基于PVsyst的家庭光伏发电系统设计与研究

石多峰，罗振鹏，张思清，王淑玉，张志艳

(内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特 010080)

户用光伏以其可就近消纳、发电过程无污染、国家政策支持等优点获得了快速发展。近几年，光伏上网电价和补贴政策逐渐下调，光伏发电面临平价上网[1-2]，在这样的发展背景下，户用分布式光伏发电技术及其发展有待进一步研究。本文以呼和浩特地区一户5 kW 家庭用电负荷为研究对象，通过PVsyst 软件对家庭光伏发电系统进行设计和优化，并从发电量、发电损失、经济效益三方面进行分析。

1 家庭光伏发电系统类型

家庭光伏发电系统根据系统结构、能量流动、结算方式分为三种类型[3]：全额上网发电系统，自发自用余电上网发电系统和离网自用发电系统。全额上网系统能量流动最简单，光伏所发电量全部上网，家庭负荷从电网获取电能。自发自用余电上网发电系统配置有光伏和蓄电池，能量流动最复杂。光伏输出具有波动性，加入蓄电池可减少并网运行时对电网的冲击，减少弃光现象，提高供电可靠性。光伏所发电量优先供给负荷，无负荷时优先给蓄电池充电。当电池处于充满状态也无负载时，多余电量向电网出售。光伏和蓄电池都无法给负载供电时由电网供电，保证供电可靠性。该系统电池能量不会反馈至电网，具有较好的经济效益。离网自用发电系统在有光照时优先由光伏供电，无光照时由蓄电池供电，并通过电池控制器对蓄电池合理充放电，一般用于偏远牧区。

2 基于PVsyst的家庭光伏发电系统设计

2.1 地理气象数据设置

进行系统设计时，PVsyst 首先根据地理参数新建地点，并从Meteonorm 中导入相应地理气象数据。呼和浩特一户家庭地理参数为东经111.66º，北纬40.8º，海拔1 040 m，其气象数据如表1 所示。

2.2 房屋模型建立

导入地理气象数据后，需要确定光伏板最佳倾斜角和方位角。北半球大多数情况下，方位角选择正南方向[4]，三个系统均为0º。倾斜角根据系统类型选择，对于全额上网和自发自用余电上网系统，全年要保持发电量最大化，倾斜角为39º；离网自用系统以冬季发电量满足负荷为主，倾斜角为62º。呼和浩特市区建筑屋顶多为平面，适合光伏板的铺设与安装。本文房屋模型以平坡屋顶建筑为模板，长30 m，宽12.7 m，高18 m，PVsyst 中该户家庭房屋模型如图1 所示。

表1 呼和浩特地区气象数据

图1 房屋模型

2.3 家庭负荷参数设置

房屋模型建立后，通过调查分析获得该地区家庭日负荷数据，如表2 所示。软件中选择全年日负荷相同进行仿真，日用电9.8 kWh，月用电294.3 kWh，年用电3 580.3 kWh。

表2 家庭日负荷数据

2.4 系统参数设置

在确定光伏板最佳倾斜角、方位角，房屋模型，负荷数据后，根据家庭光伏发电系统类型设置光伏板、逆变器和蓄电池等参数。三种系统均采用型号为LR4-72 HPH 430 M 的光伏板，其参数如表3 所示。

表3 光伏板参数

为对比分析全额上网和自发自用余电上网系统，二者均配置光伏板12 块。光伏板分为两串，每串由6 块光伏板串联组成。光伏板安装面积27 m2，标称功率5.16 kW。离网自用系统选用光伏板时，PVsyst 依据家庭负载缺电率5%、仅蓄电池供电两天以及负荷参数等情况，配置光伏板8 块。光伏板分为四串，每串由2 块光伏板串联组成。光伏板安装面积18 m2，标称功率3.4 kW。根据光伏板安装方式和容量，全额上网系统选用一个功率为5 kW 的并网逆变器；自发自用余电上网系统选用一个功率为5 kW 具有储能功能的并网逆变器；离网自用系统选用一个功率为3.5 kW 具有储能功能的离网逆变器。

