光伏直驱系统运营效益计算探索

珠海格力电器股份有限公司 ■ 唐政清 钟金扬 李伟进

0 引言

光伏直驱系统是利用光伏能直流电直接驱动负载，且能在光伏电能富余时将光伏直流电逆变为交流电反馈电网供其他用电设备使用，并能在光伏电能不足时从电网取电实现混合供电保证。典型的有格力电器股份有限公司首先推出的光伏直驱变频离心机系统[1]。

针对这些新出现的系统，如何评价其运营效益成为当前研究的热点。本文引入光伏能直驱保证率来评价光伏直驱系统的运营效益，光伏能直驱保证率在光伏直驱系统中有极其重要的意义，是体现系统优势的最重要参数之一。本文结合光伏直驱变频离心机的实例，提出光伏能直驱保证率具体的计算思路和方法，为该类系统工程应用提供参考。

1 光伏能直驱保证率的含义

光伏直驱系统的突出优势是直接使用光伏能，无需通过其他任何的转换装置。光伏能直驱保证率正是体现该系统优势的最重要参数之一。光伏能直驱保证率指在某个时间段，在一定的匹配选型下，光伏直驱系统自发自用的电能在光伏直驱系统负载总耗电量中的比重，是系统运营统计数据。

2 光伏能直驱保证率的意义

提高光伏能直驱保证率对光伏直驱系统有非常重大的意义。直驱保证率越高，光伏直驱系统中自发自用的电量就越大，而自发自用直接使用光伏能显著提高了电能的利用效率，可有效提高工程运营效益。以400 kW装机负载容量为例，假设：

1)设备平均工作时间为每天10 h；

2)相对普通的光伏发电站供电系统，光伏直驱系统可提高光伏能利用率8%[1]；

3)光伏能直驱保障率提高到90%。

则相比一般的光伏系统每年可节电：400×10×8%×90%×365=105120 kWh。

若商业用电电价为0.9678元/kWh(1～10 kV)，则每年收益可增加105120元。

而以每年省电105120 kWh计算，相当于节省燃油2.65万L或节省标准煤36.71 t；也意味着少排放101.67 t二氧化碳，1.20 t的二氧化硫和0.44 t氮氧化物；同时减少因火力发电产生的27.74 t粉尘，节约40788万L净水。

可见，光伏能直驱保证率反映了光伏直驱系统的能源管理利用情况，对系统运营效益和节能减排具有显著意义。

3 光伏能直驱保证率的计算

3.1 直接计算法

以光伏直驱变频离心机为实例，典型的光伏直驱系统示意图如图1所示。

图1 光伏直驱系统示意图

光伏能直驱保证率ψ计算中，最关键是要识别出自发自用的电能，即光伏阵列直接流向负载的电能。

假设：Q1为自发自用的电能；Q2为负载消耗的电能；P2为负载消耗的功率；P3为光伏能发电的功率。

在实际系统中，P2和P3均为一条跟随时间变化的曲线，分别为P2(t)、P3(t)。

每一时刻自发自用的电能取决于这一时刻P2(t)和P3(t)功率的差值对比。当P2(t)≤P3(t)时，自发自用的电能等于负载消耗的电能；当P2(t)>P3(t)时，自发自用的电能等于光伏发电的电能。现在考察t1～t2时间段的情况，自发自用的电能为：

假设Min[P2(t)，P3(t)]代表P2(t)和P3(t)的较小者，则

光伏能直驱保证率：

3.2 间接计算法

假设：Q3为光伏能直流的电能；Q4为从电网消耗的电能，正值代表从电网取电耗电，负值代表向电网送电发电；Q4′为从电网往负载方向消耗的电能，为正值；Q4′′为负载方向往电网输送的电能，为负值；Q5为换流器和变压器的损耗电能。

根据能量守恒，从电网消耗的电能为双向电表的从电网往负载方向消耗的电能与负载方向往电网输送的电能之差，即：

负载消耗的电能为光伏能直流的电能，加上从电网消耗的电能再扣除换流器和变压器的损耗电能，即：

自发自用的电能为负载消耗的电能与从电网往负载方向消耗的电能之差，即：

故光伏能直驱保证率为：

考虑到对于用户来说，机载换流器和变压器为系统必须的部件，故在一般工程中，其损耗电能可看作负载消耗的电能。将Q5并入负载消耗后的光伏能直驱保证率ψ1为：

3.3 两种计算法的对比和差异分析

从式(3)可知，直接计算法需实时记录负载的功率曲线、光伏能直流发电的功率曲线，并对两条曲线的相交点进行分段积分运数。在实现方式上，需专门采用高速传感器和高速芯片对功率曲线进行采样、计算和存储，而这些设备的耗资需额外增加。

从式(8)可知，间接计算法仅需直流电表的电能数据和电网侧交流电表双向电能数据，将需计算时间段起止的3个电量读出，通过简单的运数就能实现。而直流电表和交流电表是光伏直驱系统必备的计量电表，无需附加额外设备。两种计算法的对比如表1所示。

表1 两种计算法的对比

严格来讲，这两种计算法的结果存在一定差异，主要在于间接计算法对负载消耗的电能根据工程实际情况进行了简化计算，将换流器和变压器的消耗看作负载消耗所导致。两种方法的差异实际为式(7)和式(8)的差异。参照目前国内光伏并网逆变器效率状况[2]，根据行业一般逆变器效率推算的换流和变压损耗，约占负载消耗电能的3%，即式(7)中的Q5约为负载消耗电能Q2的3%。根据式(8)计算的光伏能直驱保证率两种计算法的差异见表2。

对于光伏能和负载功率配比为1∶1的直驱系统，在不经过任何系统级算法处理的情况下，本例系统的光伏能直驱保证率能达到50%以上。从表2可看出，差异将小于1.5%，在通过系统级算法手段处理提高的情况下，差异更小。故在实际光伏能直驱系统工程中，这两种计算法的差异对运营统计数据的评价没有影响。

表2 两种计算法的差异

通过以上对比，使用间接计算法充分利用了系统已有设备，实现方法简单、耗费低，能满足实际工程要求，可作为光伏能直驱保证率首选的计算方法。

4 结语

本文对光伏直驱系统的运营效益进行了初步探索，引入光伏能直驱保证率的概念，从光伏能的管理和运用角度分析其对运营效益的意义。结合了光伏直驱变频离心机系统工程实际，详细介绍了两种计算光伏能直驱保证率的方法。得出如下结论：

1)光伏能直驱保证率反映了光伏直驱系统的能源管理利用情况，是运营效益重要的评价指标，可在直驱系统中计算和运用。

2)有两种方法可对光伏能直驱保证率进行计算，根据两种计算方法的对比来看，优选间接计算法作为实际工程的计算方法。

[1]帅鹏坤.格力光伏离心机再获“国际领先”认定登顶国际制冷技术制高点[N].羊城晚报，2013-12-24(A23).

[2]段光复，段伦.薄膜太阳电池及其光伏电站[M].北京：机械工业出版社，2013.