戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)踐

■ 管國(guó)輝 張明 吳杭佳 董誠(chéng) 張雙權(quán)

(1.浙江環(huán)球光伏科技有限公司；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司)

0 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和政府惠民政策的進(jìn)一步加大，光伏發(fā)電逐漸被普通家庭認(rèn)知。戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不排放污染物質(zhì)，具有安裝方便、無(wú)噪音、整個(gè)壽命期內(nèi)幾乎無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)必將走進(jìn)千家萬(wàn)戶，使節(jié)能環(huán)保融入生活。

與此同時(shí)，政府為了加大對(duì)戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣，不但推出新的惠民政策，而且在戶用型并網(wǎng)申請(qǐng)流程上也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 戶用型并網(wǎng)申請(qǐng)流程

我國(guó)幅員遼闊，安裝條件也千差萬(wàn)別，本文主要描述典型的戶用型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)和安裝方法等。

1 系統(tǒng)安裝類型

目前典型的戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝主要有3類：瓦面屋頂安裝、平臺(tái)型屋面安裝、混凝土屋面安裝，實(shí)際安裝效果分別見(jiàn)下文中圖2、3、4所示。

1.1 瓦面屋頂安裝

首先把屋頂瓦片掀開(kāi)，將支架掛鉤固定在屋面上后把瓦片蓋上，然后將支架橫桿固定安裝在掛鉤上，最后將太陽(yáng)電池組件固定安裝在支架上，如圖2所示。此安裝方式既不占用房屋使用面積，又可對(duì)房屋起到一定的隔熱作用。

圖2 瓦面屋頂安裝圖

1.2 平臺(tái)型屋面(露天陽(yáng)臺(tái))安裝

將制作好的支架固定在屋頂平臺(tái)或是女兒墻上，再把太陽(yáng)電池組件固定在支架上，如圖3所示。此安裝方式適應(yīng)性很強(qiáng)，可以根據(jù)屋頂平臺(tái)、女兒墻結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)電池組件的特點(diǎn)對(duì)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其利用率最大化，同時(shí)還可以起到遮陽(yáng)的作用。

圖3 平臺(tái)型屋面安裝圖

1.3 混凝土屋面安裝

先澆筑好混凝土基礎(chǔ)，再將支架固定在混凝土基礎(chǔ)之上，然后將太陽(yáng)電池組件固定安裝在支架上，如圖4所示。此安裝方式可自由調(diào)節(jié)安裝角度，使太陽(yáng)電池組件的發(fā)電量達(dá)到最大，減少投資回收期。

圖4 混凝土屋面安裝圖

2 戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)踐

戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；綜合分析現(xiàn)場(chǎng)情況后，通過(guò)光伏專用軟件進(jìn)行分析與計(jì)算，出具最合理、最專業(yè)的設(shè)計(jì)方案。本文以浙江省紹興市的實(shí)踐案例進(jìn)行介紹。

2.1 太陽(yáng)輻射量資源獲取

由于戶用型安裝的地域可以很寬廣，所以出具系統(tǒng)方案前需前往系統(tǒng)安裝地進(jìn)行勘查和測(cè)量等，收集相關(guān)資料，然后對(duì)資料進(jìn)行分析。太陽(yáng)輻射量可從氣象衛(wèi)星和當(dāng)?shù)貧庀缶肢@取，從數(shù)據(jù)獲取難易程度考慮，可參考美國(guó)宇航局NASA氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)(網(wǎng)址：https：//eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/)。安裝地尺寸、地形地貌、電氣走線等數(shù)據(jù)需到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查和測(cè)量。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，用戶家可安裝容量為3 kWp的戶用型發(fā)電系統(tǒng)，采用二類安裝方式進(jìn)行組件安裝。通過(guò)NASA氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取用戶安裝地太陽(yáng)輻射量資源信息，采用光伏專用軟件RETSCREEN能源模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出系統(tǒng)的發(fā)電量信息。

2.2 安裝地氣象數(shù)據(jù)與太陽(yáng)輻射量

選用美國(guó)宇航局NASA氣象衛(wèi)星觀測(cè)的紹興市相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 NASA氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)

傾角為0°時(shí)紹興市的輻射量數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 傾角0°時(shí)紹興市輻射量數(shù)據(jù)

從圖5、6可知，紹興市水平面日平均太陽(yáng)輻射量為3.70 kWh/m2。

2.3 系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算及總體效率分析

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏陣列的效率、逆變器效率和交流并網(wǎng)效率3部分組成。

1)光伏陣列效率η1：指光伏陣列在1000 W/m2的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、AM1.5和常溫25 ℃的情況下，實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中的損失包括：組件匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用太陽(yáng)輻射損失、溫度的影響、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)精度及直流線路損失等。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：組件功率匹配損失小于3%；旁路二極管壓降小于2%； 灰塵影響組件功率損失小于5%；直流線路損失小于3%；電池組件溫度影響系數(shù)為-0.37%/K；除去以上損失，光伏陣列效率η1= 87%。

