石多峰，羅振鵬，張思清，王淑玉，張志艷

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080)

戶用光伏以其可就近消納、發(fā)電過程無污染、國家政策支持等優(yōu)點(diǎn)獲得了快速發(fā)展。近幾年，光伏上網(wǎng)電價(jià)和補(bǔ)貼政策逐漸下調(diào)，光伏發(fā)電面臨平價(jià)上網(wǎng)[1-2]，在這樣的發(fā)展背景下，戶用分布式光伏發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展有待進(jìn)一步研究。本文以呼和浩特地區(qū)一戶5 kW 家庭用電負(fù)荷為研究對象，通過PVsyst 軟件對家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并從發(fā)電量、發(fā)電損失、經(jīng)濟(jì)效益三方面進(jìn)行分析。

1 家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)類型

家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、能量流動、結(jié)算方式分為三種類型[3]：全額上網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，自發(fā)自用余電上網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)自用發(fā)電系統(tǒng)。全額上網(wǎng)系統(tǒng)能量流動最簡單，光伏所發(fā)電量全部上網(wǎng)，家庭負(fù)荷從電網(wǎng)獲取電能。自發(fā)自用余電上網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置有光伏和蓄電池，能量流動最復(fù)雜。光伏輸出具有波動性，加入蓄電池可減少并網(wǎng)運(yùn)行時對電網(wǎng)的沖擊，減少棄光現(xiàn)象，提高供電可靠性。光伏所發(fā)電量優(yōu)先供給負(fù)荷，無負(fù)荷時優(yōu)先給蓄電池充電。當(dāng)電池處于充滿狀態(tài)也無負(fù)載時，多余電量向電網(wǎng)出售。光伏和蓄電池都無法給負(fù)載供電時由電網(wǎng)供電，保證供電可靠性。該系統(tǒng)電池能量不會反饋至電網(wǎng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。離網(wǎng)自用發(fā)電系統(tǒng)在有光照時優(yōu)先由光伏供電，無光照時由蓄電池供電，并通過電池控制器對蓄電池合理充放電，一般用于偏遠(yuǎn)牧區(qū)。

2 基于PVsyst的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地理氣象數(shù)據(jù)設(shè)置

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，PVsyst 首先根據(jù)地理參數(shù)新建地點(diǎn)，并從Meteonorm 中導(dǎo)入相應(yīng)地理氣象數(shù)據(jù)。呼和浩特一戶家庭地理參數(shù)為東經(jīng)111.66o，北緯40.8o，海拔1 040 m，其氣象數(shù)據(jù)如表1 所示。

2.2 房屋模型建立

導(dǎo)入地理氣象數(shù)據(jù)后，需要確定光伏板最佳傾斜角和方位角。北半球大多數(shù)情況下，方位角選擇正南方向[4]，三個系統(tǒng)均為0o。傾斜角根據(jù)系統(tǒng)類型選擇，對于全額上網(wǎng)和自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)，全年要保持發(fā)電量最大化，傾斜角為39o；離網(wǎng)自用系統(tǒng)以冬季發(fā)電量滿足負(fù)荷為主，傾斜角為62o。呼和浩特市區(qū)建筑屋頂多為平面，適合光伏板的鋪設(shè)與安裝。本文房屋模型以平坡屋頂建筑為模板，長30 m，寬12.7 m，高18 m，PVsyst 中該戶家庭房屋模型如圖1 所示。

表1 呼和浩特地區(qū)氣象數(shù)據(jù)

圖1 房屋模型

2.3 家庭負(fù)荷參數(shù)設(shè)置

房屋模型建立后，通過調(diào)查分析獲得該地區(qū)家庭日負(fù)荷數(shù)據(jù)，如表2 所示。軟件中選擇全年日負(fù)荷相同進(jìn)行仿真，日用電9.8 kWh，月用電294.3 kWh，年用電3 580.3 kWh。

表2 家庭日負(fù)荷數(shù)據(jù)

2.4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

在確定光伏板最佳傾斜角、方位角，房屋模型，負(fù)荷數(shù)據(jù)后，根據(jù)家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)類型設(shè)置光伏板、逆變器和蓄電池等參數(shù)。三種系統(tǒng)均采用型號為LR4-72 HPH 430 M 的光伏板，其參數(shù)如表3 所示。

表3 光伏板參數(shù)

為對比分析全額上網(wǎng)和自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)，二者均配置光伏板12 塊。光伏板分為兩串，每串由6 塊光伏板串聯(lián)組成。光伏板安裝面積27 m2，標(biāo)稱功率5.16 kW。離網(wǎng)自用系統(tǒng)選用光伏板時，PVsyst 依據(jù)家庭負(fù)載缺電率5%、僅蓄電池供電兩天以及負(fù)荷參數(shù)等情況，配置光伏板8 塊。光伏板分為四串，每串由2 塊光伏板串聯(lián)組成。光伏板安裝面積18 m2，標(biāo)稱功率3.4 kW。根據(jù)光伏板安裝方式和容量，全額上網(wǎng)系統(tǒng)選用一個功率為5 kW 的并網(wǎng)逆變器；自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)選用一個功率為5 kW 具有儲能功能的并網(wǎng)逆變器；離網(wǎng)自用系統(tǒng)選用一個功率為3.5 kW 具有儲能功能的離網(wǎng)逆變器。

