上海居民光伏发电并入电网的相关问题分析_吴旭鹏
第３５卷第４期
２０１４年８月
电力与能源
上海居民光伏发电并入电网的相关问题分析
吴旭鹏１，２，解　大１，戴　敏２，赵万剑２
（１．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海　２００２４０；
２．国网上海市电力公司松江供电公司，上海　２０１６００）
摘　要：上海光伏资源丰富，但是太阳能由于其随机性和不可控性在并网时会给电网的运行带来问题。为此分析了上海光伏资源分布和居民用电特点，基于实际数据研究了光伏发电在并网时对输出功率、孤岛效应、电能计量方式和节能减排四方面的影响。结果表明，可通过提高预测精度以及发电量补偿装置来降低对电网的影响；通过安装孤岛检测装置来及时检测光伏系统侧的电压、频率指标，在指标不满足要求时，可以启动保护措施；双向电能表的使用或安装不同流向的两个电能表都可以解决含光伏发电的电能计量问题。
关键词：居民光伏发电；并网；输出功率；节能减排
中图分类号：ＴＭ６１５  文献标志码：Ａ  文章编号：２０９５－１２５６（２０１４）０４－０５１７－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｐｏｗｅｒ
Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｒｅｓｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｓｈａｎｇｈａｉ9月14日是什么情人节?
女人节祝福Ｗｕ　Ｘｕｐｅｎｇ１，２，Ｘｉｅ　Ｄａ１，Ｄａｉ　Ｍｉｎ２，Ｚｈａｏ　Ｗａｎｊｉａｎ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　ＪｉａｏＴｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｒｉｃｈ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｉｎ　Ｓｈａｎｇｈａｉ，ｓｏｍｅ　ｔｒｏｕｂｌｅｓ　ｏｃｃｕｒ　ｗｈｅｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｂｅ－ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｄａｔａ，ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ，ｉｓｌａｎｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，ｗａｙｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ｅｍｉｓ－ｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｂｙ　ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｓｌａｎｄｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘ　ｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　
ｒｅ－ｌａｙ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｔａｒｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｅｔｅｒｉｎｇ　ｍｉｇｈｔ　ｂｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ｂｉｄｉｒｅｃ－ｔｉｏｎａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｒ　ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｓ；Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；Ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ；Ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
０　引言
