作者：端柯羽、趙溢康、梁夢馨

南京工程學院電力工程學院

針對光伏發電問題，提出了一套完整的光伏發電并網、采集與預測體系。首先，詳述了光伏發電并網裝置各個組件的原理，提出了部分改進措施；其次，針對光伏發電實例進行了預測，結果表明，該光伏發電并網裝置不僅可以指導未來光伏發電高效并網，還能在此基礎上取得良好的經濟效益。

0? 引言

正如電力“十三五”規劃所論述的那樣，目前我國正處于深化改革的攻堅期，也是電力工業加快轉型發展的重要機遇期。在這樣的新時期，能源格局進一步調整，環境資源的約束也進一步加強，給我國電力行業的發展帶來了一系列新的挑戰。隨著世界氣候形勢越發嚴峻，人們對清潔能源的需求正不斷增長，加速對清潔能源的開發和利用已經成為電力人義不容辭的責任，電源結構的清潔化必然逐漸成為能源結構調整的主流。

取之不竭、安全可靠、無噪聲污染，不受資源分布地域的限制，建設周期短，獲取能源花費的時間周期短，光伏發電因以上優點在清潔能源建設中占據了很大比重。在光伏發電的用電需求側，對于小區家庭用戶，新能源供電裝置（以屋頂光伏發電裝置為例）大大緩解了能源供給/消耗矛盾，以“自發自用，余電上網”的原則，有力地推動了能源結構的優化。

目前國內關于光伏發電原理的論文較多，但很少有論文將原理與實例的計量與預測進行聯系。文獻[1-4]提出的是光伏發電裝置各組件的原理與改進措施，并未涉及實例的計算；文獻[5]提出的是小區屋頂光伏應用的實例計算，并未詳述光伏應用各組件原理。本文基于以上研究，提出了一套完整的光伏發電并網、采集與預測體系。

1 ?小區光伏發電并網裝置

本文按照國家電網公司《關于促進分布式電源并網管理工作的意見（修訂版）》接入系統一般原則設計光伏發電并網裝置。

與傳統配電系統單一的潮流流向不同，光伏發電的潮流流向具有雙向性，用戶側的節點會根據用戶的發電量和負載量在電源節點與負荷節點之間轉換。本文利用充放電控制器、雙向變流器、功率調節和并網保護等裝置組成光伏發電并網裝置，結構示意圖如圖1所示。

下面分別對各個組件進行詳細介紹。

1.1 ?充放電控制器

充放電控制器[1]的結構簡圖如圖2所示。本文以STC15W4K60S4_PDIP40單片機為控制中心，將通過軟硬件結合的方式采集到的電流和電壓，通過單片機進行A/D轉換處理，從單片機輸出的數值經光耦驅動MOSFET管處理實現系統充放電的控制。通過該充放電控制系統，太陽能電池板的電能在用戶側得到最優化利用，蓄電池電壓在（10.5±0.5）V至（14.5±0.5）V之間浮動，單片機在蓄電池到達下限和上限時分別實現充電和放電控制。

在采集模塊中，采用分流器接入的方式提供電流采樣，采用電阻分壓的方式進行電壓衰減采樣。電壓通道允許最大輸入差分電壓設置為±165 mV，共模電壓設置為100 mV。輸入電壓的衰減通過9級電阻分壓網絡實現。精度校驗時，進行分級調整；到最高級，精度調整至0.05%。用8421編碼設置該衰減網絡的校驗范圍，允許在±30%左右，用電阻和電容并聯來實現分壓網絡-3 dB的頻率。設計選用RC濾波器，可以避免分流器寄生電感產生的影響，同時也能顧及通道平衡。根據計算和通道1與通道2的匹配，選定合適的電容與電阻。

1.2 ?雙向變流器

根據接入光電的容量以及用戶端節點PDGi與負荷節點Pi功率大小情況，調整接入節點的功率方向。本項目使用雙向變流器和充放電控制器共同實現潮流流向的控制。通過利用單相輸出的并網逆變器將太陽能板產生的直流電轉變為所需的交流電，一部分自用，余電進行并網，在負荷功率超過光伏接入點功率時，從電網取電。

如圖3所示，雙向變流器主要由交流回路、功率橋回路、直流回路組成[2]。在電流方向從網側指向變流器且雙向變流器穩定運行時，可以通過控制V的大小和相角來實現變流器在以P、Q、-P、-Q對應的有功放電4個特殊工作點的平面里做四象限運行。

1.3 ?功率調節裝置

目前，光伏發電中的功率調節裝置主要采用雙向DC-DC變換器。而本文采用的是雙向全橋隔離型DC-DC變換器[3]，變換器由全橋整流器、高頻變壓器和全橋逆變器3個部分組成，電壓型變換器位于兩端構成對稱結構，通過控制變壓器原副邊處的兩個H橋方波電壓信號的相位與占空比，達到控制變換器傳遞功率方向和大小的效果，具有隔離、大電壓變比、高效、高功率密度等特點。將輸入和輸出的H橋看作是兩個電源，分別簡化到變壓器的兩端，通過傅里葉變換計算得出：變壓器副邊繞組的有功功率與移相角的正弦值成正比，有功功率為正值時，由變壓器原邊流向副邊，副邊吸收有功功率；當有功功率為負值時，由變壓器副邊流向原邊，副邊繞組發出有功功率。

