光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量問題研究

摘要：隨著我國人口、經(jīng)濟(jì)的增長以及科技的日益發(fā)達(dá)，傳統(tǒng)的發(fā)電模式已經(jīng)逐漸不能滿足人們的電量的需求，且傳統(tǒng)發(fā)電模式對環(huán)境的污染較大，因此光伏發(fā)電受到了各個國家的大力推動。由于光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量方式與傳統(tǒng)的電能計量方式存在一定差別，因此隨著這種發(fā)電方式的逐漸普及，相匹配的電能計量技術(shù)也需要進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；電能計量；發(fā)電方式；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2016）28-0144-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.072

我國目前使用最多的發(fā)電方式是火力發(fā)電。但這種發(fā)電方式對煤炭資源的需求量大，容易對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，且隨著社會的發(fā)展，人們的用電量逐漸加大，傳統(tǒng)的發(fā)電方式也難以滿足我們對電量的需求。光伏發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了我國傳統(tǒng)發(fā)電方式的不足之處。光伏發(fā)電能為我們提供更多的電能，其綠色、環(huán)保的發(fā)電方式也避免了像傳統(tǒng)的發(fā)電方式一樣對環(huán)境造成污染。但光伏發(fā)電的電能計量方式與傳統(tǒng)發(fā)電的電量計量方式不同，因此本文將對光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量問題進(jìn)行探討。

1 光伏發(fā)電及光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的其中一種方式，其功率可大可小、易于維護(hù)。光伏發(fā)電應(yīng)用的是光生伏特效應(yīng)原理，光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光的照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。太陽能發(fā)電中的光伏發(fā)電是應(yīng)用光生伏特效應(yīng)將太陽的輻射轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電并網(wǎng)指由光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器后，轉(zhuǎn)換為符合市區(qū)用電要求的交流電之后，并入公共電網(wǎng)的一種發(fā)電方式。

2 并網(wǎng)準(zhǔn)則

對于以10（20）千伏電壓等級接入電網(wǎng)或同時以10（20）千伏、380（220）伏兩種電壓等級接入電網(wǎng)的分布式新能源發(fā)電項目，由局本部提供并網(wǎng)服務(wù)：以380（220）伏電壓等級接入電網(wǎng)的項目，由各區(qū)（市）局提供并網(wǎng)服務(wù)。分布式光伏發(fā)電項目接入電壓等級，應(yīng)根據(jù)項目所在地電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和光伏發(fā)電項目分布的實際情況確定，可參考原則如表1所示：

第一，分布式光伏電能計量表應(yīng)符合相關(guān)電能表技術(shù)規(guī)定，應(yīng)具備雙向計量、分時計量、電量凍結(jié)等功能、支持載波、RS485、無線多種通信方式、適合不同使用環(huán)境下數(shù)據(jù)采集需要。

第二，220V計量點應(yīng)配置S485單相電子式電能表或單相電子式載波電能表。

第三，380V計量點和10kV計量點應(yīng)配置葡萄三相電子式電能國標(biāo)、三相電子式載波電能表式或三相電子式多功能電子表，表計應(yīng)符合《三相電子式多功能電能表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

第四，分布式光伏發(fā)電項目接入電網(wǎng)時，需要在并網(wǎng)接入處和發(fā)電側(cè)同時設(shè)置計量點。并網(wǎng)計量點應(yīng)設(shè)置在分布式電源接入配電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)分界處，分布式光伏電源發(fā)電側(cè)應(yīng)盡量集中，各個集中發(fā)電點設(shè)置一個計量點。

3 傳統(tǒng)電能計量方法

3.1 高供高計

高壓供電，高壓側(cè)計量主要用于國家電壓標(biāo)準(zhǔn)10kV及以上的高壓供電系統(tǒng)，需經(jīng)過高壓電壓互感器、高壓電流互感器計量。其電表額定電壓等級為三相三線三元件或者三相四線三元件。計算用電量需乘PT、CT倍率。10kV/315kVA受電變壓器以上的大用戶為高供高計。

3.2 高供低計

高壓供電，低壓側(cè)計量主要用于35kV、10kV以上的供電系統(tǒng)，需經(jīng)過低壓電流互感器計量，計算用電量需乘CT倍率10kV/500kVA及以下為高供低計。

3.3 低供低計

低壓供電，低壓側(cè)計量主要用于用10kV公用配電器的220V、380V供電用戶。低壓側(cè)計量是我國目前城鄉(xiāng)應(yīng)用最普遍的電能計量方式。

4 光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量方法探究

光伏發(fā)電的特別之處，如果其產(chǎn)生的電能可以在滿足電荷后還有盈余，則可以將剩余的電能輸送給電網(wǎng)，但如果其產(chǎn)生的電能不能滿足自身電荷，則需要從電網(wǎng)中獲取電能。但傳統(tǒng)的電能計算方法一般是采用單向計量方式，只能記錄電網(wǎng)提供的電能而不能同時記錄輸送給電網(wǎng)的電能，因此傳統(tǒng)的電能計量方法不能滿足光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量需求。為了能夠同時計量向電網(wǎng)輸送的電能以及從電網(wǎng)獲取的電能，我們可以采用以下兩種方法來解決這個問題：

4.1 單向電能表計量法

如圖1所示，電能表1計量的是從逆變器輸出的電能，電能表2記錄的是居民用電消耗的電能。如果在讀數(shù)時，電能表1的數(shù)值大于電能表2的數(shù)值，則表示光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能在滿足居民用電后還有剩余，將剩余的電能輸送給了電網(wǎng)。若電能表2的數(shù)值大于電能表1的數(shù)值，則表示光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能不能滿足居民用電所需，需要從電網(wǎng)中獲取電能。兩電表間讀數(shù)的差值表示的是向電網(wǎng)輸送的電量或從電網(wǎng)中獲取的電量。但這種方法的缺點是需要使用兩塊電表，造成成本較高，且不能方便地顯示出電能的方向。為了解決上述問題，我們需要設(shè)計出可以雙向計量的電表。