随着传统能源紧缺与电力系统对供电安全性、可靠性和灵活性的要求越来越高，供电模式已由传统的采用高电压、大电网和大机组为主的集中式单一供电模式向含分布式发电的多样化形式发展，如风能、太阳能、潮汐能等清洁能源发电。其中，光伏发电作为新型能源中应用较广、使用区域受限较小而受到国内外学者的高度重视，很多国家把发展光伏发电作为振兴经济的重要手段。
关于光伏发电的研究，美国、日本、欧洲等发达国家都有中长期发展计划和相应的促进光伏发电推广应用的政策，而我国作为太阳能资源丰富的国家，起步较晚。我国在太阳能光伏发电应用方面所取得的成绩相对较不突出，太阳能光伏发电因其投入成本及发电随机性、间歇性等特点，难于大规模投入
实际应用中。但随着节能减排任务的加重以及居民用电负荷的日益增大，有必要大规模开发和利用光伏发电。目前，我国已陆续出台一系列涉及光伏发电的补贴政策和示范项目，全国正在掀起新一轮发展光伏发电产业的热潮［１，２］。而居民屋顶光伏发电使居民不仅仅是用
农业创业项目７
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吴旭鹏，等：上海居民光伏发电并入电网的相关问题分析
户，还可能是电能的提供者，因此研究上海居民光伏发电并网的相关问题，对上海电网安全可靠经济的运行具有重大意义。
１　居民屋顶光伏发电系统
屋顶光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、直流接线箱、ＤＣ／ＡＣ逆变器、交流配电箱及计量检测系统组成。光伏并网系统将太阳能转换成直流电能后，再通过逆变器将直流电逆变为５０Ｈｚ、２２０Ｖ／３８０Ｖ的交流电，配电箱输出的电能分成两路，一路通过接入本地负荷以供自用，另外一路
接入电网。当光伏发电量大于等于本地负荷时，将多余的电能输送至电网，而当光伏发电量不足以满足居民用户负荷时，负荷电能由电网供给，如图１所示［３］。
在光伏并网系统中，逆变控制部分担负着系统的ＤＣ／ＡＣ转换，并准确控制转换电压、频率、相位、谐波含量等重要指标。同时，逆变控制部分是光伏并网系统的关键设备，负责光伏并网发电系统各部分与公共电网的协调运行，并对系统可能发生的各种异常状态进行保护。对于居民光伏发电的并网，主要有单相和三相两种方式。普通的小型单户居民屋顶太阳能光伏系统采用单相并网方式；大厦太阳能幕墙光伏系统，由于太阳能电池阵列庞大，发电功率较单户居民大很多，一般采用三相并网系统，并配有蓄电池组。
图１　居民光伏发电系统
２　上海太阳能资源概况及居民负荷特点
２．１　上海太阳能资源概况
上海市位于中纬度地区的太平洋西海岸，属北亚热带海洋性季风气候。四季分明、雨量充沛，气候温湿，年平均气温约为１６．５℃，海拔高度约４ｍ。上海日照条件较为充足，太阳能资源比较丰富，多年平均日照时数为２　０１４ｈ。日照时数的分布以夏季最多，达６００～７００ｈ，约占年总时
数的三分之一；而冬季最少，约３６０～４６５ｈ，仅占年总时数的１８％～２３％。多年平均太阳总辐射量为４　５６５ＭＪ／ｍ２，太阳总辐射量的分布以夏季最多，冬季最少，仅占年总辐射量的１６％，春秋季接近相等，太阳总辐射量的分布与日照时数的分布基本相似。
２．２　居民用电负荷特点
小学家长会教师发言稿据统计，到２００３年上海常住人口已超过２　３００万，是我国用电负荷最高、用电量最大的城市［４］。随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调、电热水器等大功率电器的普遍使用，上海的用电负荷逐年递增，如表１所示。
表１　上海２００１—２０１２年用电量亿ｋＷｈ年份总用电量年份总用电量
２００１　５９３．０　２００２　６４５．７
２００３　７４５．９　２００４　８２１．４
２００５　９２２．０　２００６　９９０．２
２００７　１０７２．４　２００８　１　１３８．２
２００９　１１５３．０　２０１０　１　２２５．６
２０１１　１３３９．６　２０１２　１　３５３．４
  其中，居民用电占的比例在１５％左右。全年用电高峰由曾经的仅夏季一个高峰向夏季、冬季两个高峰发展。此外，上海用电存在较大供需矛盾，在高峰时供电量不足，但高峰持续时间并不长；居民生活用电负荷的利用小时数低，负荷率低；居民生活用电负荷所占比重比用电量的比重大得多，仅传统的发电形式难以实现对所有居民以及工业的供电，而单纯的引导居民节约用电或拉闸限电措施并不能从根本平衡电能的供需
［４］，
因此利用光伏发电的接入不仅可以有效地利用清
洁能源，还可以在不同程度上满足居民的用电需
求。
３　居民光伏发电对电网的影响
３．１　输出功率不稳定
光伏发电的能源来源是太阳能，除发电装置
的故障、检修等原因外，所发电量很大程度上受日
照、温度、季节等因素的影响，导致输出功率波动
频繁。通过对上海某光伏发电站２０１３年７月１１
日的有功功率（单位：ＭＷ）和无功功率（单位：
