新型智能户用光伏系统

黄 勇

（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）

新型智能户用光伏系统

黄 勇

（上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241）

目前的户用光伏系统应用形式还只是简单的独立或并网系统，其应用领域和初衷还只局限于偏远无电少电地区、供电质量较差地区等，其系统可靠性、稳定性、经济性等指标较差，应用局限性较大，无法大规模推广应用。现提出一种新型智能的户用光伏系统，并研究其原理、控制策略、实现过程、应用形式等。经研究表明，该种新型智能的户用光伏系统可广泛应用于乡村和城市，有利于分布式光伏发电系统的大量推广应用。

太阳能；光伏系统；分布式；户用光伏；智能微网

1 引言

太阳能作为一种新型、环保、洁净的可再生能源，近年来越来越受到人们的普遍关注，在政策方面国家也对太阳能的发展给予了大力扶持。太阳能必将成为未来能源开发利用的一个重要方向。

2013年至2014年期间，国家先后出台的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》、《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》等政策，分布式光伏发电应用得到了高度的重视。

在我国，相比于大规模集中式地面光伏电站，分布式光伏发电有着诸多优势，它是以就近发电，就近并网，就近转换，就近使用为原则，省去升压及长距离输电的过程，系统损耗小效率高。系统容量一般相对较小，分散式，在用户侧并网发电，电压等级低，对电网冲击影响小等。系统可广泛安装于工业厂房屋顶、公共建筑屋顶及幕墙、民用建筑屋顶及阳台等，不占用额外的土地资源，应用方式灵活，同时光伏材料还能有效降低建筑物自身的能耗，环保效益及经济效益显著。

户用光伏系统作为分布式光伏发电的一个重要组成部分，可广泛应用千家万户的建筑物屋顶。假如全国有 800万户家庭安装了户用光伏系统，平均每户安装 3KWp，则装机总容量将超过三峡工程的总装机容量。户用光伏系统的各方面效益皆非常可观。

目前户用光伏系统的应用形式主要有简单的独立系统和并网系统，系统应用层次比较低，系统效率、稳定性、可靠性和经济性等比较差，只能实现简单的光伏发电功能，没有统筹从分布式发电、用户高效经济可靠用电、电网要求等多角度统筹规划，没有兼顾用户、电力公司、管理部门等多方面利益或需求，不能适应未来长远发展。

针对现有户用光伏系统存在的诸多问题，现提出一种新型智能的户用光伏系统，并对其原理与应用进行深入研究。

2 新型智能户用光伏系统

2.1对目前已有几种户用光伏系统的分析

现在普遍应用的户用光伏系统有离网型(独立)户用系统和并网型户用系统，如图1和2所示：

图1　离网型户用光伏系统

图2　并网型户用光伏系统

离网型户用光伏系统主要由太阳电池组件（光伏组件）、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器等组成，光伏组件将太阳辐射能转换直流电能，并通过光伏控制器对蓄电池进行充放电控制。光伏控制器一方面可直接输出直流电为直流负载供电，也可通过离网逆变器将直流电转换为交流电为交流负荷供电。

离网型户用光伏系统结构比较简单，功能也比较单一，其光伏控制器一般不带mppt（最大功率点跟踪）功能，光伏效率较差。离网逆变器的功率因数一般只有0.8左右，转换效率一般也只有 80%多一点，损耗高，带负荷能力差，对非阻性负荷一般需要降容量运行，否则逆变器很容易遭受冲击而损坏模块。系统成本一般较高，稳定性、可靠性较差。

并网型户用光伏系统和离网型相比省去了光伏控制器和蓄电池。光伏组件将太阳能转换直流电能后，经并网逆变器将直流电转换为交流电为本地负荷供电，不足部分由市电补充，若有富余电力则反馈入公共电网。进户表箱中的电表具双向计量功能。并网型户用光伏系统相比离网型户用光伏系统，其功能有了很大改进，其效率一般较高，可在95%以上，满功率功率因数一般不低于 0.99。在电网稳定的情况下，系统稳定性、可靠性相对较高。但该种并网型户用光伏系统也存着诸多缺点：