離網(wǎng)自用系統(tǒng)依據(jù)無光伏輸入獨(dú)立運(yùn)行兩天情況選配電池容量。系統(tǒng)選用20 個額定電壓12 V，容量100 Ah 的鉛酸電池組成電池組。電池組分五組并聯(lián)，每組由4 個鉛酸電池串聯(lián)。電池組額定電壓48 V，容量500 Ah。PVsyst 中電池標(biāo)稱容量表示為C10。

自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷參數(shù)、光伏發(fā)電量、電池組需存儲1～2 天的用電量以及電池充放電速度選配電池容量。系統(tǒng)選擇8 個額定電壓12 V，容量100 Ah 的鉛酸電池組成電池組。電池組分兩組并聯(lián)，每組由4 個鉛酸電池串聯(lián)。電池組額定電壓48 V，容量200 Ah。

2.5 損失參數(shù)設(shè)置

熱損因數(shù)K設(shè)定為K=Kc+Kvv，其中Kc為29.0 W/(m2·k)，Kv為0 W/(m2·k)，v為風(fēng)速，m/s。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下布線損耗分?jǐn)?shù)為1.5%。模塊效率損耗定義為平均有效模塊效率相對于制造商規(guī)格的偏差，設(shè)置為3%。失配損耗是由于在組串模塊中，單個組件最低電流驅(qū)動整串電流導(dǎo)致的損耗，采用默認(rèn)值1%。呼和浩特地區(qū)常年有風(fēng)沙天氣，灰塵損耗設(shè)置為3%。逆變器效率損耗(逆變器自身參數(shù))為3.2%。陰影遮擋損耗，根據(jù)光伏電池板間距確定，每日9：00 至15：00不出現(xiàn)遮擋[5]。

3 仿真結(jié)果與經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 仿真結(jié)果

通過PVsyst 仿真得出三種家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果如表4 所示，全額上網(wǎng)系統(tǒng)將光伏產(chǎn)生的電能全部上網(wǎng)售出作為經(jīng)濟(jì)收入，年上網(wǎng)電量為8 724 kWh，家庭用電全部從電網(wǎng)購電，年電網(wǎng)購電量為3 580.3 kWh。通過PVsyst 合理配置光伏板和電池組容量，自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)的年自用電量為3 480 kWh，滿足該家庭一年中大部分負(fù)荷，僅從電網(wǎng)購電101 kWh，該系統(tǒng)年上網(wǎng)電量為4 792 kWh。系統(tǒng)效益比(PR)是光伏系統(tǒng)總體效率，定義如式(1)所示：

式中：Yf為系統(tǒng)每日可用能量，kWh/kW；Yr在數(shù)值上等于陣列平面的入射能量，沒有任何損失，kWh/kW。

由表4 可知，自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)的PR值低于全額上網(wǎng)系統(tǒng)的PR值。兩個系統(tǒng)進(jìn)行PVsyst 設(shè)計(jì)時，采取相同的光伏板、逆變器以及陣列安裝方式，但自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)增加了電池組，存在1.15%充電損失、1.43%電池內(nèi)部損失(比如內(nèi)部電阻、析氣效應(yīng)等)和2.7%電池經(jīng)逆變器輸出損失，導(dǎo)致自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)可利用能量比全額上網(wǎng)系統(tǒng)減少一部分，因此自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)PR值相對要小。

表4 PVsyst 仿真結(jié)果

離網(wǎng)自用發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量為5 468 kWh，年自用電量為3 519.9 kWh，因此用戶可以通過該系統(tǒng)滿足家庭負(fù)荷的需求，但家庭一天中負(fù)荷需求大多集中在夜間，需要配置較大容量的蓄電池組，導(dǎo)致投資和維護(hù)成本增加，考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，該系統(tǒng)配置500 Ah 蓄電池可滿足一年中家庭大部分負(fù)荷，但仍存在60.42 kWh 的缺電量，同時光伏板白天產(chǎn)生的能量沒有充分利用，因此PR為0.58。

通過PVsyst 仿真獲得各系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化能量圖，可以直觀地比較各系統(tǒng)一年中各月份系統(tǒng)每日可利用能量Yf，每日系統(tǒng)損失Ls以及每日收集損失Lc。圖2 為全額上網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化能量圖，Yf為4.63 kWh/kW，占89.3%；Ls為0.13 kWh/kW，占2.5%，包括逆變器損耗；Lc為0.43 kWh/kW，占8.2%，包括熱損耗、灰塵損耗、陰影損耗等。

圖2 全額上網(wǎng)系統(tǒng)日均標(biāo)準(zhǔn)化能量圖(標(biāo)稱功率5.0 kW)