Ｍｖａｒ）数据进行采集，每５ｍｉｎ一个点，共２８８组
数据，如图２所示。从图２中可以看出，光伏系统
夜间的发电量为０，白天日照较强，发电量较多，
在正午时达到最大。而无功消耗量仅在很小的范
围处于较稳定的水平，根据实际采集的数据，无功
功率的数值在０～０．１Ｍｖａｒ，因此曲线比较平缓。
在心中从此永远有个你由于电力系统调度对有功功率的短期负荷精８
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图２　光伏发电功率波动曲线
度要求较高，当光伏发电的容量超过一定比率时，将对系统的电压、频率造成影响，不利于电力系统的安全稳定运行，这就需要对光伏系统安装点的多种气象因素进行长期的考察，在大量数据支持的基础上会尽可能提高输出功率预测的准确性，降低对电网的影响。此外，还应在相应的位置配备应对发
电量下降的补偿装置，以保证系统的稳定。
３．２　孤岛效应
居民光伏并网发电系统属于分布式发电，因此不可避免地会产生孤岛效应。所谓孤岛效应，就是当由于电气故障、误操作或自然因素等原因引起电网中断供电时，光伏发电系统仍然与本地负载连接并处于独立运行的状态。由于孤岛效应被电力部门认为已经停电的光伏系统设施仍然可能带电，这在检修时将威胁到检修人员的安全。此外，处于孤岛中的用电装置会因电压和频率的变化超出其承受能力进一步损坏，而并网设备本身也将有损坏的可能性［４］。
考虑到用电的安全和对电能质量的影响，应避免孤岛的产生。因此，光伏系统应具有检测孤岛状态并快速有效停止并网运行的能力。对此应安装孤岛检测与控制装置，及时监测电网侧和光伏系统侧的电压、频率等指标，在指标不满足要求或电网出现故障时，应启动保护装置，及时跳开相应的断路器。
３．３　电能计量
对于不含并网光伏发电的电力系统，由于用户通常只是耗电者的角，因此电能的计量通常采用单向累计电能计量表，即只要有电能流过电表，均默认为消耗电能，并以此来计算电价。对于居民光伏系统并入电网的情况，只有当光伏所发电量不满足居民用电量时，电网才会有电能流向用户。此时，若
用传统的单向电能表，用户不仅要支付正常使用的电能，还要对输入电网和自发的电能进行支付，这无疑增大了用户负担，且极不合理。对此，需采取相关措施来实现电能计量与电价结算。
目前，可通过采用双向电能计量表，或根据不同的电能流向安装两个电能计量表［４］。对于前者，在设计和生产时需考虑与原抄表系统的软硬件兼容问题，且需要比单向电能表更高的计量精度，由于国内光伏产业容量较少，这种电表的使用率不高，因此通常使用后者来进行电能计量，如图３所示。通过电能表１和电能表２分别计量居民的发电和用电量，对发电部分进行相应的补偿，对用电部分实行合理的收取电费。
图３　两个电能表接入方式
３．４　节能减排
由于光伏发电不会产生温室气体及破环环境的污染物，更没有废水排放等，既有利于环境的保护，也延长了传统能源的使用期限。位于上海的某一屋顶光伏电站，总装机容量为３１４．９ｋＷｐ，共安装１　３４０块２３５ｋＷｐ的多晶硅电池组件，屋顶利用面积为２　４２０ｍ２，该电站平均年发电量为３３．２８ｋＷｈ。在采用低功耗的逆变器及其他原材料的情况下，这些电量被居民就地使用或并入电网时，每年可为电网节约标煤１１９．８１ｔ，减少烟尘的排放量约１．８ｔ，减少二氧化碳的排放量约３１３．９ｔ，减少二氧化硫的排放量约为２．６４ｔ，其他氮氧化物的排放量减少０
．８９ｔ。在其经济使用寿命为２５年的情况下，将光电转换效率衰减因素计算在内，该光伏发电站将总共节省标煤２　９９５．２１
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。由此可见，屋顶光伏发电既节省了能源消耗，同时也减少了污染物排放，长远来看还将产生可观的经济效益。
４　结语
在上海用电负荷与日俱增、环境问题日益突出的现状下，由于上海太阳能资源丰富、光伏发电可利用居民屋顶的特点，
开发和利用太阳能资源成为必然的选择。通过分析上海光伏资源分布和居民用电负荷特点，研究了将光伏发电接入电网和用户直接使用时可能出现的问题。
在实际应用中，可通过安装相应的功率补偿装置、防孤岛保护等措施来满足并网的标准，以降低对电网的影响，通过安装双向电能表或两个电能表来实现合理的用电记录。实例表明，居民光
伏发电不但能满足用户的部分负荷，还能产生可观的节能减排效果。
参考文献：
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张勇，崔蓓蓓．上海地区分布式电源及其对电网影响初探［Ｊ］．供用电，２００９，２６（３）：１６－
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王小曼．终端用户分布式新能源接入智能配电网技术研究［Ｊ］．电力系统，２０１０，８，５８－