（1）对电网依赖性较高，一旦电网出现故障或电网进户端电能质量较差，则系统无法工作；

（2）由于太阳能具有间歇性和随机性，光伏电力输出不稳定，对电网具有冲击性；随着户用光伏系统装机数量和容量不断增大，该种影响会越发明显，对电网结构和电网吸纳分布式光伏的能力也提出了越来越高的要求。

（3）在低功率运行时，光伏电力的电能质量较差，对电网具有谐波污染；

（4）该系统无法针对用户端的负荷需求、消费时段进行有针对性的统筹规划和智能供电。例如：太阳能发电的高峰时段往往并不是户用负荷消费的高峰时段，白天的富余光伏电力只能低价卖给电力公司。晚上户用负荷高峰时，太阳能已不发电，此时用户又只得高价从电网购电。用户的光伏发电和用电的经济性较差。

（5）由于该系统自身具有不稳定性等诸多缺陷，从削峰填谷、统一调度、稳定电网等功能要求方面，还无法满足电力公司和有关管理部门的要求。但为了吸纳更多的分布式能源，从某种意义上说也只得推广坚强智能电网。

因此，从解决问题的另一个角度考虑，有必要提出一种能够满足用户经济用电需求，能实现稳定输出，对电网冲击小，电能质量高，能接受电网调度，稳定、可靠、经济、智能新型的户用光伏系统。

2.2新型智能户用光伏系统

2.2.1系统总体设计

新型智能的户用光伏系统需包含性价比较高的储能装置、智能控制系统，用以平滑光伏发电的间歇性和不稳定性，实现光伏发电的最有效性、用户用电的最经济性、系统运行的最稳定可控性。

新型智能的户用光伏系统的总体结构原理图，如图3所示：

图3　新型智能的户用光伏系统的总体结构原理图

图3中，并网逆变器、双向(储能)逆变器、智能控制器各自为一个独立的设备，其中智能控制器可集成安装在户用智能光伏配电箱中。该种结构，可充分利用市场已有成熟产品进行系统集成，但多台设备占用户用空间稍大，效率稍有损失。

为了节省空间，优化系统效率和功能，可对图2-3所示系统进行升级优化。图 4所示为升级优化后的新型智能户用光伏系统的总体结构原理图：

图4　升级优化后的新型智能户用光伏系统的总体结构原理图

多功能智能混合逆变器包含了并网逆变、双向(储能)逆变、智能控制与通讯等多功能于一体，体积相对较小、效率高、智能控制功能全，响应速度快，切换时间不超过10ms，其系统原理图如图5所示：

图5　多功能智能混合逆变器系统原理图

根据需要还可对其进行风力发电、柴油发电机发电、其它新能源发电的功能拓展，扩大系统适用范围。

2.2.2系统组成

图 3所示的新型智能户用光伏系统由光伏阵列、储能电池、并网逆变器、双向（储能）逆变器、户用智能光伏配电箱（含对外通讯及监控的接口）、改造后的原进户配电箱、计量装置等。

