淺談分布式光伏發電并網技術與實踐應用

白正

【摘 要】隨著工業化的不斷增長，能源消耗與環境保護之間的矛盾日益突出，自然界的一次能源（石油、天然氣、煤炭）儲量有限，已經不能解決電力的長期穩定供應問題，同時還存在嚴重的環境污染，積極開發可再生的綠色新能源迫在眉睫。太陽能是一種理想的可再生資源，開發和利用太陽能，有利于經濟和社會的可持續發展。筆者在課外實踐活動中，走訪了供電企業與分布式光伏發電項目業主，現場參與了屋頂光伏發電并網項目建設，完成了社會實踐論文。本文針對分布式光伏發電原理、并網設計技術、實踐案例分析進行了分析研究，論述了光伏并網發電項目前景良好，意義深遠。

【關鍵詞】光伏發電 并網技術 實踐應用

近年來，我國光伏發電裝機容量迅速增長，截至2014年底，國內光伏發電累計裝機容量2805萬千瓦，年發電量約250億千瓦時。從長遠來看，太陽能是取之不竭，用之不盡，是一種理想的可再生能源。據測算，我國國土面積2/3以上的地區，每年的日照量都在2000小時以上，有巨大的開發潛能。同時由于國家推行較高的發電補貼政策，光伏并網發電成為精準扶貧、居民投資增收的得力手段。用屋頂面積安裝中小型太陽能發電可以節約土地資源，是一種方便可行的方法。為此，筆者倡導大力發展屋頂太陽能光伏發電，并在課外學習活動中進行了研究和實踐。

1 光伏發電的原理及優越性

（1）光電轉換原理：光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。光伏發電的原理就是由光子（光波）轉化為電子，形成電壓，建立電流回路將光能量轉化為電能量。

（2）光伏材料：光伏材料是將太陽能直接轉換成電能的材料，又稱太陽能電池材料，只有半導體材料具有這種功能。目前可以制作太陽電池材料的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于地面并且已批量生產的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。其中我國已經投入商業生生產的單晶硅、多晶硅，較經濟且常用的是多晶硅。

（3）分布式光伏發電系統指在用戶所在地附近，利用太陽能進行發電，不以大規模、遠距離輸送電力為目的，所生產的電力以用戶自用、余量上網為主要消納方式的發電系統。現有的分布式光伏發電包括并網型，離網型及多能互補微電網等應用形式。光伏并網發電系統把光能轉化為電能，不經過蓄電池儲能，直接通過光伏并網逆變器，把電能送上電網。并網光伏發電系統由太陽電池方陣、連接器、并網逆變器、電網等部分組成。如圖1所示。

（4）分布式光伏發電的優越性主要有三個方面：一是系統相互獨立，安全性高；二是能源取之不盡，屬清潔能源，大大減小環保壓力。三是土建和安裝成本低，可實現無人值守，維護成本低；存在的主要問題發電量是受氣候環境影響較大。

2 光伏發電系統并網設計

分布式光伏系統并網設計主要考慮因素的有并網模式、并網電壓、并網接入點、計量裝置和安全措施等。

2.1 并網模式選擇

分布式電源的并網模式有全部自用、全額上網和自發自用余量上網三種模式，用戶根據自身特點，可以自行選擇。全部自用模式是指發電量全部用于自用，不向電網輸送，發電量不足時，由電網供電；全額上網模式是指發電量全部輸入電網；自發自用、余量上網模式是指發電量先滿足客戶用電需求，剩余電量向電網輸送，發電量不足時，由電網供電。

2.2 并網電壓的選擇

分布式電源并網電壓等級可根據裝機容量進行初步選擇，根據國家電網公司相關設計規范，一般情況下，裝機容量8千瓦及以下接入220伏，8千瓦以上至400千瓦接入380伏，400千瓦以上至6000千瓦接入10千伏。最終并網電壓等級應根據電網條件，通過技術經濟比選論證確定，若高低兩級電壓均具備接入條件，優先采用低電壓等級接入。

