上海居民光伏发电并入电网的相关问题分析

吴旭鹏，解 大，戴 敏，赵万剑

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网上海市电力公司 松江供电公司，上海 201600）

0 引言

随着传统能源紧缺与电力系统对供电安全性、可靠性和灵活性的要求越来越高，供电模式已由传统的采用高电压、大电网和大机组为主的集中式单一供电模式向含分布式发电的多样化形式发展，如风能、太阳能、潮汐能等清洁能源发电。其中，光伏发电作为新型能源中应用较广、使用区域受限较小而受到国内外学者的高度重视，很多国家把发展光伏发电作为振兴经济的重要手段。

关于光伏发电的研究，美国、日本、欧洲等发达国家都有中长期发展计划和相应的促进光伏发电推广应用的政策，而我国作为太阳能资源丰富的国家，起步较晚。我国在太阳能光伏发电应用方面所取得的成绩相对较不突出，太阳能光伏发电因其投入成本及发电随机性、间歇性等特点，难于大规模投入实际应用中。但随着节能减排任务的加重以及居民用电负荷的日益增大，有必要大规模开发和利用光伏发电。目前，我国已陆续出台一系列涉及光伏发电的补贴政策和示范项目，全国正在掀起新一轮发展光伏发电产业的热潮［1，2］。而居民屋顶光伏发电使居民不仅仅是用户，还可能是电能的提供者，因此研究上海居民光伏发电并网的相关问题，对上海电网安全可靠经济的运行具有重大意义。

1 居民屋顶光伏发电系统

屋顶光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、直流接线箱、DC／AC逆变器、交流配电箱及计量检测系统组成。光伏并网系统将太阳能转换成直流电能后，再通过逆变器将直流电逆变为50Hz、220V／380V的交流电，配电箱输出的电能分成两路，一路通过接入本地负荷以供自用，另外一路接入电网。当光伏发电量大于等于本地负荷时，将多余的电能输送至电网，而当光伏发电量不足以满足居民用户负荷时，负荷电能由电网供给，如图1所示［3］。

在光伏并网系统中，逆变控制部分担负着系统的DC／AC转换，并准确控制转换电压、频率、相位、谐波含量等重要指标。同时，逆变控制部分是光伏并网系统的关键设备，负责光伏并网发电系统各部分与公共电网的协调运行，并对系统可能发生的各种异常状态进行保护。对于居民光伏发电的并网，主要有单相和三相两种方式。普通的小型单户居民屋顶太阳能光伏系统采用单相并网方式；大厦太阳能幕墙光伏系统，由于太阳能电池阵列庞大，发电功率较单户居民大很多，一般采用三相并网系统，并配有蓄电池组。

图1 居民光伏发电系统

2 上海太阳能资源概况及居民负荷特点

2.1 上海太阳能资源概况

上海市位于中纬度地区的太平洋西海岸，属北亚热带海洋性季风气候。四季分明、雨量充沛，气候温湿，年平均气温约为16.5℃，海拔高度约4m。上海日照条件较为充足，太阳能资源比较丰富，多年平均日照时数为2 014h。日照时数的分布以夏季最多，达600～700h，约占年总时数的三分之一；而冬季最少，约360～465h，仅占年总时数的18%～23%。多年平均太阳总辐射量为4 565MJ／m2，太阳总辐射量的分布以夏季最多，冬季最少，仅占年总辐射量的16%，春秋季接近相等，太阳总辐射量的分布与日照时数的分布基本相似。

2.2 居民用电负荷特点

据统计，到2003年上海常住人口已超过2300万，是我国用电负荷最高、用电量最大的城市［4］。随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调、电热水器等大功率电器的普遍使用，上海的用电负荷逐年递增，如表1所示。

表1 上海2001—2012年用电量 亿kWh

其中，居民用电占的比例在15%左右。全年用电高峰由曾经的仅夏季一个高峰向夏季、冬季两个高峰发展。此外，上海用电存在较大供需矛盾，在高峰时供电量不足，但高峰持续时间并不长；居民生活用电负荷的利用小时数低，负荷率低；居民生活用电负荷所占比重比用电量的比重大得多，仅传统的发电形式难以实现对所有居民以及工业的供电，而单纯的引导居民节约用电或拉闸限电措施并不能从根本平衡电能的供需［4］，因此利用光伏发电的接入不仅可以有效地利用清洁能源，还可以在不同程度上满足居民的用电需求。

3 居民光伏发电对电网的影响

3.1 输出功率不稳定

光伏发电的能源来源是太阳能，除发电装置的故障、检修等原因外，所发电量很大程度上受日照、温度、季节等因素的影响，导致输出功率波动频繁。通过对上海某光伏发电站2013年7月11日的有功功率（单位：MW）和无功功率（单位：Mvar）数据进行采集，每5min一个点，共288组数据，如图2所示。从图2中可以看出，光伏系统夜间的发电量为0，白天日照较强，发电量较多，在正午时达到最大。而无功消耗量仅在很小的范围处于较稳定的水平，根据实际采集的数据，无功功率的数值在0～0.1Mvar，因此曲线比较平缓。