改造后的原进户配电箱中增加光伏并网接入点、储能并网接入点、静态开关、检测与控制装置等。

计量装置目前主要包括光伏补贴电表、双向电表，一般在完成规定审批流程后，由电力公司免费提供。

在我国，从未来长远考虑，鼓励户用光伏系统安装储能装置、配置储能补贴电表，这将是必然的趋势。在储能补贴政策方面，德国和日本的经验值得我国借鉴。

图 4所示的升级优化后的新型智能户用光伏系统主要用多功能智能混合逆变器取代并网逆变器、双向逆变器、控制装置等。

多功能智能混合逆变器内部主要包含带 mppt功能的DC/DC、用于对储能电池进行充放电控制的双向DC/DC、双向DC/AC功率模块、检测与控制模块等。

2.2.3系统原理与功能实现

（1）新型智能的户用光伏系统

图 3所示的系统中，光伏阵列在接收太阳光照后，根据光生伏打效应会在并网逆变器的直流侧产生直流电压。此直流电压对光伏阵列来说为直流开路电压，电流为0，对并网逆变器来说为直流输入电压。与此同时，并网逆变器会实时在线检测并网点电网状态，在电网状态正常、符合并网条件后，经过一段时间延时会闭合并网继电器（或接触器）。在并网逆变器直流输入端，并网逆变器会根据mppt最大功率点跟踪的算法对光伏阵列进行最大功率输出跟踪，根据光伏阵列的IV特性曲线，调节直流开路电压至最大功率点电压。

双向逆变器会根据电池容量和智能控制器的控制要求进行充放电控制。

智能控制器对并网逆变器、双向逆变器、并网点、用户负荷、电网公共连接点PCC等进行监控，并实时响应电力公司远程监控和调度指令，并可根据需要采集互联网天气预报信息，用于功率预测。也可以根据需要在本地安装环境监测仪，用于日照、风速、风向、温度等环境参数监测，但对于户用系统来说，成本太高，一般不太适用。

储能电池对于户用系统来说，一般配置太阳能专用胶体电池，但随着未来锂电储能技术的成熟及成本的进一步降低，户用系统更适宜采用锂电进行储能。

系统工作原理及详细的控制策略如下：

①白天、市电正常、峰值用电

若白天光照充足，市电正常，光伏所发电力经光伏并网点接入经改装后的原户用进户配电箱的交流母线上。光伏所发电力会优先为本地负荷供电。若此时蓄电池的SOC(荷电状态)低于预设值，则双向逆变器会处于为蓄电池进行充电的工作状态。此时处于充电中的蓄电池对于并网点交流母线来说相当于是本地负荷用电，因此光伏所发电力会同时为本地原有户用负荷及蓄电池供电。当蓄电池充满时，光伏所发电力只为本地原有户用负荷供电。

对于户用系统来说，除了双休日和节假日，白天工作中的户用负荷一般较少，光伏所发电力有富余，则会自动逆潮流反馈入公共电网。该过程皆为系统自动调节进行，并符合分布式发电的自发自用、余电上网的原则。

若白天为阴雨天或多云天气，光伏所发电力不足或不稳定，对于图 3所示的系统，若光伏电力不能满足重要负荷供电，则储能电池一般不在白天进行充电，除非其荷电状态处于报警值时，才可对其适当充电以消除报警状态，因为此时的充电工作会消耗市电，经济性差。 若光伏电力能满足重要负荷供电，还有剩余，可根据需要适时切断次要负荷和一般负荷，以将剩余光伏电力供蓄电池充电。

在白天，若因天气原因，光伏发电波动较大，此时蓄电池会具备一个重要的作用，即跟随平滑缓冲光伏发电的波动，并提高并网电能质量，对公共电网连接点PCC来说,确保所受的光伏电力的波动和冲击很小，谐波较小，符合电网公司对光伏电力的期望。该功能的实现是通过智能控制器、并网逆变器、双向逆变器、储能电池的协调、配合、控制完成的。

智能控制器预留通讯和控制接口，一方面负责采集和控制系统内部各设备、部件、开关等，完成系统功能，另一方面接受家用电脑的监控和远程监控，同时预留电力公司SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统接口，用于接受电网监控和调度。电力公司对光伏发电的监控和调度主要体现在：实时监测光伏发电的状态、出力情况、电能质量，当检测到光伏不能满足并网要求或光伏故障时，则切断光伏并网接入点和储能并网接入点开关。在市电故障或检修时，同样切断光伏并网接入点和储能并网接入点开关。若有必要，根据有关机制调用其储能装置进行短时削峰填谷、平抑电网波动等。