离网自用系统依据无光伏输入独立运行两天情况选配电池容量。系统选用20 个额定电压12 V，容量100 Ah 的铅酸电池组成电池组。电池组分五组并联，每组由4 个铅酸电池串联。电池组额定电压48 V，容量500 Ah。PVsyst 中电池标称容量表示为C10。

自发自用余电上网系统根据负荷参数、光伏发电量、电池组需存储1～2 天的用电量以及电池充放电速度选配电池容量。系统选择8 个额定电压12 V，容量100 Ah 的铅酸电池组成电池组。电池组分两组并联，每组由4 个铅酸电池串联。电池组额定电压48 V，容量200 Ah。

2.5 损失参数设置

热损因数K设定为K=Kc+Kvv，其中Kc为29.0 W/(m2·k)，Kv为0 W/(m2·k)，v为风速，m/s。设定标准测试条件(STC)下布线损耗分数为1.5%。模块效率损耗定义为平均有效模块效率相对于制造商规格的偏差，设置为3%。失配损耗是由于在组串模块中，单个组件最低电流驱动整串电流导致的损耗，采用默认值1%。呼和浩特地区常年有风沙天气，灰尘损耗设置为3%。逆变器效率损耗(逆变器自身参数)为3.2%。阴影遮挡损耗，根据光伏电池板间距确定，每日9：00 至15：00不出现遮挡[5]。

3 仿真结果与经济性分析

3.1 仿真结果

通过PVsyst 仿真得出三种家庭光伏发电系统的仿真结果如表4 所示，全额上网系统将光伏产生的电能全部上网售出作为经济收入，年上网电量为8 724 kWh，家庭用电全部从电网购电，年电网购电量为3 580.3 kWh。通过PVsyst 合理配置光伏板和电池组容量，自发自用余电上网系统的年自用电量为3 480 kWh，满足该家庭一年中大部分负荷，仅从电网购电101 kWh，该系统年上网电量为4 792 kWh。系统效益比(PR)是光伏系统总体效率，定义如式(1)所示：

式中：Yf为系统每日可用能量，kWh/kW；Yr在数值上等于阵列平面的入射能量，没有任何损失，kWh/kW。

由表4 可知，自发自用余电上网系统的PR值低于全额上网系统的PR值。两个系统进行PVsyst 设计时，采取相同的光伏板、逆变器以及阵列安装方式，但自发自用余电上网系统增加了电池组，存在1.15%充电损失、1.43%电池内部损失(比如内部电阻、析气效应等)和2.7%电池经逆变器输出损失，导致自发自用余电上网系统可利用能量比全额上网系统减少一部分，因此自发自用余电上网系统PR值相对要小。

表4 PVsyst 仿真结果

离网自用发电系统年发电量为5 468 kWh，年自用电量为3 519.9 kWh，因此用户可以通过该系统满足家庭负荷的需求，但家庭一天中负荷需求大多集中在夜间，需要配置较大容量的蓄电池组，导致投资和维护成本增加，考虑可靠性和经济性，该系统配置500 Ah 蓄电池可满足一年中家庭大部分负荷，但仍存在60.42 kWh 的缺电量，同时光伏板白天产生的能量没有充分利用，因此PR为0.58。

通过PVsyst 仿真获得各系统标准化能量图，可以直观地比较各系统一年中各月份系统每日可利用能量Yf，每日系统损失Ls以及每日收集损失Lc。图2 为全额上网系统标准化能量图，Yf为4.63 kWh/kW，占89.3%；Ls为0.13 kWh/kW，占2.5%，包括逆变器损耗；Lc为0.43 kWh/kW，占8.2%，包括热损耗、灰尘损耗、阴影损耗等。