4.2 電能表計量法

由于在用電網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載不一定全部都由電阻構(gòu)成。有一部分電能功率被稱為無功功率，這部分電能被儲存在電感和電容中，僅作交換用途而并沒有被消耗。而用戶實際消耗的電能則稱為有功電能，這也是我們?nèi)粘Ｉ钪须姳硭涗浀碾娔?。根?jù)這個情況，我們應(yīng)用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化電路來采集電流、電壓，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將這些信號傳遞到專用的芯片進(jìn)行處理，以迅速計算出我們所需要的電能信息。但由于ADC采集電路時不可以采集到每一個時刻的信號，所以我們將ADC在一段時間內(nèi)采集到的信號個數(shù)設(shè)為n，當(dāng)n值很大而且采集的時間很短的時候，可以將采集到的信號近似地看作連續(xù)信號。將ADC在一段時間里等間隔連續(xù)采集的n個瞬時電壓信號設(shè)為u，將n個瞬時電流信號設(shè)為i，將有效電壓設(shè)為U，將有效電流設(shè)為I，則：

運用相同的方法，我們可以計算出有效電流I。我們將瞬時功率設(shè)為p，將有功功率設(shè)為P，將視在功率設(shè)為S，將功率因數(shù)設(shè)為Fp，則：

我們可以用有功功率P的正負(fù)值來判定功率方向，當(dāng)P為正值時，功率方向為正，當(dāng)P為負(fù)值時，功率方向則為負(fù)。又或者，我們首先設(shè)任意一個二端網(wǎng)絡(luò)，將任意時刻值設(shè)為t，將瞬時功率設(shè)為p，將端口電壓設(shè)為u，將端口電流設(shè)為i，則：

設(shè)正弦穩(wěn)態(tài)下端口電壓為U，則：

由上述公式可以看到，瞬時功率包含了兩個分量。當(dāng)電壓電流幅值、相角穩(wěn)定時，如果第一分量恒大于零，則表明它消耗功率，如果第一分量恒小于零，則表明它提供功率，這一分量是瞬時功率中的不可逆分量，我們將它稱為有功分量；第二分量則根據(jù)正弦周期性變化，時正時負(fù)，并且平均值為零，這一分量是瞬時功率中的可逆分量，我們將它稱為無功分量。有功功率又稱為平均功率，定義為瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值，記為P，則：

根據(jù)等式我們可以得到，有功功率可以看作瞬時功率有功分量在一個周期里面的平均值。因此我們可以通過低通濾波器獲取瞬時功率的有功分量，也就是“瞬時有功功率”，然后在時間上對“瞬時有功功率”進(jìn)行積分得到電能。

5 光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量方法與傳統(tǒng)電能計量方法比較

根據(jù)研究我們可以發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量方法與傳統(tǒng)的電能計量方法主要存在兩點不同：一是傳統(tǒng)的電能計量方法只能夠記錄電網(wǎng)提供的電能，但光伏發(fā)電并網(wǎng)由于不僅接受來自電網(wǎng)提供的電能，在其滿足自身用電且有電能剩余的情況下，它也會向電網(wǎng)輸送電能，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)計量方法不僅要記錄電網(wǎng)提供的電能，也要計量其向電網(wǎng)輸送的電能；二是由于傳統(tǒng)的電能計量方法只需要記錄一個方向的電能，為單向計量方法，不需要識別電能方向，而光伏發(fā)電并網(wǎng)由于其需要記錄兩個相反方向的電能，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計算方法需要識別出電能的方向再分別計算。而在光伏發(fā)電并網(wǎng)的兩種計量方法中，由于使用兩個單向電能表計量的經(jīng)濟(jì)性與便利性都不如使用雙向電能表，因此使用雙向電能表去計量光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能，是目前更為合適的方法。

6 結(jié)語

目前，隨著國家的大力支持和鼓勵，越來越多的居民用戶已經(jīng)參與到光伏發(fā)電并網(wǎng)的應(yīng)用中。但在一種新的發(fā)電用電方式被普及的同時，與其相匹配的電能計量方式的研究也要得到重視。只有準(zhǔn)確地計量出相關(guān)的電能數(shù)據(jù)，我們才能對這種新的發(fā)電用電方式進(jìn)行更深入的分析，也才能讓好的新方式得到更快的推廣。光伏發(fā)電并網(wǎng)比起傳統(tǒng)的發(fā)電用電方式，不僅能為我們提供更多的電能，彌補(bǔ)傳統(tǒng)發(fā)電的電能不足，而且這種發(fā)電方式更加的環(huán)保，對人類的可持續(xù)發(fā)展也做出了很大的貢獻(xiàn)。本文在這里介紹的光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能計量方法都有很強(qiáng)的實用性，希望在不久的將來，這種方式能夠得到更好的推廣和應(yīng)用，也希望可以繼續(xù)研究出新的電能計量技術(shù)和方法，以得到更準(zhǔn)確、全面的電能數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高曉雷.光伏發(fā)電并網(wǎng)及電量計量問題的探究[J].電氣制造，2013，（9）.

作者簡介：程禹智（1977-），男，廣東陽江人，廣州供電局有限公司計量中心工程師，碩士，研究方向：現(xiàn)場計量。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）