在功率预测机制方面，户用业主可根据远程传送的未来几天天气信息，及时调整蓄电池充放电时段和过程，达到光伏发电稳定性和用电的经济性。例如：预测未来几天会是阴雨天，则在用电谷时段对蓄电池多充电，以弥补第二天光伏发电的出力不足和平滑波动所需的更多消耗；若预测未来几天为晴好天气，则在傍晚太阳能不发电时，可对蓄电池放电多一些，多供一些储存的光伏电能，节省市电峰时段的电能消耗，在用电谷时段时也可通过市电对蓄电池少充电或不充电，提高用电经济性。 对电力公司来说，光伏功率预测机制有助于及时调节电网出力，有益于电网的调度和保障电网的安全和稳定性。

在负荷平移机制方面，智能控制器对于不可时间平移的负荷按常规机制供电，如冰箱、家用安防设施的供电等。 对于可时间平移的负荷，如：洗衣机、电热水器、电动汽车充电桩等，则优先在光伏发电高峰时段供电，优先使用光伏电力，否则优先在市电谷值时段供电。

②晚上、市电正常

在傍晚，光伏不再发电，此时居民用电处于高峰，电价处于峰值。此时可将储能电池储存的一部分光伏电能释放出来供本地负荷使用，这样可以节省居民电费。储能电池的放电深度达到预设值后，则停止放电，接着本地负荷用电完全由市电提供。

夜深时，电价处于谷值，以上海地区为例，该时段为晚上22:00至第二天6:00，根据需要和功率预测机制可通过市电对蓄电池充电，以备第二天使用。

③市电不正常

若市电突然断电或市电不稳并超出允许范围，例如电压、频率超差等，则并网逆变器会进入孤岛保护状态，双向逆变器会先进入孤岛保护状态，并进一步等待智能控制器指令。若智能控制器检测到公共电网已处于故障状态，则其会立刻切断PCC静态开关，确保户用系统与电网隔离。

在切断户用系统和电网的连接后，智能控制器仍会实时在线检测电网侧状态，若电网又恢复正常，则经过一段时间延时后，智能控制器又会启动并网操作。

在切断户用系统和电网的连接后，智能控制器会控制双向（储能）逆变器迅速进入离网运行模式。此时双向逆变器通过蓄电池供电，由电流源转换电压源，输出电压正弦波形，户用系统将由双向逆变器构建局部电网，确保为本地重要负荷供电，转换时间控制在10ms以内，以保证重要负荷不受影响。

此时并网逆变器会自动检测其交流侧的电网状态，若其检测到经双向逆变器构建的局部电网处于稳定状态后，经过一段时间的延时机制后，并网逆变器由孤岛状态重新进入并网状态，只是此时并入的是双向逆变器构建的局部电网，而不是公共电网。若光伏发电的电力大于重要负荷的用电量，则智能控制器会根据光伏出力情况逐步接入一般负荷。次要负荷在离网运行状态下，不供电。

在阴雨天或晚上，光伏电力较弱或光伏发电不工作，系统只保证重要负荷供电。在系统储能电池放电深度大于预设值时，系统停止对外供电，但仍然保持对光伏和市电的实时在线监测，以便在条件符合时接入光伏电力和市电为负荷供电。

对于图 3所示的系统，在目前市场已有的双向（储能）逆变器产品中，在某一时刻，一般只能单向充电或单向放电，不能在同一时间同时进行充放电，有待进一步改进完善。对于图4所示的系统则不存在此缺陷。

在离网运行模式下，智能控制器会实时检测公共电网的状态，若检测到电网已恢复正常，并经过一段时间延时后，则智能控制器会首先根据实时检测到的公共电网的参数控制双向（储能）逆变器调节其输出的电压频率、相位等参数以便跟随公共电网，在达到同期要求后，闭合PCC静态开关，从而实现无缝切换，以减少光伏系统对公共电网的冲击，提高并网电能质量。

