家用并網光伏系統仿真與運行性能計算

張嘉澍 金滿 徐洪濤

摘要：設計了一個家用并網光伏系統并計算其年發電量以研究其運行性能。在設定指定地點地理位置并導入氣象數據，并根據屋頂可用面積決定光伏陣列的排布和逆變器參數后，利用 PVsyst 軟件對光伏系統進行模擬，并計算發電量。結果表明：所設計的光伏系統年發電量約為7114 kW·h，發電效率為75.1%。結合調查數據發現，該光伏系統發電量超過了當地用戶年平均用電量;光伏系統一年中日輸出電量的變化趨勢顯示，光伏系統發電量高峰時的日發電量均值可達35 kW ·h 以上;而光伏系統發電量低谷時的日發電量均值不足20 kW·h;光伏系統各項損失在理論發電量中的占比變化趨勢顯示，每年6、7、8月系統的光伏陣列損失最大，其原因是夏季氣溫升高使得光伏陣列運行性能受到影響。該光伏系統發電量可以滿足一般家庭的用電需求，且用戶可以參考光伏系統發電量的變化趨勢選擇合理的用電方式。

關鍵詞：光伏系統; PVsyst 軟件;家用;并網

中圖分類號： TK519??? 文獻標志碼： A

Simulation and calculation of the operation performance of adomestic grid-connected photovoltaic system

ZHANG Jiashu，JIN Man，XU Hongtao

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：A household grid-connected photovoltaic （PV） system was designed，? and its annual power generation was calculated to evaluate its operation performance. Initially， the parameters of PV arrays and inverters were selected by the available area on the roof. And then the software PVsyst was used to simulate and calculate the power generation of the designed system at settinglocation with the associated meteorological data. The results indicated that the annual power generation of this system was 7114 kW ·h， and the operation efficiency was 75%. Combining with the? survey? data，? the? power? generation? of? this? system? exceeded? the? average? annual? power consumption of the households in local area. The daily power output of the PV system indicatedthat average daily power generation of the system maximized at 35 kW ·h， while average dailypower generation could minimize at 20 kW ·h. The fraction of available power generation of this system indicated that the greatest power loss of PV arrays was achieved in June， July， and August due to the influence of high temperature in summer on their performance. In a word， the designed system could meet the demand of electricity consumption in a normal household， and the users could choose the power supply according to the power generation of the PV system.

Keywords：photovoltaic system; PVsyst software; household; grid-connection

近年來，隨著能源需求的持續增長、全球氣候的日益惡化，人們開始尋求“綠色”可再生能源。而太陽能因其清潔環保、可再生性、安全可靠的特點，在可再生能源中扮演著重要角色，光伏發電成為繼水力和風力發電之后的第三大可再生能源發電技術，在節能減排中發揮著重要作用[1–2]。近年來，我國光伏產業發展迅速，2017年全國光伏發電量達1182億 kW·h，對比2016年增長了78.6%[3]。在我國光伏裝機容量迅速增加的同時，光伏電站并網的速度卻跟不上裝機容量的發展[4]。鼓勵家庭安裝并網光伏系統成為了一種解決方案，但目前由于組裝光伏系統對于普通家庭來說成本較高，因此評估一個家用光伏系統的發電量及運行效率等實際性能對于家庭是否適合安裝光伏系統至關重要。利用傳統方式進行計算不僅公式繁瑣，計算量龐大，且難以實現發電量的精確計算，因此需要利用專業的計算機軟件。 PVsyst 軟件是光伏系統設計的專業軟件，包括廣泛的氣象數據庫、光伏系統組件數據庫，以及一般的太陽能工具等[5]。該軟件可以大大減少使用者的工作量，并得到更為直觀、精確的結果。因此，為評估在普通家庭安裝并使用光伏系統的可行性，并為用戶如何合理利用該系統提供參考，本文以上海虹橋地區某獨棟樓房為研究對象，設計并建立了一個家用并網光伏系統的模型，并利用 PVsyst 軟件對該系統模型進行仿真以及運行性能的計算。

1并網光伏系統簡介

并網光伏系統簡圖如圖1所示。太陽能并網光伏系統主要的工作特點是，由光伏陣列產生的直流電經并網逆變器轉換成符合電網要求的交流電之后直接進入公共電網。光伏陣列所產生的電力除了供給交流負載外，多余的電力可反饋給電網[6]。并網光伏發電系統由太陽能光伏陣列將光能轉變成電能，之后直流電進入并網逆變器，有的并網光伏發電系統中會選擇加入儲能裝置如蓄電池組。

