户用型并网光伏发电系统实践

■ 管国辉 张明 吴杭佳 董诚 张双权

(1.浙江环球光伏科技有限公司；2.国网浙江省电力公司绍兴供电公司)

0 引言

随着光伏发电技术的不断进步和政府惠民政策的进一步加大，光伏发电逐渐被普通家庭认知。户用型并网光伏发电系统在发电过程中无运动部件，不排放污染物质，具有安装方便、无噪音、整个寿命期内几乎无需维护等特点。户用型并网光伏发电系统必将走进千家万户，使节能环保融入生活。

与此同时，政府为了加大对户用型并网光伏发电系统的推广，不但推出新的惠民政策，而且在户用型并网申请流程上也进行了简化，如图1所示。

图1 户用型并网申请流程

我国幅员辽阔，安装条件也千差万别，本文主要描述典型的户用型并网发电系统的电气设计和安装方法等。

1 系统安装类型

目前典型的户用型并网光伏发电系统安装主要有3类：瓦面屋顶安装、平台型屋面安装、混凝土屋面安装，实际安装效果分别见下文中图2、3、4所示。

1.1 瓦面屋顶安装

首先把屋顶瓦片掀开，将支架挂钩固定在屋面上后把瓦片盖上，然后将支架横杆固定安装在挂钩上，最后将太阳电池组件固定安装在支架上，如图2所示。此安装方式既不占用房屋使用面积，又可对房屋起到一定的隔热作用。

图2 瓦面屋顶安装图

1.2 平台型屋面(露天阳台)安装

将制作好的支架固定在屋顶平台或是女儿墙上，再把太阳电池组件固定在支架上，如图3所示。此安装方式适应性很强，可以根据屋顶平台、女儿墙结构和太阳电池组件的特点对支架进行设计，使其利用率最大化，同时还可以起到遮阳的作用。

图3 平台型屋面安装图

1.3 混凝土屋面安装

先浇筑好混凝土基础，再将支架固定在混凝土基础之上，然后将太阳电池组件固定安装在支架上，如图4所示。此安装方式可自由调节安装角度，使太阳电池组件的发电量达到最大，减少投资回收期。

图4 混凝土屋面安装图

2 户用型并网光伏发电系统的实践

户用型并网光伏发电系统设计前需进行现场勘查，对现场进行测量；综合分析现场情况后，通过光伏专用软件进行分析与计算，出具最合理、最专业的设计方案。本文以浙江省绍兴市的实践案例进行介绍。

2.1 太阳辐射量资源获取

由于户用型安装的地域可以很宽广，所以出具系统方案前需前往系统安装地进行勘查和测量等，收集相关资料，然后对资料进行分析。太阳辐射量可从气象卫星和当地气象局获取，从数据获取难易程度考虑，可参考美国宇航局NASA气象卫星的数据(网址：https：//eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/)。安装地尺寸、地形地貌、电气走线等数据需到项目现场进行实地勘查和测量。

经过现场勘查，用户家可安装容量为3 kWp的户用型发电系统，采用二类安装方式进行组件安装。通过NASA气象卫星数据网获取用户安装地太阳辐射量资源信息，采用光伏专用软件RETSCREEN能源模型进行计算分析，得出系统的发电量信息。

2.2 安装地气象数据与太阳辐射量

选用美国宇航局NASA气象卫星观测的绍兴市相关气象数据，如图5所示。

图5 NASA气象卫星数据

倾角为0°时绍兴市的辐射量数据如图6所示。

图6 倾角0°时绍兴市辐射量数据

从图5、6可知，绍兴市水平面日平均太阳辐射量为3.70 kWh/m2。

2.3 系统发电量计算及总体效率分析

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率和交流并网效率3部分组成。

1)光伏阵列效率η1：指光伏阵列在1000 W/m2的太阳辐射强度、AM1.5和常温25 ℃的情况下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换和传输过程中的损失包括：组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用太阳辐射损失、温度的影响、最大功率点跟踪(MPPT)精度及直流线路损失等。

