光伏直驅(qū)系統(tǒng)運營效益計算探索

珠海格力電器股份有限公司 ■ 唐政清 鐘金揚 李偉進

0 引言

光伏直驅(qū)系統(tǒng)是利用光伏能直流電直接驅(qū)動負載，且能在光伏電能富余時將光伏直流電逆變?yōu)榻涣麟姺答侂娋W(wǎng)供其他用電設(shè)備使用，并能在光伏電能不足時從電網(wǎng)取電實現(xiàn)混合供電保證。典型的有格力電器股份有限公司首先推出的光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)[1]。

針對這些新出現(xiàn)的系統(tǒng)，如何評價其運營效益成為當前研究的熱點。本文引入光伏能直驅(qū)保證率來評價光伏直驅(qū)系統(tǒng)的運營效益，光伏能直驅(qū)保證率在光伏直驅(qū)系統(tǒng)中有極其重要的意義，是體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)勢的最重要參數(shù)之一。本文結(jié)合光伏直驅(qū)變頻離心機的實例，提出光伏能直驅(qū)保證率具體的計算思路和方法，為該類系統(tǒng)工程應(yīng)用提供參考。

1 光伏能直驅(qū)保證率的含義

光伏直驅(qū)系統(tǒng)的突出優(yōu)勢是直接使用光伏能，無需通過其他任何的轉(zhuǎn)換裝置。光伏能直驅(qū)保證率正是體現(xiàn)該系統(tǒng)優(yōu)勢的最重要參數(shù)之一。光伏能直驅(qū)保證率指在某個時間段，在一定的匹配選型下，光伏直驅(qū)系統(tǒng)自發(fā)自用的電能在光伏直驅(qū)系統(tǒng)負載總耗電量中的比重，是系統(tǒng)運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2 光伏能直驅(qū)保證率的意義

提高光伏能直驅(qū)保證率對光伏直驅(qū)系統(tǒng)有非常重大的意義。直驅(qū)保證率越高，光伏直驅(qū)系統(tǒng)中自發(fā)自用的電量就越大，而自發(fā)自用直接使用光伏能顯著提高了電能的利用效率，可有效提高工程運營效益。以400 kW裝機負載容量為例，假設(shè)：

1)設(shè)備平均工作時間為每天10 h；

2)相對普通的光伏發(fā)電站供電系統(tǒng)，光伏直驅(qū)系統(tǒng)可提高光伏能利用率8%[1]；

3)光伏能直驅(qū)保障率提高到90%。

則相比一般的光伏系統(tǒng)每年可節(jié)電：400×10×8%×90%×365=105120 kWh。

若商業(yè)用電電價為0.9678元/kWh(1～10 kV)，則每年收益可增加105120元。

而以每年省電105120 kWh計算，相當于節(jié)省燃油2.65萬L或節(jié)省標準煤36.71 t；也意味著少排放101.67 t二氧化碳，1.20 t的二氧化硫和0.44 t氮氧化物；同時減少因火力發(fā)電產(chǎn)生的27.74 t粉塵，節(jié)約40788萬L凈水。

可見，光伏能直驅(qū)保證率反映了光伏直驅(qū)系統(tǒng)的能源管理利用情況，對系統(tǒng)運營效益和節(jié)能減排具有顯著意義。

3 光伏能直驅(qū)保證率的計算

3.1 直接計算法

以光伏直驅(qū)變頻離心機為實例，典型的光伏直驅(qū)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 光伏直驅(qū)系統(tǒng)示意圖

光伏能直驅(qū)保證率ψ計算中，最關(guān)鍵是要識別出自發(fā)自用的電能，即光伏陣列直接流向負載的電能。

假設(shè)：Q1為自發(fā)自用的電能；Q2為負載消耗的電能；P2為負載消耗的功率；P3為光伏能發(fā)電的功率。

在實際系統(tǒng)中，P2和P3均為一條跟隨時間變化的曲線，分別為P2(t)、P3(t)。

每一時刻自發(fā)自用的電能取決于這一時刻P2(t)和P3(t)功率的差值對比。當P2(t)≤P3(t)時，自發(fā)自用的電能等于負載消耗的電能；當P2(t)>P3(t)時，自發(fā)自用的電能等于光伏發(fā)電的電能。現(xiàn)在考察t1～t2時間段的情況，自發(fā)自用的電能為：