為簡化計算，本文研究的系統中不設置儲能設備。光伏系統中的并網逆變器由交流逆變、功率調節、充放電控制、并網保護切換等構成。經逆變器輸出的交流電供用戶使用，過多的電能通過電力變壓器等設備送入電網（稱為賣電），而當并網光伏系統能量不足時，則電網將向交流負載供電（稱為買電），以此構成完善的并網光伏系統[7]。本設計為盡可能減少陰影遮擋，選擇在屋頂布置光伏陣列。由于住戶屋頂面積的限制，只靠光伏陣列的發電量可能無法支持整戶用電量的需求，因此選擇并網系統，在陰雨天或夜晚等發電量不足以滿足用戶需求的情況下，用戶的日常用電仍可依靠電網。

2家用并網光伏系統設計

2.1 PVsyst 軟件中地址氣象數據的導入

本設計中地址選擇的是上海虹橋，并利用 PVsyst 軟件自帶的 Meteonorm7.2數據庫中的氣象數據。該數據庫包含從1991—2010年近二十年間的氣象數據。上海虹橋氣象數據如表1所示。由表1中可以得到，上海虹橋一年中各月的總輻射量總和為1274.5 kW?h ?m?2，一年中各月的散射量總和為822.4 kW?h ·m?2，各月平均溫度為17.4 C，各月平均風速為3.5 m ? s?1。

2.2房屋模型與光伏場區域

本設計中房屋長1200 cm ，寬800 cm ，高500 cm（不包括屋頂高度），屋頂傾角為30°，光伏場區域總面積為54 m2。房屋模型及光伏場區域如圖2所示。

2.3光伏組件的選取

光伏組件（電池陣列）是發電的核心元件，其作用是將太陽的輻射能轉化為電能，供家庭用電使用，或輸送到蓄電池中[8]。本設計中選擇 Risen Energy 公司型號為 SYP190S?M 的單晶硅光伏組件，在光伏場區域共可搭建6組，每組7個光伏組件，所占面積為54 m2。光伏組件發電的功率計算式為[9]

（1）

式中：P 為光伏組件發電功率;Ns 為光伏組件的串數;Np 為每串中光伏組件的個數;Pmax 為單個光伏組件的最大功率。

經計算，本設計中光伏組件的發電功率 P 為8 kW。

2.4逆變器的選取

太陽能光伏系統由于受外部環境條件影響，其發電具有間歇性與波動性等不確定性的特點。因此光伏系統在接入輸配電網前，必須經過逆變器嚴格的參數控制，才能保證系統的安全穩定運行。逆變器是一種將直流電變換成交流電的電能轉換設備[8]。

逆變器的功率容量計算式為[9]

Cn = KmLP?? （2）

式中： Cn 為逆變器功率容量;Km 為安全系數， L 為考慮感性或容性負載啟動引起沖擊電流而附加的因子。

光伏發電系統的相關研究數據顯示[8]，一般情況下，Km 取1.2，L 取1.2，P 取由式（1）計算到得到的值8 kW。經計算，本設計中逆變器的功率容量 Cn 為11.5 kW。

綜合考慮逆變器的電壓適用范圍，選用2個5 kW 的逆變器，每側屋頂各分配一個。逆變器型號為 SG5KTL?D ，由Sungrow生產，電壓適用范圍為125～560 V。

2.5軟件模型簡介

利用 PVsyst 軟件計算發電量時，需要計算傾斜面上的太陽輻射總量。對此選用的是 Hay 模型。該模型是計算太陽輻射的經典模型。根據 Hay 模型，傾斜面上的太陽輻射總量 HT 由直接輻射量HbT、天空散射輻射量HdT、地面反射輻射量HrT三部分組成，即

（3）

（4）

式中： Rb 為輻射因子; Hb 為水平面上直接輻射量。

對于朝向赤道的傾斜面，Rb 由式（5）確定，即

式中：?、β、δ分別為當地的緯度、太陽能電池的傾角、太陽的赤緯角;ωs、ωst分別為水平面上的日落時角、傾斜面上的日落時角。

太陽的赤緯角

式中， n 為一年中從元旦算起至當天的天數。

水平面上日落時角

ωs = arccos（一tan? sin6）

傾斜面上日落時角

ωst = min{ωs ， arccos[一 tan（?一β）sin6]}

天空散射輻射量為

HdT= Hd [（H ）Rb +（1+cosβ）（1一Hd ）]（9）

式中：Hd、H 分別為水平面上散射輻射量、水平面上總輻射量;H0為大氣層外水平面上輻射量。

式中，Isc為太陽常數。

地面反射輻射量為

式中，ρ為地面反射率，一般情況下ρ=0.2。

將式（4）、（9）、（11）代入式（3）即可得到傾斜面上太陽輻射總量的表達式，即

由式（12）并結合當地的水平面太陽直接輻射和散射輻射數據，可計算出各地在不同傾角的傾斜面上的太陽輻射量。將各月太陽輻射量的值求和可得全年總輻射量[10]，進而計算出光伏系統一年的發電量。