圖3 為自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化能量圖，Yf為4.39 kWh/kW，占84.7%；Ls為0.37 kWh/kW，占7.1%，正如前面PR分析，該系統(tǒng)由于配置蓄電池，增加了與蓄電池有關(guān)損耗，導(dǎo)致該系統(tǒng)Yf比全額上網(wǎng)系統(tǒng)Yf少0.24 kWh/kW，這部分計(jì)入系統(tǒng)損失，因此自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)Ls要比全額上網(wǎng)系統(tǒng)Ls多0.24 kWh/kW；Lc為0.43 kWh/kW，占8.2%，與全額上網(wǎng)系統(tǒng)相同。

圖3 自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)日均標(biāo)準(zhǔn)化能量圖(標(biāo)稱功率5.0 kW)

圖4 為離網(wǎng)自用標(biāo)準(zhǔn)化能量圖，該系統(tǒng)傾斜角與前兩種系統(tǒng)不同，所以同一地區(qū)相同輻照度下組件獲取的能量不同，該系統(tǒng)Yf為2.8 kWh/kW，占比58%；Ls為0.28 kWh/kW，占5.9%，包括控制器損耗、電池低效率帶來的損耗；離網(wǎng)自用系統(tǒng)光伏陣列的排布與安裝以及組件安裝容量與前兩種系統(tǒng)不同，所以Lc為0.4 kWh/kW，占8.3%；每日未利用能量Lu是指當(dāng)系統(tǒng)處于“飽和”狀態(tài)，比如電池已充滿電或者負(fù)載需求有限，系統(tǒng)產(chǎn)生的能量多于需求而無法利用，本系統(tǒng)Lu為1.34 kWh/kW，占27.8%。設(shè)計(jì)離網(wǎng)自用系統(tǒng)時，考慮投資與維護(hù)成本而減小蓄電池容量，同時家庭負(fù)荷集中于夜間，因此白天光伏產(chǎn)生的能量沒有充分利用，針對這一問題可將部分夜間負(fù)荷在白天使用，以減小用戶缺電量，增加系統(tǒng)可利用能量，提高PR值。

圖4 離網(wǎng)自用系統(tǒng)日均標(biāo)準(zhǔn)化能量圖(標(biāo)稱功率3.5 kW)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

采用凈現(xiàn)值法對三種系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。凈現(xiàn)值(NPV)法廣泛應(yīng)用于分析帶儲能的光伏項(xiàng)目、屋頂光伏項(xiàng)目等[6]。如果凈現(xiàn)值大于0，說明項(xiàng)目可以投資；如果凈現(xiàn)值小于0，說明項(xiàng)目不可以投資，應(yīng)當(dāng)放棄。對于戶用分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，凈現(xiàn)值公式為：

式中：n是投資項(xiàng)目生命周期，本文設(shè)定n為25年；NPVin為現(xiàn)金流入量，包括上網(wǎng)收益、自用收益、光伏補(bǔ)貼[7]等；NPVout為現(xiàn)金流出量，包括運(yùn)營成本、貸款成本、稅收等；r為折現(xiàn)率，即凈現(xiàn)值為0時的基準(zhǔn)收益率[8]，本文取r=8%；Cinv是初始投資。

圖5 為依據(jù)式(2)計(jì)算出的不同家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的凈現(xiàn)值結(jié)果。全額上網(wǎng)系統(tǒng)在有補(bǔ)貼和無補(bǔ)貼時凈現(xiàn)值均大于0，在三種家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)中凈現(xiàn)值均最高，因此經(jīng)濟(jì)效益最好，但近幾年電網(wǎng)對光伏消納問題愈加重視，國家政策支持有一定消納比例的光伏項(xiàng)目上網(wǎng)，全額上網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)勢不明顯。自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)在有補(bǔ)貼時凈現(xiàn)值為1 852.1 元，僅需從電網(wǎng)購電101 kWh，具有一定消納比例，符合當(dāng)前國家政策的要求，因此該家庭可以安裝這種光伏發(fā)電系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在無補(bǔ)貼時凈現(xiàn)值小于0，目前仍需要補(bǔ)貼政策保證經(jīng)濟(jì)效益。離網(wǎng)自用發(fā)電系統(tǒng)雖然符合國家政策要求，但受限于光伏板和蓄電池成本，因此還需要一些優(yōu)惠政策支持，需要通過提升技術(shù)和降低成本來提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 不同家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)凈現(xiàn)值結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于PVsyst 對三種戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過仿真結(jié)果分析各系統(tǒng)發(fā)電量、發(fā)電損失。針對三種系統(tǒng)采用凈現(xiàn)值法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，研究結(jié)果表明：對于呼和浩特地區(qū)家庭戶用光伏系統(tǒng)建設(shè)，建議安裝自發(fā)自用余電上網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)符合國家政策，具有一定消納比例，有利于電網(wǎng)運(yùn)行，但目前要具有盈利能力仍需要補(bǔ)貼政策支持。隨著光伏上網(wǎng)的電網(wǎng)市場競爭，戶用分布式光伏系統(tǒng)需要提升光伏板和蓄電池技術(shù)，降低投資成本，才能保證高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。