆變器、戶用智能光伏配電箱（含對外通訊及監控的接口）、改造后的原進戶配電箱、計量裝置等。

改造后的原進戶配電箱中增加光伏并網接入點、儲能并網接入點、靜態開關、檢測與控制裝置等。

計量裝置目前主要包括光伏補貼電表、雙向電表，一般在完成規定審批流程后，由電力公司免費提供。

在我國，從未來長遠考慮，鼓勵戶用光伏系統安裝儲能裝置、配置儲能補貼電表，這將是必然的趨勢。在儲能補貼政策方面，德國和日本的經驗值得我國借鑒。

圖 4所示的升級優化后的新型智能戶用光伏系統主要用多功能智能混合逆變器取代并網逆變器、雙向逆變器、控制裝置等。

多功能智能混合逆變器內部主要包含帶 mppt功能的DC/DC、用于對儲能電池進行充放電控制的雙向DC/DC、雙向DC/AC功率模塊、檢測與控制模塊等。

2.2.3系統原理與功能實現

（1）新型智能的戶用光伏系統

圖 3所示的系統中，光伏陣列在接收太陽光照后，根據光生伏打效應會在并網逆變器的直流側產生直流電壓。此直流電壓對光伏陣列來說為直流開路電壓，電流為0，對并網逆變器來說為直流輸入電壓。與此同時，并網逆變器會實時在線檢測并網點電網狀態，在電網狀態正常、符合并網條件后，經過一段時間延時會閉合并網繼電器（或接觸器）。在并網逆變器直流輸入端，并網逆變器會根據mppt最大功率點跟蹤的算法對光伏陣列進行最大功率輸出跟蹤，根據光伏陣列的IV特性曲線，調節直流開路電壓至最大功率點電壓。

雙向逆變器會根據電池容量和智能控制器的控制要求進行充放電控制。

智能控制器對并網逆變器、雙向逆變器、并網點、用戶負荷、電網公共連接點PCC等進行監控，并實時響應電力公司遠程監控和調度指令，并可根據需要采集互聯網天氣預報信息，用于功率預測。也可以根據需要在本地安裝環境監測儀，用于日照、風速、風向、溫度等環境參數監測，但對于戶用系統來說，成本太高，一般不太適用。

儲能電池對于戶用系統來說，一般配置太陽能專用膠體電池，但隨著未來鋰電儲能技術的成熟及成本的進一步降低，戶用系統更適宜采用鋰電進行儲能。

系統工作原理及詳細的控制策略如下：

①白天、市電正常、峰值用電

若白天光照充足，市電正常，光伏所發電力經光伏并網點接入經改裝后的原戶用進戶配電箱的交流母線上。光伏所發電力會優先為本地負荷供電。若此時蓄電池的SOC(荷電狀態)低于預設值，則雙向逆變器會處于為蓄電池進行充電的工作狀態。此時處于充電中的蓄電池對于并網點交流母線來說相當于是本地負荷用電，因此光伏所發電力會同時為本地原有戶用負荷及蓄電池供電。當蓄電池充滿時，光伏所發電力只為本地原有戶用負荷供電。

對于戶用系統來說，除了雙休日和節假日，白天工作中的戶用負荷一般較少，光伏所發電力有富余，則會自動逆潮流反饋入公共電網。該過程皆為系統自動調節進行，并符合分布式發電的自發自用、余電上網的原則。

若白天為陰雨天或多云天氣，光伏所發電力不足或不穩定，對于圖 3所示的系統，若光伏電力不能滿足重要負荷供電，則儲能電池一般不在白天進行充電，除非其荷電狀態處于報警值時，才可對其適當充電以消除報警狀態，因為此時的充電工作會消耗市電，經濟性差。 若光伏電力能滿足重要負荷供電，還有剩余，可根據需要適時切斷次要負荷和一般負荷，以將剩余光伏電力供蓄電池充電。

在白天，若因天氣原因，光伏發電波動較大，此時蓄電池會具備一個重要的作用，即跟隨平滑緩沖光伏發電的波動，并提高并網電能質量，對公共電網連接點PCC來說,確保所受的光伏電力的波動和沖擊很小，諧波較小，符合電網公司對光伏電力的期望。該功能的實現是通過智能控制器、并網逆變器、雙向逆變器、儲能電池的協調、配合、控制完成的。