基于上述模型，應用 PVsyst 軟件可根據設計系統的地理位置、房屋朝向、屋頂傾角以及氣象數據庫的數據等進行模擬仿真計算。

2.6運行結果與分析

經過軟件的仿真運算，得到初步的運行結果，包括系統發電量及運行效率。

光伏系統中運行效率Pr的表達式為

式中：Yf為系統實際輸出電量;Yr為系統理論輸出電量。

軟件的初步運行結果為：系統發電量為7114 kW.h ·a?1;運行效率為75.1%。

調查數據顯示[11]，2005—2014年近十年間，上海地區每年單位面積用電量平均為31.1 kW.h ·m?2，

因此，本設計中房屋（雙層）的面積為192 m2，其每年的用電量約為5971.2 kW.h。可見，本系統發電量在滿足一般家庭獨棟房屋的用電需求后，仍有富余電量，可以反饋給電網。此外，本設計為并網系統，在陰雨天或夜晚等光伏無法發電的情況下，用戶用電仍可依靠電網，不會出現無電可用的情況。因此，本設計中的光伏系統可以實現節約能耗、減輕電網負擔的作用。越來越多的家用光伏系統投入使用后，將為國家電能的節約做出貢獻。

通過仿真計算可得所設計的系統在一年中每日輸出電量變化趨勢，結果如圖3所示。該圖反映了一年中各時間段該光伏系統可輸出電量的數據，可為用戶如何合理利用該光伏系統從而實現家庭用電削峰填谷的作用提供參考。例如，由圖3中可見，每年4月中旬為光伏系統發電量高峰，日發電量均值可達35 kW·h 以上，足以滿足日常用電需求，用戶可選擇減少依賴電網發電，并可將光伏系統產生的多余電力反饋給電網;而每年12月至次年1月為光伏發電量的低谷，日發電量均值不足20 kW·h，且由于家用采暖設備的使用，可能導致所需電力消耗更大，僅靠光伏系統可能無法維持家庭正常用電，因此家庭用電需求在依靠光伏系統的同時，可更多地依靠電網。

此外，通過模擬計算可得到一年中某天光伏系統發電功率隨時間的變化。例如，圖4為一年中某天（1月1日）光伏系統在各時間段的發電功率，可為用戶用電方式提供參考。由圖4中可見，1月1日在06：00之前光伏系統無法輸出電能，而在中午10：00～12：00之間輸出電能達到峰值，發電功率可達2500 W 左右，16：00之后系統又停止發電。以此類推，用戶可根據自身需要，參考該圖來盡量選擇光伏系統發電功率的峰值時間段作為用電高峰時間段，合理利用光伏系統的電能，實現節能減排的目的。

圖5為一年中各月份光伏系統產生的有用發電量及各項損失在光伏系統的理論發電量中的占比的變化趨勢。可見，每年6、7、8月系統的光伏陣列損失較同年其他月份大。其原因是夏日陽光直射導致光伏板溫度過高，從而使其效率下降。這也為將來的研究方向提供了啟示，即如何解決光伏板在太陽照射下溫度過高的問題。

3結論

本文利用商業軟件 PVsyst，對所設計的上海虹橋地區某獨棟樓房的家用并網光伏系統的運行性能進行了模擬計算。結果表明：

（1）本設計中的光伏系統年發電量為7114 kW ?h，超過當地用戶每年平均家庭用電量，因此可以滿足一般家庭的用電需求。

（2）光伏系統一年中日輸出電量的變化趨勢表明，每年4月中旬為光伏系統發電量高峰，日發電量均值可達35 kW·h 以上;而每年12月至次年1月為光伏系統發電量低谷，日發電量均值不足20 kW·h。結合一年中某天光伏系統發電功率的變化趨勢，可為用戶合理用電提供參考。

（3）光伏系統產生的有用發電量及各項損失占比的變化趨勢表明，每年6、7、8月系統中光伏陣列損失最大，其原因是夏日陽光直射導致光伏陣列溫度升高，從而引起效率下降。

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