图2 光伏发电功率波动曲线

由于电力系统调度对有功功率的短期负荷精度要求较高，当光伏发电的容量超过一定比率时，将对系统的电压、频率造成影响，不利于电力系统的安全稳定运行，这就需要对光伏系统安装点的多种气象因素进行长期的考察，在大量数据支持的基础上会尽可能提高输出功率预测的准确性，降低对电网的影响。此外，还应在相应的位置配备应对发电量下降的补偿装置，以保证系统的稳定。

3.2 孤岛效应

居民光伏并网发电系统属于分布式发电，因此不可避免地会产生孤岛效应。所谓孤岛效应，就是当由于电气故障、误操作或自然因素等原因引起电网中断供电时，光伏发电系统仍然与本地负载连接并处于独立运行的状态。由于孤岛效应被电力部门认为已经停电的光伏系统设施仍然可能带电，这在检修时将威胁到检修人员的安全。此外，处于孤岛中的用电装置会因电压和频率的变化超出其承受能力进一步损坏，而并网设备本身也将有损坏的可能性［4］。

考虑到用电的安全和对电能质量的影响，应避免孤岛的产生。因此，光伏系统应具有检测孤岛状态并快速有效停止并网运行的能力。对此应安装孤岛检测与控制装置，及时监测电网侧和光伏系统侧的电压、频率等指标，在指标不满足要求或电网出现故障时，应启动保护装置，及时跳开相应的断路器。

3.3 电能计量

对于不含并网光伏发电的电力系统，由于用户通常只是耗电者的角色，因此电能的计量通常采用单向累计电能计量表，即只要有电能流过电表，均默认为消耗电能，并以此来计算电价。对于居民光伏系统并入电网的情况，只有当光伏所发电量不满足居民用电量时，电网才会有电能流向用户。此时，若用传统的单向电能表，用户不仅要支付正常使用的电能，还要对输入电网和自发的电能进行支付，这无疑增大了用户负担，且极不合理。对此，需采取相关措施来实现电能计量与电价结算。

目前，可通过采用双向电能计量表，或根据不同的电能流向安装两个电能计量表［4］。对于前者，在设计和生产时需考虑与原抄表系统的软硬件兼容问题，且需要比单向电能表更高的计量精度，由于国内光伏产业容量较少，这种电表的使用率不高，因此通常使用后者来进行电能计量，如图3所示。通过电能表1和电能表2分别计量居民的发电和用电量，对发电部分进行相应的补偿，对用电部分实行合理的收取电费。

图3 两个电能表接入方式

3.4 节能减排

由于光伏发电不会产生温室气体及破环环境的污染物，更没有废水排放等，既有利于环境的保护，也延长了传统能源的使用期限。位于上海的某一屋顶光伏电站，总装机容量为314.9kWp，共安装1340块235kWp的多晶硅电池组件，屋顶利用面积为2 420m2，该电站平均年发电量为33.28kWh。在采用低功耗的逆变器及其他原材料的情况下，这些电量被居民就地使用或并入电网时，每年可为电网节约标煤119.81t，减少烟尘的排放量约1.8t，减少二氧化碳的排放量约313.9t，减少二氧化硫的排放量约为2.64t，其他氮氧化物的排放量减少0.89t。在其经济使用寿命为25年的情况下，将光电转换效率衰减因素计算在内，该光伏发电站将总共节省标煤效衰减因.21 t。由此可见，屋顶光伏发电既节省了能源消耗，同时也减少了污染物排放，长远来看还将产生可观的经济效益。

4 结语

在上海用电负荷与日俱增、环境问题日益突出的现状下，由于上海太阳能资源丰富、光伏发电可利用居民屋顶的特点，开发和利用太阳能资源成为必然的选择。通过分析上海光伏资源分布和居民用电负荷特点，研究了将光伏发电接入电网和用户直接使用时可能出现的问题。

在实际应用中，可通过安装相应的功率补偿装置、防孤岛保护等措施来满足并网的标准，以降低对电网的影响，通过安装双向电能表或两个电能表来实现合理的用电记录。实例表明，居民光伏发电不但能满足用户的部分负荷，还能产生可观的节能减排效果。

［1］ 邱宇晨，张勇，崔蓓蓓.上海地区分布式电源及其对电网影响初探［J］.供用电，2009，26（3）：16-19.

［2］ 王仁祥，王小曼.终端用户分布式新能源接入智能配电网技术研究［J］.电力系统，2010，8，58-62.

［3］ 张垠.居民太阳能光伏发电并网引起的问题研究［J］.供用电，2009，26（4）：37-39.

［4］ 肖勇，王恒山，杨俊保.上海居民用电特点分析及需求侧管理的应对措施［J］.上海电力学院学报，2009，25（6）：614-621.