根据经验数据：组件功率匹配损失小于3%；旁路二极管压降小于2%； 灰尘影响组件功率损失小于5%；直流线路损失小于3%；电池组件温度影响系数为-0.37%/K；除去以上损失，光伏阵列效率η1= 87%。

2)逆变器转换效率η2：是逆变器输出的交流电功率与直流输出功率之比。对于高效并网逆变器可取η2= 96%。

3)交流并网效率η3：即从逆变器输出至用户侧并网点的传输效率，线路效率根据以往经验取η3= 95%。

系统总效率等于上述各部分效率的乘积：η=η1η2η3=87%×96%×95%=79.34%

2.4 发用电分析

2012年7月1 日起浙江省执行新版居民阶梯电价，居民年用电量分为3档，且每档的电价不一样。第1档：居民年用电量在2760 kWh以内的电价是0.538元/kWh；第2档：居民年用电量在2761～4800 kWh之间的电价是0.588 元/kWh；第3档：居民年用电量高于4800 kWh的电价为0.838元/kWh。

经过分析与计算，考虑到系统25年内的衰减，本系统年平均发电量约为2951.5 kWh，日平均发电8.1 kWh。系统发电曲线如图7、8所示。

图7 系统月发电量

图8 系统小时发电量

根据图7、8的发电曲线可知，本系统年发电量在4～10月份较多，贴合用户夏天用电高峰的需求。系统每日发电量在9：00～15：00之间较多。

用户的年用电量约6000 kWh(基本满足大部分家庭使用)，如果用户白天用电量可达到1200 kWh以上(约占本系统年总发电量的40.66%)，阶梯电价可下降至第2档，节约第3档最高用电电价的电费。用户白天的用电量可根据用户家里电器白天待机用电进行相应调整，如预约热水器、空调等用电电器的工作时间等。

按照国家和浙江省对光伏发电的扶持政策，所有发电量国家补贴0.42元/kWh、浙江省补贴0.1元/kWh，上网电量按照0.457元/kWh的脱硫煤标杆电价(各个地区有所差异)进行收购，用户每年可得到1534.8元电价补贴，20年可得到补贴30696元。自发自用电量每年按照1200 kWh进行计算(实际可以超出)，可节约电费支出约1005.6元；上网可获得电费收益800元。一年总收益约为3340.4元。如通过调节使电器设备白天使用更多的电，用电曲线与本系统发电曲线进行更优匹配，可获得更高的收益。

2.5 电气接入

并网光伏系统单个并网点根据国家电网公司《分布式光伏发电接入系统典型设计》[1](2012年12月)和《国家电网公司关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见(修订稿)》规定，并网光伏发电系统单个并网点装机容量8 kW及以下可单相接入。

2.5.1 接入系统一次及一般原则

装机容量8 kW及以下，可采用单相接入。

用户安装的并网光伏发电系统，单个接入点容量为3 kWp，采用单相接入系统。确定接入系统原则为：发电量自发自用，余电上网，如图9所示。

图9 光伏发电系统图

2.5.2 接入系统方案描述

系统在用户楼房的屋顶安装太阳电池组件，通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再连接到并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流。在此并网光伏发电系统实例中，采用220 V电压接入电网，接入电网的方式如图10所示。

图10 并网光伏一次系统接线示意图

2.5.3 接入系统二次

户用型并网光伏发电系统或国家电网异常、故障时，为保证设备和人身安全，应具有相应继电保护和安全自动功能，保证国家电网和户用型并网光伏发电系统设备的安全运行，确保维修人员和公众的人身安全。

2.5.4 系统继电保护

系统并网点及公共连接点的断路器具备短路瞬时、长延时保护功能和分励脱扣、欠压脱扣功能，线路发生短路故障时，线路保护能快速动作，瞬时跳开断路器，满足全线故障时快速可靠切除故障的要求。断路器还应具备反映故障及运行状态辅助接点，不配置线路保护。