６２．［３］　张垠．
居民太阳能光伏发电并网引起的问题研究［Ｊ］．供用电，２００９，２６（４）：３７－
３９．［４］　肖勇，
王恒山，杨俊保．上海居民用电特点分析及需求侧管理的应对措施［Ｊ］．上海电力学院学报，２００９，２５（６）：６１４－６２１．
收稿日期：２０１４－０４－
１０作者简介：吴旭鹏（１９８５－），男，本科，从事继电保护专业工作。
（责任编辑：赵艳粉檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼
）
（上接第５１６页）  ２
）从环境友好的角度看，新型太阳能腔体集热器价廉，
制作工艺简便，性能较好，不仅利用了太阳能资源，而且没有能耗，无污染，节能环保。３
）与现有技术相比，新型太阳能腔体集热器结构紧凑，由于黑腔进深大，吸热面积大，装置单位体积的有效吸热面积，较平板太阳能集热器和真空管太阳能集热器大。
参考文献：
［１］　杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．［２］　俞伦鹏，
刘红彦．等温黑体发射率［Ｊ］．计量学报，２００７（Ｚ１）： 
２３２－２３５．［３］　Ｕｍａｒｏｖ　Ｉ，Ｆａｔｔａｋｈｏｖ　Ａ，Ｕｍａｒｏｖ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｅａｔ　ｌｏｓｓ　ｉｎ　
ａｃａｖｉｔｙ－ｔｙｐｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ，１９８３，１９（３）：３５－
３８．［４］　Ｄ．Ｌ．Ｓｉｅｂｅｒｓ　ａｎｄ　Ｊ．Ｓ．Ｋｒａａｂｅｌ，Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｅｎｅｒ－ｇｙ　
ｌｏｓｓｅｓ　ｆｒｏｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ［Ａ］．Ｓａｎｄｉａ　ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　Ｒｅｐ
ｏｒｔ［Ｃ］，ＳＡＮＤ８４－８７１７　１９８４．［５］　刘志刚，
张春平，赵耀华，等．一种新型腔式吸热器的设计与实验研究［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（３）：３３２－
３３７．收稿日期：２０１４－０６－
１６作者简介：张晓晖（１９６９－），男，博士研究生，从事能源高效利用技术和工程热物理研究工作。
（责任编辑：杜建军櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚
）
国务院促进新能源汽车推广应用提六方面政策措施
据中国电力报２０１４年７月２１日报道：
国务院办公厅近日印发《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》（以下简称《意见》），部署进一步加快新能源汽车推广应用，缓解能源和环境压力，促进汽车产业转型升级。《意见》明确，要以纯电驱动为新能源汽车发展的主要战略取向，重点发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车，以市场主导和政府扶持相结合，建立长期稳定的新能源汽车发展政策体系，创造良好发展环境，加快培育市场，促进新能源汽车产业健康发展。
为推动充电设施建设，《意见》提出，鼓励社会资本进入充电设施建设领域，积极利用城市中现有的场地和设施，将充电设施建设和配套电网建设与改造纳入城市规划，完善用电价格政策，鼓励公共单
位加快内部停车场充电设施建设，推进充电设施关键技术攻关。《意见》鼓励企业创新商业模式，鼓励投融资创新，要求加快售后服务体系建设，发挥信息技术的积极作用。同时要求，推动公共服务领域率先推广应用，扩大公共服务领域新能源汽车应用规模，推进党政机关和公共机构、企事业单位使用新能源汽车。针对进一步完善政策体系建设，《意见》提出完善新能源汽车推广补贴政策，改革完善城市公交车成品油价格补贴政策，给予新能源汽车税收优惠，多渠道筹集支持新能源汽车发展的资金，完善新能源汽车金融服务体系，制定新能源汽车企业准入政策，建立企业平均燃料消耗量管理制度，实行差异化的新能源汽车交通管理政策。为坚决破除地方保护，
《意见》要求各地区要严格执行全国统一的新能源汽车和充电设施国家标准和行业标准，推进建设统一开放、有序竞争的新能源汽车市场。
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