2.3 并網點的選擇

分布式電源與電力用戶在同一場所，發電量“全部自用、自發自用剩余電量上網”，接入用戶側。分布式電源與電力用戶不在同一場所情況，接入公共電網。為保證設備和人身安全，并網點要有明顯斷開點和標志，安裝專用開關，明確指示開關是“合上”還是“斷開”，并在線路短路等故障情況下可以快速斷開故障電流，有自動檢測電壓功能，失壓時自動跳閘，電壓恢復時自動合閘。

2.4 計費裝置的選擇

為準確計量發電量、上網電量、下網電量（客戶向電網購買的電量），并網時應安裝多功能電能表，并納入供電企業并網（發電）多功能電能表監測系統采集相關發電量、電壓、電流等及日運行數據，方便及時發現設備故障。

2.5 安全裝置的配置

在選擇光伏發電裝置和并網設備時，應按照國家相關技術規范，制定有效的安全措施，配置相關保護裝置、防雷裝置、接地裝置，保證在出現過電流、過電壓、失壓、頻率過高或過低、極性反接、負載過重等異常或故障情況時，能自動斷開，有效保證設備和人身安全。

3 20千瓦光伏發電項目（屋頂式）設計案例

某地20千瓦光伏發電項目資料如下：

（1）項目選址在農村住宅區，采用屋頂式，占地約180平米，每千瓦投資預算為8000元。

（2）太陽能電池組件選用多晶硅材料，成本相對較低。并網逆變器采用多組串逆變器，體積小、搬運和安裝方便。匯流箱選用智能光伏匯流箱，提供防雷及過流保護，并監測光伏陣列的單串電流、電壓及防雷器狀態、斷路器狀態。

（3）采用380伏并網，自發自用，余量上網模式，并網點選在用戶側。在產權分界處配置雙向多功能電能表，用于計量上網電量和下網電量（電網向用戶提供的電量），在發電設備匯總處安裝電能表計量發電量（由供電公司安裝）；用電負載前客戶可以安裝電能表計量用電量，也可計算出用電量=（發電量-上網電量）+下網電量。接線圖如圖2所示。

注：圖中QF—低壓斷路器 QS—低壓隔離開關

（4）光伏發電項目益分析：

筆者對該電站2015年發電收益進行統計分析如下：

發電容量：20千瓦，本地區上網電價為0.3205元/千瓦時，補貼電價為0.42元/千瓦時，建站成本為159000，累計年發電量28956千瓦時，上網電量28501千瓦時，自用電量455千瓦時。

年用電節約電費=自用電量×自用電價=455*0.477=217.04元①

年上網電費=上網電量×上網電價=28501*0.3205=9134.57元②

年補貼電費=總發電量×補貼價格=28956*0.42=12161.52元③

年總收益=①+②+③=217.04+9134.57+12161.52=21513.13元

年收益率（%）=21513.13/159000=13.53%

筆者走訪了供電公司和多家分布式光伏發電業主，統計數據表明，即使考慮每年5%的設備折舊，分布式光伏發電資金投入的年平均收益率依然可以達到7-10%。這個收益水平，高于同期銀行存款和理財的回報，具有較大的投資價值。（注：根據《關于促進光伏產業健康發展的若干意見》（國發〔2013〕24號文）規定，“上網電價及補貼的執行期限原則上為20年”。）

4 光伏發電的發展前景

分布式光伏發電的發展方向，與政策的引導鼓勵、技術發展、建設收益等因素息息相關。筆者認為今后發展趨勢如下：一是向屋頂發展，不占用土地。二是向農村發展，大規模布局農村光伏扶貧項目、農光互補項目是政府及能源主管部門明確的引導方向。三是向工業客戶配電網絡內部發展，可以充分利用已經投入的供、配電設施，實現自發自用，減少電量傳輸損耗，促進電網經濟運行。

5 結語

近年來，我國光伏發電發展迅速，成效顯著。按照我國《可再生能源中長期發展規劃》，在電網的可消納的范圍內，增加新能源發電比例，減少燃煤發電比例，有利于環保及經濟可持續發展，具有深遠的現實意義。

參考文獻：

[1]國際低碳經濟研究所.中國低碳經濟發展報告[M].北京：中國社會科學院社會科學文獻出版社，2014.

[2]國家能源局.2014年度中國太陽能發電建設統計評價報告[M].北京：2014.

[3]國家電網公司.分布式光伏發電接入系統典型設計[M].北京：2012.