图2 全额上网系统日均标准化能量图(标称功率5.0 kW)

图3 为自发自用余电上网系统标准化能量图，Yf为4.39 kWh/kW，占84.7%；Ls为0.37 kWh/kW，占7.1%，正如前面PR分析，该系统由于配置蓄电池，增加了与蓄电池有关损耗，导致该系统Yf比全额上网系统Yf少0.24 kWh/kW，这部分计入系统损失，因此自发自用余电上网系统Ls要比全额上网系统Ls多0.24 kWh/kW；Lc为0.43 kWh/kW，占8.2%，与全额上网系统相同。

图3 自发自用余电上网系统日均标准化能量图(标称功率5.0 kW)

图4 为离网自用标准化能量图，该系统倾斜角与前两种系统不同，所以同一地区相同辐照度下组件获取的能量不同，该系统Yf为2.8 kWh/kW，占比58%；Ls为0.28 kWh/kW，占5.9%，包括控制器损耗、电池低效率带来的损耗；离网自用系统光伏阵列的排布与安装以及组件安装容量与前两种系统不同，所以Lc为0.4 kWh/kW，占8.3%；每日未利用能量Lu是指当系统处于“饱和”状态，比如电池已充满电或者负载需求有限，系统产生的能量多于需求而无法利用，本系统Lu为1.34 kWh/kW，占27.8%。设计离网自用系统时，考虑投资与维护成本而减小蓄电池容量，同时家庭负荷集中于夜间，因此白天光伏产生的能量没有充分利用，针对这一问题可将部分夜间负荷在白天使用，以减小用户缺电量，增加系统可利用能量，提高PR值。

图4 离网自用系统日均标准化能量图(标称功率3.5 kW)

3.2 经济性分析

采用净现值法对三种系统进行经济性分析。净现值(NPV)法广泛应用于分析带储能的光伏项目、屋顶光伏项目等[6]。如果净现值大于0，说明项目可以投资；如果净现值小于0，说明项目不可以投资，应当放弃。对于户用分布式光伏发电项目，净现值公式为：

式中：n是投资项目生命周期，本文设定n为25年；NPVin为现金流入量，包括上网收益、自用收益、光伏补贴[7]等；NPVout为现金流出量，包括运营成本、贷款成本、税收等；r为折现率，即净现值为0时的基准收益率[8]，本文取r=8%；Cinv是初始投资。

图5 为依据式(2)计算出的不同家庭光伏发电系统的净现值结果。全额上网系统在有补贴和无补贴时净现值均大于0，在三种家庭光伏发电系统中净现值均最高，因此经济效益最好，但近几年电网对光伏消纳问题愈加重视，国家政策支持有一定消纳比例的光伏项目上网，全额上网系统优势不明显。自发自用余电上网系统在有补贴时净现值为1 852.1 元，仅需从电网购电101 kWh，具有一定消纳比例，符合当前国家政策的要求，因此该家庭可以安装这种光伏发电系统，但该系统在无补贴时净现值小于0，目前仍需要补贴政策保证经济效益。离网自用发电系统虽然符合国家政策要求，但受限于光伏板和蓄电池成本，因此还需要一些优惠政策支持，需要通过提升技术和降低成本来提高经济效益。

图5 不同家庭光伏发电系统净现值结果

4 结论

本文基于PVsyst 对三种户用分布式光伏发电系统进行设计，通过仿真结果分析各系统发电量、发电损失。针对三种系统采用净现值法进行经济性分析，研究结果表明：对于呼和浩特地区家庭户用光伏系统建设，建议安装自发自用余电上网系统。该系统符合国家政策，具有一定消纳比例，有利于电网运行，但目前要具有盈利能力仍需要补贴政策支持。随着光伏上网的电网市场竞争，户用分布式光伏系统需要提升光伏板和蓄电池技术，降低投资成本，才能保证高质量、可持续发展。