2)逆變器轉(zhuǎn)換效率η2：是逆變器輸出的交流電功率與直流輸出功率之比。對(duì)于高效并網(wǎng)逆變器可取η2= 96%。

3)交流并網(wǎng)效率η3：即從逆變器輸出至用戶側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的傳輸效率，線路效率根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)取η3= 95%。

系統(tǒng)總效率等于上述各部分效率的乘積：η=η1η2η3=87%×96%×95%=79.34%

2.4 發(fā)用電分析

2012年7月1 日起浙江省執(zhí)行新版居民階梯電價(jià)，居民年用電量分為3檔，且每檔的電價(jià)不一樣。第1檔：居民年用電量在2760 kWh以內(nèi)的電價(jià)是0.538元/kWh；第2檔：居民年用電量在2761～4800 kWh之間的電價(jià)是0.588 元/kWh；第3檔：居民年用電量高于4800 kWh的電價(jià)為0.838元/kWh。

經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算，考慮到系統(tǒng)25年內(nèi)的衰減，本系統(tǒng)年平均發(fā)電量約為2951.5 kWh，日平均發(fā)電8.1 kWh。系統(tǒng)發(fā)電曲線如圖7、8所示。

圖7 系統(tǒng)月發(fā)電量

圖8 系統(tǒng)小時(shí)發(fā)電量

根據(jù)圖7、8的發(fā)電曲線可知，本系統(tǒng)年發(fā)電量在4～10月份較多，貼合用戶夏天用電高峰的需求。系統(tǒng)每日發(fā)電量在9：00～15：00之間較多。

用戶的年用電量約6000 kWh(基本滿足大部分家庭使用)，如果用戶白天用電量可達(dá)到1200 kWh以上(約占本系統(tǒng)年總發(fā)電量的40.66%)，階梯電價(jià)可下降至第2檔，節(jié)約第3檔最高用電電價(jià)的電費(fèi)。用戶白天的用電量可根據(jù)用戶家里電器白天待機(jī)用電進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，如預(yù)約熱水器、空調(diào)等用電電器的工作時(shí)間等。

按照國(guó)家和浙江省對(duì)光伏發(fā)電的扶持政策，所有發(fā)電量國(guó)家補(bǔ)貼0.42元/kWh、浙江省補(bǔ)貼0.1元/kWh，上網(wǎng)電量按照0.457元/kWh的脫硫煤標(biāo)桿電價(jià)(各個(gè)地區(qū)有所差異)進(jìn)行收購(gòu)，用戶每年可得到1534.8元電價(jià)補(bǔ)貼，20年可得到補(bǔ)貼30696元。自發(fā)自用電量每年按照1200 kWh進(jìn)行計(jì)算(實(shí)際可以超出)，可節(jié)約電費(fèi)支出約1005.6元；上網(wǎng)可獲得電費(fèi)收益800元。一年總收益約為3340.4元。如通過(guò)調(diào)節(jié)使電器設(shè)備白天使用更多的電，用電曲線與本系統(tǒng)發(fā)電曲線進(jìn)行更優(yōu)匹配，可獲得更高的收益。

2.5 電氣接入

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)》[1](2012年12月)和《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見(jiàn)(修訂稿)》規(guī)定，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)裝機(jī)容量8 kW及以下可單相接入。

2.5.1 接入系統(tǒng)一次及一般原則

裝機(jī)容量8 kW及以下，可采用單相接入。

用戶安裝的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，單個(gè)接入點(diǎn)容量為3 kWp，采用單相接入系統(tǒng)。確定接入系統(tǒng)原則為：發(fā)電量自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，如圖9所示。

圖9 光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

2.5.2 接入系統(tǒng)方案描述

系統(tǒng)在用戶樓房的屋頂安裝太陽(yáng)電池組件，通過(guò)光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，再連接到并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流。在此并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例中，采用220 V電壓接入電網(wǎng)，接入電網(wǎng)的方式如圖10所示。

圖10 并網(wǎng)光伏一次系統(tǒng)接線示意圖

2.5.3 接入系統(tǒng)二次

戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)或國(guó)家電網(wǎng)異常、故障時(shí)，為保證設(shè)備和人身安全，應(yīng)具有相應(yīng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)功能，保證國(guó)家電網(wǎng)和戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，確保維修人員和公眾的人身安全。

2.5.4 系統(tǒng)繼電保護(hù)

系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)及公共連接點(diǎn)的斷路器具備短路瞬時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)功能和分勵(lì)脫扣、欠壓脫扣功能，線路發(fā)生短路故障時(shí)，線路保護(hù)能快速動(dòng)作，瞬時(shí)跳開(kāi)斷路器，滿足全線故障時(shí)快速可靠切除故障的要求。斷路器還應(yīng)具備反映故障及運(yùn)行狀態(tài)輔助接點(diǎn)，不配置線路保護(hù)。

