浅谈分布式光伏发电并网技术与实践应用

白正

【摘 要】随着工业化的不断增长，能源消耗与环境保护之间的矛盾日益突出，自然界的一次能源（石油、天然气、煤炭）储量有限，已经不能解决电力的长期稳定供应问题，同时还存在严重的环境污染，积极开發可再生的绿色新能源迫在眉睫。太阳能是一种理想的可再生资源，开发和利用太阳能，有利于经济和社会的可持续发展。笔者在课外实践活动中，走访了供电企业与分布式光伏发电项目业主，现场参与了屋顶光伏发电并网项目建设，完成了社会实践论文。本文针对分布式光伏发电原理、并网设计技术、实践案例分析进行了分析研究，论述了光伏并网发电项目前景良好，意义深远。

【关键词】光伏发电 并网技术 实践应用

近年来，我国光伏发电装机容量迅速增长，截至2014年底，国内光伏发电累计装机容量2805万千瓦，年发电量约250亿千瓦时。从长远来看，太阳能是取之不竭，用之不尽，是一种理想的可再生能源。据测算，我国国土面积2/3以上的地区，每年的日照量都在2000小时以上，有巨大的开发潜能。同时由于国家推行较高的发电补贴政策，光伏并网发电成为精准扶贫、居民投资增收的得力手段。用屋顶面积安装中小型太阳能发电可以节约土地资源，是一种方便可行的方法。为此，笔者倡导大力发展屋顶太阳能光伏发电，并在课外学习活动中进行了研究和实践。

1 光伏发电的原理及优越性

（1）光电转换原理：光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光伏发电的原理就是由光子（光波）转化为电子，形成电压，建立电流回路将光能量转化为电能量。

（2）光伏材料：光伏材料是将太阳能直接转换成电能的材料，又称太阳能电池材料，只有半导体材料具有这种功能。目前可以制作太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于地面并且已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其中我国已经投入商业生生产的单晶硅、多晶硅，较经济且常用的是多晶硅。

（3）分布式光伏发电系统指在用户所在地附近，利用太阳能进行发电，不以大规模、远距离输送电力为目的，所生产的电力以用户自用、余量上网为主要消纳方式的发电系统。现有的分布式光伏发电包括并网型，离网型及多能互补微电网等应用形式。光伏并网发电系统把光能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过光伏并网逆变器，把电能送上电网。并网光伏发电系统由太阳电池方阵、连接器、并网逆变器、电网等部分组成。如图1所示。

（4）分布式光伏发电的优越性主要有三个方面：一是系统相互独立，安全性高；二是能源取之不尽，属清洁能源，大大减小环保压力。三是土建和安装成本低，可实现无人值守，维护成本低；存在的主要问题发电量是受气候环境影响较大。

2 光伏发电系统并网设计

分布式光伏系统并网设计主要考虑因素的有并网模式、并网电压、并网接入点、计量装置和安全措施等。

2.1 并网模式选择

分布式电源的并网模式有全部自用、全额上网和自发自用余量上网三种模式，用户根据自身特点，可以自行选择。全部自用模式是指发电量全部用于自用，不向电网输送，发电量不足时，由电网供电；全额上网模式是指发电量全部输入电网；自发自用、余量上网模式是指发电量先满足客户用电需求，剩余电量向电网输送，发电量不足时，由电网供电。

2.2 并网电压的选择

分布式电源并网电压等级可根据装机容量进行初步选择，根据国家电网公司相关设计规范，一般情况下，装机容量8千瓦及以下接入220伏，8千瓦以上至400千瓦接入380伏，400千瓦以上至6000千瓦接入10千伏。最终并网电压等级应根据电网条件，通过技术经济比选论证确定，若高低两级电压均具备接入条件，优先采用低电压等级接入。

2.3 并网点的选择

分布式电源与电力用户在同一场所，发电量“全部自用、自发自用剩余电量上网”，接入用户侧。分布式电源与电力用户不在同一场所情况，接入公共电网。为保证设备和人身安全，并网点要有明显断开点和标志，安装专用开关，明确指示开关是“合上”还是“断开”，并在线路短路等故障情况下可以快速断开故障电流，有自动检测电压功能，失压时自动跳闸，电压恢复时自动合闸。