智能控制器預留通訊和控制接口，一方面負責采集和控制系統內部各設備、部件、開關等，完成系統功能，另一方面接受家用電腦的監控和遠程監控，同時預留電力公司SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統接口，用于接受電網監控和調度。電力公司對光伏發電的監控和調度主要體現在：實時監測光伏發電的狀態、出力情況、電能質量，當檢測到光伏不能滿足并網要求或光伏故障時，則切斷光伏并網接入點和儲能并網接入點開關。在市電故障或檢修時，同樣切斷光伏并網接入點和儲能并網接入點開關。若有必要，根據有關機制調用其儲能裝置進行短時削峰填谷、平抑電網波動等。

在功率預測機制方面，戶用業主可根據遠程傳送的未來幾天天氣信息，及時調整蓄電池充放電時段和過程，達到光伏發電穩定性和用電的經濟性。例如：預測未來幾天會是陰雨天，則在用電谷時段對蓄電池多充電，以彌補第二天光伏發電的出力不足和平滑波動所需的更多消耗；若預測未來幾天為晴好天氣，則在傍晚太陽能不發電時，可對蓄電池放電多一些，多供一些儲存的光伏電能，節省市電峰時段的電能消耗，在用電谷時段時也可通過市電對蓄電池少充電或不充電，提高用電經濟性。 對電力公司來說，光伏功率預測機制有助于及時調節電網出力，有益于電網的調度和保障電網的安全和穩定性。

在負荷平移機制方面，智能控制器對于不可時間平移的負荷按常規機制供電，如冰箱、家用安防設施的供電等。 對于可時間平移的負荷，如：洗衣機、電熱水器、電動汽車充電樁等，則優先在光伏發電高峰時段供電，優先使用光伏電力，否則優先在市電谷值時段供電。

②晚上、市電正常

在傍晚，光伏不再發電，此時居民用電處于高峰，電價處于峰值。此時可將儲能電池儲存的一部分光伏電能釋放出來供本地負荷使用，這樣可以節省居民電費。儲能電池的放電深度達到預設值后，則停止放電，接著本地負荷用電完全由市電提供。

夜深時，電價處于谷值，以上海地區為例，該時段為晚上22:00至第二天6:00，根據需要和功率預測機制可通過市電對蓄電池充電，以備第二天使用。

③市電不正常

若市電突然斷電或市電不穩并超出允許范圍，例如電壓、頻率超差等，則并網逆變器會進入孤島保護狀態，雙向逆變器會先進入孤島保護狀態，并進一步等待智能控制器指令。若智能控制器檢測到公共電網已處于故障狀態，則其會立刻切斷PCC靜態開關，確保戶用系統與電網隔離。

在切斷戶用系統和電網的連接后，智能控制器仍會實時在線檢測電網側狀態，若電網又恢復正常，則經過一段時間延時后，智能控制器又會啟動并網操作。

在切斷戶用系統和電網的連接后，智能控制器會控制雙向（儲能）逆變器迅速進入離網運行模式。此時雙向逆變器通過蓄電池供電，由電流源轉換電壓源，輸出電壓正弦波形，戶用系統將由雙向逆變器構建局部電網，確保為本地重要負荷供電，轉換時間控制在10ms以內，以保證重要負荷不受影響。

此時并網逆變器會自動檢測其交流側的電網狀態，若其檢測到經雙向逆變器構建的局部電網處于穩定狀態后，經過一段時間的延時機制后，并網逆變器由孤島狀態重新進入并網狀態，只是此時并入的是雙向逆變器構建的局部電網，而不是公共電網。若光伏發電的電力大于重要負荷的用電量，則智能控制器會根據光伏出力情況逐步接入一般負荷。次要負荷在離網運行狀態下，不供電。

在陰雨天或晚上，光伏電力較弱或光伏發電不工作，系統只保證重要負荷供電。在系統儲能電池放電深度大于預設值時，系統停止對外供電，但仍然保持對光伏和市電的實時在線監測，以便在條件符合時接入光伏電力和市電為負荷供電。

對于圖 3所示的系統，在目前市場已有的雙向（儲能）逆變器產品中，在某一時刻，一般只能單向充電或單向放電，不能在同一時間同時進行充放電，有待進一步改進完善。對于圖4所示的系統則不存在此缺陷。

在離網運行模式下，智能控制器會實時檢測公共電網的狀態，若檢測到電網已恢復正常，并經過一段時間延時后，則智能控制器會首先根據實時檢測到的公共電網的參數控制雙向（儲能）逆變器調節其輸出的電壓頻率、相位等參數以便跟隨公共電網，在達到同期要求后，閉合PCC靜態開關，從而實現無縫切換，以減少光伏系統對公共電網的沖擊，提高并網電能質量。