2.5.5 防孤島檢測(cè)及安全自動(dòng)裝置

220 V電壓等級(jí)并網(wǎng)點(diǎn)不配置防孤島檢測(cè)及安全裝置，采用防孤島能力的逆變器。逆變器必須具備快速檢測(cè)孤島且監(jiān)測(cè)到孤島后立即斷開(kāi)與連接電網(wǎng)的能力，其防孤島檢測(cè)裝置配置方案應(yīng)與繼電保護(hù)配置、安全自動(dòng)裝置配置和低電壓穿越等相配合，時(shí)間上互相匹配。

2.5.6 系統(tǒng)防雷接地

對(duì)需要接地的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)保持接地的連續(xù)性和可靠性。接地裝置的接地電阻必須符合設(shè)計(jì)要求，以防雷為目的進(jìn)行接地時(shí)，其接地電阻應(yīng)＜10 Ω；以保護(hù)為目的進(jìn)行接地時(shí)，其接地電阻≤4 Ω。

光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)接口設(shè)備有防雷和接地，并且符合SJ/T11127《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)導(dǎo)則》[2]中的規(guī)定。接地裝置及設(shè)備接地按DL/T621《交流電氣裝置的接地》[3]和《防止電力產(chǎn)生重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》[4]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5.7 電能計(jì)量

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)》[1]，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式為“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”，應(yīng)單套設(shè)置并網(wǎng)電能表，還應(yīng)設(shè)置關(guān)口計(jì)量電能表。

1) 計(jì)量表安裝位置。戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為自發(fā)自用，余電上網(wǎng)系統(tǒng)，在并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置單套并網(wǎng)單相電能表，并在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置關(guān)口計(jì)量電能表。

用戶端安裝具有電能計(jì)量的電能表，并且電能量信息可通過(guò)寬帶送出，但在并網(wǎng)點(diǎn)還需裝設(shè)單相并網(wǎng)電能表。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，供電公司已在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置計(jì)量電能表。

2) 技術(shù)要求。計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)按單表設(shè)計(jì)，電能表精度要求不低于2.0級(jí)；計(jì)量上網(wǎng)點(diǎn)按單相單表設(shè)計(jì)，電能表精度要求不低于2.0級(jí)。電能表采用靜止式多功能電表，至少應(yīng)具備雙向有功和四象限無(wú)功計(jì)量功能、時(shí)間記錄功能；應(yīng)具備電流、電壓、電量等信息采集和電流不平衡檢測(cè)功能；配有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，具備本地通信和通過(guò)電能信息采集終端遠(yuǎn)程通信的功能。計(jì)量表采集信息應(yīng)分別接入電網(wǎng)管理部門和光伏發(fā)電管理部門(政府部門或政府指定部門)電能信息采集系統(tǒng)，作為電能量計(jì)量和電價(jià)補(bǔ)貼依據(jù)。

2.6 系統(tǒng)安裝

實(shí)例中，根據(jù)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查，通過(guò)對(duì)勘查信息匯總分析模擬出現(xiàn)場(chǎng)效果圖，在效果圖上進(jìn)行組件鋪設(shè)(見(jiàn)圖11)。同時(shí)，出具電氣連接和電氣接線圖紙。

系統(tǒng)采用二類安裝方式。安裝材料使用304不銹鋼支架，不銹鋼支架與地面采用膨脹螺栓固定，以抵消風(fēng)載對(duì)組件向上的上升力。將12塊組件安裝在已建好的支架上，安裝效果如圖11所示。

組件安裝完成后，按照電氣接線圖紙進(jìn)行電氣連接。進(jìn)行電氣連接的人員必須是專業(yè)人員且持有上崗證。電氣連接完成后，由當(dāng)?shù)仉娏謱?duì)用戶進(jìn)行電表的安裝。

圖11 光伏系統(tǒng)模擬效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有靈活多變、安裝方便、適應(yīng)性極強(qiáng)等特點(diǎn)；不需占用額外空間，還可與建筑物進(jìn)行緊密結(jié)合，對(duì)建筑物起到一定的保護(hù)作用；所發(fā)電量直接接入用戶側(cè)，就地消納，可對(duì)電網(wǎng)起到調(diào)峰補(bǔ)充作用。隨著清潔能源技術(shù)不斷發(fā)展，戶用型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸走向更大的市場(chǎng)。以上的實(shí)例設(shè)計(jì)已投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常，因此檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)方案的正確性。

[1] 國(guó)家電網(wǎng)公司. 分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)[EB/OL]. http：//doc.mbalib.com/view/9d826lc9be8426a7713d50c b326870d6.html， 2012-11.

[2] SJ/T11127 -1997，光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)導(dǎo)則[S].

[3] DL/ T 621-1997，交流電氣裝置的接地[S].

[4] 國(guó)家電力公司.關(guān)于印發(fā)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》的通知[R]. 國(guó)電發(fā) [2000] 589號(hào)，2000.