2.4 计费装置的选择

为准确计量发电量、上网电量、下网电量（客户向电网购买的电量），并网时应安装多功能电能表，并纳入供电企业并网（发电）多功能电能表监测系统采集相关发电量、电压、电流等及日运行数据，方便及时发现设备故障。

2.5 安全装置的配置

在选择光伏发电装置和并网设备时，应按照国家相关技术规范，制定有效的安全措施，配置相关保护装置、防雷装置、接地装置，保证在出现过电流、过电压、失压、频率过高或过低、极性反接、负载过重等异常或故障情况时，能自动断开，有效保证设备和人身安全。

3 20千瓦光伏发电项目（屋顶式）设计案例

某地20千瓦光伏发电项目资料如下：

（1）项目选址在农村住宅区，采用屋顶式，占地约180平米，每千瓦投资预算为8000元。

（2）太阳能电池组件选用多晶硅材料，成本相对较低。并网逆变器采用多组串逆变器，体积小、搬运和安装方便。汇流箱选用智能光伏汇流箱，提供防雷及过流保护，并监测光伏阵列的单串电流、电压及防雷器状态、断路器状态。

（3）采用380伏并网，自发自用，余量上网模式，并网点选在用户侧。在产权分界处配置双向多功能电能表，用于计量上网电量和下网电量（电网向用户提供的电量），在发电设备汇总处安装电能表计量发电量（由供电公司安装）；用电负载前客户可以安装电能表计量用电量，也可计算出用电量=（发电量-上网电量）+下网电量。接线图如图2所示。

注：图中QF—低压断路器 QS—低压隔离开关

（4）光伏发电项目益分析：

笔者对该电站2015年发电收益进行统计分析如下：

发电容量：20千瓦，本地区上网电价为0.3205元/千瓦时，补贴电价为0.42元/千瓦时，建站成本为159000，累计年发电量28956千瓦时，上网电量28501千瓦时，自用电量455千瓦时。

年用电节约电费=自用电量×自用电价=455*0.477=217.04元①

年上网电费=上網电量×上网电价=28501*0.3205=9134.57元②

年补贴电费=总发电量×补贴价格=28956*0.42=12161.52元③

年总收益=①+②+③=217.04+9134.57+12161.52=21513.13元

年收益率（%）=21513.13/159000=13.53%

笔者走访了供电公司和多家分布式光伏发电业主，统计数据表明，即使考虑每年5%的设备折旧，分布式光伏发电资金投入的年平均收益率依然可以达到7-10%。这个收益水平，高于同期银行存款和理财的回报，具有较大的投资价值。（注：根据《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（国发〔2013〕24号文）规定，“上网电价及补贴的执行期限原则上为20年”。）

4 光伏发电的发展前景

分布式光伏发电的发展方向，与政策的引导鼓励、技术发展、建设收益等因素息息相关。笔者认为今后发展趋势如下：一是向屋顶发展，不占用土地。二是向农村发展，大规模布局农村光伏扶贫项目、农光互补项目是政府及能源主管部门明确的引导方向。三是向工业客户配电网络内部发展，可以充分利用已经投入的供、配电设施，实现自发自用，减少电量传输损耗，促进电网经济运行。

5 结语

近年来，我国光伏发电发展迅速，成效显著。按照我国《可再生能源中长期发展规划》，在电网的可消纳的范围内，增加新能源发电比例，减少燃煤发电比例，有利于环保及经济可持续发展，具有深远的现实意义。

参考文献：

[1]国际低碳经济研究所.中国低碳经济发展报告[M].北京：中国社会科学院社会科学文献出版社，2014.

[2]国家能源局.2014年度中国太阳能发电建设统计评价报告[M].北京：2014.

[3]国家电网公司.分布式光伏发电接入系统典型设计[M].北京：2012.