双向（储能）逆变器重新并网接入公共电网后，则由电压源状态转换为电流源状态。此时并网逆变器也会自动并入公共电网。

（2）升级优化后的新型智能的户用光伏系统

图4所示系统是对图3所示系统的升级和优化，它将智能控制器、并网逆变器、双向(储能)逆变器等部分的功能进行了优化设计集成，其结构得到简化，功能更加完善。

在工作原理与控制策略方面，该种系统和图 3所示系统基本相同，不同点主要有以下几方面：

①若白天为阴雨天或多云天气，光伏所发电力不足或不稳定，仍然可以根据需要控制光伏发电优先为储能电池充电。重要负荷等负荷均不受此控制策略机制影响。

②该种系统可以在同一时间同时进行充放电控制，适应范围更广。

③模式控制及转换速度更快。

（3）系统工作流程

系统工作流程如图6所示：

图6　系统工作流程

图中“P光伏”为光伏发电功率，“P充”为蓄电池充电功率，“P负荷”为负荷用电功率。

（4）系统计量分析

光伏所发电力经过光伏补贴电表计量后，接入光伏并网点。在并网点交流母线上，光伏所发电力优先为本地负荷负荷供电，富余电力经双向电表计量后反馈入公共电网。

目前，在申报户用光伏系统获批后，由电力公司免费更换光伏专用双向计量电表，同时室外新增光伏补贴电表。按光伏未来可持续发展方向，同时借鉴国外先进经验，发展储能、增加储能补贴也势在必行。

目前电力公司结算方式为：

光伏电量=补贴电表的正向计量值（反向不计量）

电力公司收购的光伏上网电量=进户双向电表的反向计量值。

光伏补贴分国家补贴和地方补贴，目前国家对分布式光伏发电的补贴一致，地方各不相同。

余电上网的光伏电量由电网企业按当地燃煤机组标杆上网电价收购。

对于图 4所示系统结构，由于考虑了储能，对于用市电为蓄电池充电，在放电时若获得光伏补贴显然是不合理的，因此需约定如下计量方式：

光伏电量=补贴电表的正向计量值-补贴电表的反向计量值

（5）系统特性与优点

系统有如下特点和优点：

①系统对电网依赖度低，应用范围广；

②系统稳定性、可靠性、安全性高；

③系统输出稳定，对电网无冲击，电能质量高；

④系统更易融入电网，服务电网，不再受电网排斥，客观上能减少国家因吸纳光伏发电而不得不增加的电网结构投资；

⑤系统智能化程度高、控制策略优异，能接受电网调度，具功率预测等功能；

⑥系统经济性好，环保效益高，能兼顾多方需求；

3 结论

该种新型智能户用光伏系统能克服一般光伏发电间歇不稳定、对电网冲击、经济性差等缺陷，能充分提高光伏系统效率和利用率，对电网融入度高，有利于促进光伏系统长远可持续大规模发展。

该种新型智能的户用光伏系统应用范围广泛，不仅可用于经济不发达地区的偏远山区、农村、海岛等，也可大量应用于经济较发达地区的乡间居民屋顶、城乡别墅或大量应用于城市居民建筑屋顶或维护结构，应用前景广阔，适合大规模推广应用。

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A new intelligent household photovoltaic system

The current user application form of household photovoltaic system is just a simple stand-alone or grid connected system. It’s application field and the original intention is only confined to remote areas without electricity or less electricity,areas with poor power supply quality, etc. Some indicators of it are poor,such as reliability,stability,economy,etc. It’s application limitation is bigger, can't be large-scale popularized and applied.A new intelligent household photovoltaic system is now proposed and the principle, control strategy, implementation process, application forms etc. are researched. The study shows that this new type of intelligent household photovoltaic system can be widely used in the city and rural households. It is conducive to promote the use of the distributed photovoltaic power generation system.

Solar energy;Photovoltaic system;Distributed;Household photovoltaic;Intelligent micro grid

TK51

A

1008-1151(2015)04-0053-05

2015-03-12

黄勇（1974-），男，江苏宿迁人，上海太阳能工程技术研究中心有限公司技术工程师，研究方向为光伏系统设计、新型光伏组件与光伏支架设计。