1.4 ?并網保護裝置

針對分布式電源特性，本文基于傳統的三段式電流保護裝置做出以下改進[4]：

1.4.1 ?運行方式

在運行方式方面，本文采取以下兩種技術方案：

（1）孤島方案。移除原有的線路保護裝置，對保護系統重新規劃，在線路出現故障時，光伏發電單元獨立供電，將配電網分為數個孤島，將故障控制在一定范圍之內。

（2）切源方案。線路出現故障，在重合閘操作之前將光伏發電單元從線路中切斷，使用傳統配電線路以及保護措施。

1.4.2 ?距離保護

本文利用四邊形距離繼電器這一保護裝置實現對距離保護的改進，實現對微機線路的有效保護。借助距離繼電器對距離以及方向的精準測量，使整定電阻分量和整定三段式電抗定值達到預定標準，從而完成距離保護。

1.4.3 ?繼電保護

對于繼電保護，本文擬采用以下兩種方案：

（1）TCM方案。選擇時限最短的繼電保護裝置來實現方案最優，將故障切除的時間控制在最短。

（2）電流分量檢測方案。采用過電流保護措施，只對比零序和負序電流分量，當電流值達到設定值時啟動保護動作。

2 ?某住宅小區屋頂光伏發電實例預測

以上文中的光伏發電并網系統為基礎，本文選取了一個屋頂光伏發電條件良好的小區作為例子，對其光伏年發電量進行預測。

2.1 ?小區基本情況

該小區位于南京市江寧區秣陵街道，占地面積50.40?hm2，建筑面積350?000 m2。小區已有部分業主安裝屋頂光伏發電系統，以中電電氣在徐先生家安裝的12 kW屋頂光伏發電系統為例：該發電裝置采用雙玻組件進行安裝，利用雙玻組件透光的特點，在光伏發電的同時，不影響業主享受陽光的體驗，集美化屋頂、遮風擋雨、綠色節能、透光可控等多種優點于一體，實現發電自用的經濟效益的同時，還帶來了促進可持續發展等可觀的經濟效益。

此外，隨著充電汽車的普及，加快屋頂光伏發電系統建設可以有效緩解公共電網的負載壓力，所以本文對該小區光伏發電的效益進行了預測，以展望小區光伏發電廣泛投入使用的美好藍圖。

2.2 ?小區屋頂光伏發電量預測

南京市地處江蘇南部、長江南岸，太陽能資源十分豐富，年總輻射量約為1?416.77 kW·h/m2，年平均日照小時數約為3.96 h。根據相關規范要求，考慮到土地周圍建筑物對屋頂的影響、土地內建筑物之間的相互遮擋等因素，建筑物屋頂的可用光伏面積應滿足冬至09：00—15：00日照時數3 h以上的要求。

該小區的屋頂面積數據如下：排屋屋頂總面積約為25 328.33 m2，高層屋頂總面積約為8 724.83 m2，根據公式Apr=kprAroof計算可知，該小區屋頂光伏可安裝面積為15?456.11 m2。公式中，Apr為屋頂光伏可安裝面積；Kpr為屋頂光伏可利用系數（假設排屋取0.50，高層取0.32）；Aroof為屋頂總面積。

再通過Epr=ApzGpηλ計算該小區屋頂光伏年發電量約為89.96萬kW·h。公式中，Epr為屋頂光伏年發電量；Apz為屋頂光伏組件有效面積（假設光伏組件有效面積系數為0.39）；Gp為光伏組件所接收到的輻射量（按江寧太陽高度角34.62°計算）；η為理論測試的光伏模塊轉換效率（假設取多晶硅組件光伏效率0.16）；λ為光伏系統的運行效率（假設取80%）[5]。

假設該小區每戶居住2.8人，人均年用電量為500 kW·h，則該小區每年需要235.9萬kW·h的電量。根據預測，該小區利用光伏發電取得的電量可以滿足其電力消耗的38.1%，能夠極大地緩解配電網的高負荷壓力，經濟效益非常可觀，同時也為小區未來太陽能汽車入戶，太陽能充電樁進一步發展提供了充裕的空間。該小區全面光伏發電預計效益如表1所示。

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4? 結語

在能源結構加速調整的今天，對于清潔能源，應該加快推動其從理論向實踐發展。本文提出的光伏發電并網裝置涉及較為完整的光伏發電原理，對于設備的安裝和改進也有一定的實際意義。本文介紹的小區屋頂光伏設備發電量預測，對于光伏發電設備應用的經濟意義做出了較為完善的說明，也可以為小區推動光伏發電設備建設提供一定的借鑒。

參考文獻

REFERENCE? DOCUMENTS

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編輯：黃飛

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