2.5.5 防孤岛检测及安全自动装置

220 V电压等级并网点不配置防孤岛检测及安全装置，采用防孤岛能力的逆变器。逆变器必须具备快速检测孤岛且监测到孤岛后立即断开与连接电网的能力，其防孤岛检测装置配置方案应与继电保护配置、安全自动装置配置和低电压穿越等相配合，时间上互相匹配。

2.5.6 系统防雷接地

对需要接地的光伏发电系统设备，应保持接地的连续性和可靠性。接地装置的接地电阻必须符合设计要求，以防雷为目的进行接地时，其接地电阻应＜10 Ω；以保护为目的进行接地时，其接地电阻≤4 Ω。

光伏系统和并网接口设备有防雷和接地，并且符合SJ/T11127《光伏(PV)发电系统过压保护导则》[2]中的规定。接地装置及设备接地按DL/T621《交流电气装置的接地》[3]和《防止电力产生重大事故的二十五项重点要求》[4]的有关规定进行设计。

2.5.7 电能计量

根据《国家电网公司分布式光伏发电系统典型设计》[1]，系统运营模式为“自发自用，余电上网”，应单套设置并网电能表，还应设置关口计量电能表。

1) 计量表安装位置。户用型并网光伏发电系统为自发自用，余电上网系统，在并网点设置单套并网单相电能表，并在产权分界点设置关口计量电能表。

用户端安装具有电能计量的电能表，并且电能量信息可通过宽带送出，但在并网点还需装设单相并网电能表。根据现场勘查，供电公司已在产权分界点设置计量电能表。

2) 技术要求。计费关口点按单表设计，电能表精度要求不低于2.0级；计量上网点按单相单表设计，电能表精度要求不低于2.0级。电能表采用静止式多功能电表，至少应具备双向有功和四象限无功计量功能、时间记录功能；应具备电流、电压、电量等信息采集和电流不平衡检测功能；配有标准通信接口，具备本地通信和通过电能信息采集终端远程通信的功能。计量表采集信息应分别接入电网管理部门和光伏发电管理部门(政府部门或政府指定部门)电能信息采集系统，作为电能量计量和电价补贴依据。

2.6 系统安装

实例中，根据技术人员现场勘查，通过对勘查信息汇总分析模拟出现场效果图，在效果图上进行组件铺设(见图11)。同时，出具电气连接和电气接线图纸。

系统采用二类安装方式。安装材料使用304不锈钢支架，不锈钢支架与地面采用膨胀螺栓固定，以抵消风载对组件向上的上升力。将12块组件安装在已建好的支架上，安装效果如图11所示。

组件安装完成后，按照电气接线图纸进行电气连接。进行电气连接的人员必须是专业人员且持有上岗证。电气连接完成后，由当地电力局对用户进行电表的安装。

图11 光伏系统模拟效果图

3 结束语

户用型并网光伏发电系统具有灵活多变、安装方便、适应性极强等特点；不需占用额外空间，还可与建筑物进行紧密结合，对建筑物起到一定的保护作用；所发电量直接接入用户侧，就地消纳，可对电网起到调峰补充作用。随着清洁能源技术不断发展，户用型并网光伏发电系统将逐渐走向更大的市场。以上的实例设计已投入运行，系统运行稳定正常，因此检验了设计方案的正确性。

[1] 国家电网公司. 分布式光伏发电项目接入系统典型设计[EB/OL]. http：//doc.mbalib.com/view/9d826lc9be8426a7713d50c b326870d6.html， 2012-11.

[2] SJ/T11127 -1997，光伏(PV)发电系统过压保护导则[S].

[3] DL/ T 621-1997，交流电气装置的接地[S].

[4] 国家电力公司.关于印发《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的通知[R]. 国电发 [2000] 589号，2000.