雙向（儲能）逆變器重新并網接入公共電網后，則由電壓源狀態轉換為電流源狀態。此時并網逆變器也會自動并入公共電網。

（2）升級優化后的新型智能的戶用光伏系統

圖4所示系統是對圖3所示系統的升級和優化，它將智能控制器、并網逆變器、雙向(儲能)逆變器等部分的功能進行了優化設計集成，其結構得到簡化，功能更加完善。

在工作原理與控制策略方面，該種系統和圖 3所示系統基本相同，不同點主要有以下幾方面：

①若白天為陰雨天或多云天氣，光伏所發電力不足或不穩定，仍然可以根據需要控制光伏發電優先為儲能電池充電。重要負荷等負荷均不受此控制策略機制影響。

②該種系統可以在同一時間同時進行充放電控制，適應范圍更廣。

③模式控制及轉換速度更快。

（3）系統工作流程

系統工作流程如圖6所示：

圖6　系統工作流程

圖中“P光伏”為光伏發電功率，“P充”為蓄電池充電功率，“P負荷”為負荷用電功率。

（4）系統計量分析

光伏所發電力經過光伏補貼電表計量后，接入光伏并網點。在并網點交流母線上，光伏所發電力優先為本地負荷負荷供電，富余電力經雙向電表計量后反饋入公共電網。

目前，在申報戶用光伏系統獲批后，由電力公司免費更換光伏專用雙向計量電表，同時室外新增光伏補貼電表。按光伏未來可持續發展方向，同時借鑒國外先進經驗，發展儲能、增加儲能補貼也勢在必行。

目前電力公司結算方式為：

光伏電量=補貼電表的正向計量值（反向不計量）

電力公司收購的光伏上網電量=進戶雙向電表的反向計量值。

光伏補貼分國家補貼和地方補貼，目前國家對分布式光伏發電的補貼一致，地方各不相同。

余電上網的光伏電量由電網企業按當地燃煤機組標桿上網電價收購。

對于圖 4所示系統結構，由于考慮了儲能，對于用市電為蓄電池充電，在放電時若獲得光伏補貼顯然是不合理的，因此需約定如下計量方式：

光伏電量=補貼電表的正向計量值-補貼電表的反向計量值

（5）系統特性與優點

系統有如下特點和優點：

①系統對電網依賴度低，應用范圍廣；

②系統穩定性、可靠性、安全性高；

③系統輸出穩定，對電網無沖擊，電能質量高；

④系統更易融入電網，服務電網，不再受電網排斥，客觀上能減少國家因吸納光伏發電而不得不增加的電網結構投資；

⑤系統智能化程度高、控制策略優異，能接受電網調度，具功率預測等功能；

⑥系統經濟性好，環保效益高，能兼顧多方需求；

3 結論

該種新型智能戶用光伏系統能克服一般光伏發電間歇不穩定、對電網沖擊、經濟性差等缺陷，能充分提高光伏系統效率和利用率，對電網融入度高，有利于促進光伏系統長遠可持續大規模發展。

該種新型智能的戶用光伏系統應用范圍廣泛，不僅可用于經濟不發達地區的偏遠山區、農村、海島等，也可大量應用于經濟較發達地區的鄉間居民屋頂、城鄉別墅或大量應用于城市居民建筑屋頂或維護結構，應用前景廣闊，適合大規模推廣應用。

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A new intelligent household photovoltaic system

The current user application form of household photovoltaic system is just a simple stand-alone or grid connected system. It’s application field and the original intention is only confined to remote areas without electricity or less electricity,areas with poor power supply quality, etc. Some indicators of it are poor,such as reliability,stability,economy,etc. It’s application limitation is bigger, can't be large-scale popularized and applied.A new intelligent household photovoltaic system is now proposed and the principle, control strategy, implementation process, application forms etc. are researched. The study shows that this new type of intelligent household photovoltaic system can be widely used in the city and rural households. It is conducive to promote the use of the distributed photovoltaic power generation system.

Solar energy;Photovoltaic system;Distributed;Household photovoltaic;Intelligent micro grid

TK51

A

1008-1151(2015)04-0053-05

2015-03-12

黃勇（1974-），男，江蘇宿遷人，上海太陽能工程技術研究中心有限公司技術工程師，研究方向為光伏系統設計、新型光伏組件與光伏支架設計。