假設(shè)Min[P2(t)，P3(t)]代表P2(t)和P3(t)的較小者，則

光伏能直驅(qū)保證率：

3.2 間接計算法

假設(shè)：Q3為光伏能直流的電能；Q4為從電網(wǎng)消耗的電能，正值代表從電網(wǎng)取電耗電，負值代表向電網(wǎng)送電發(fā)電；Q4′為從電網(wǎng)往負載方向消耗的電能，為正值；Q4′′為負載方向往電網(wǎng)輸送的電能，為負值；Q5為換流器和變壓器的損耗電能。

根據(jù)能量守恒，從電網(wǎng)消耗的電能為雙向電表的從電網(wǎng)往負載方向消耗的電能與負載方向往電網(wǎng)輸送的電能之差，即：

負載消耗的電能為光伏能直流的電能，加上從電網(wǎng)消耗的電能再扣除換流器和變壓器的損耗電能，即：

自發(fā)自用的電能為負載消耗的電能與從電網(wǎng)往負載方向消耗的電能之差，即：

故光伏能直驅(qū)保證率為：

考慮到對于用戶來說，機載換流器和變壓器為系統(tǒng)必須的部件，故在一般工程中，其損耗電能可看作負載消耗的電能。將Q5并入負載消耗后的光伏能直驅(qū)保證率ψ1為：

3.3 兩種計算法的對比和差異分析

從式(3)可知，直接計算法需實時記錄負載的功率曲線、光伏能直流發(fā)電的功率曲線，并對兩條曲線的相交點進行分段積分運數(shù)。在實現(xiàn)方式上，需專門采用高速傳感器和高速芯片對功率曲線進行采樣、計算和存儲，而這些設(shè)備的耗資需額外增加。

從式(8)可知，間接計算法僅需直流電表的電能數(shù)據(jù)和電網(wǎng)側(cè)交流電表雙向電能數(shù)據(jù)，將需計算時間段起止的3個電量讀出，通過簡單的運數(shù)就能實現(xiàn)。而直流電表和交流電表是光伏直驅(qū)系統(tǒng)必備的計量電表，無需附加額外設(shè)備。兩種計算法的對比如表1所示。

表1 兩種計算法的對比

嚴格來講，這兩種計算法的結(jié)果存在一定差異，主要在于間接計算法對負載消耗的電能根據(jù)工程實際情況進行了簡化計算，將換流器和變壓器的消耗看作負載消耗所導(dǎo)致。兩種方法的差異實際為式(7)和式(8)的差異。參照目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器效率狀況[2]，根據(jù)行業(yè)一般逆變器效率推算的換流和變壓損耗，約占負載消耗電能的3%，即式(7)中的Q5約為負載消耗電能Q2的3%。根據(jù)式(8)計算的光伏能直驅(qū)保證率兩種計算法的差異見表2。

對于光伏能和負載功率配比為1∶1的直驅(qū)系統(tǒng)，在不經(jīng)過任何系統(tǒng)級算法處理的情況下，本例系統(tǒng)的光伏能直驅(qū)保證率能達到50%以上。從表2可看出，差異將小于1.5%，在通過系統(tǒng)級算法手段處理提高的情況下，差異更小。故在實際光伏能直驅(qū)系統(tǒng)工程中，這兩種計算法的差異對運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)的評價沒有影響。

表2 兩種計算法的差異

通過以上對比，使用間接計算法充分利用了系統(tǒng)已有設(shè)備，實現(xiàn)方法簡單、耗費低，能滿足實際工程要求，可作為光伏能直驅(qū)保證率首選的計算方法。

4 結(jié)語

本文對光伏直驅(qū)系統(tǒng)的運營效益進行了初步探索，引入光伏能直驅(qū)保證率的概念，從光伏能的管理和運用角度分析其對運營效益的意義。結(jié)合了光伏直驅(qū)變頻離心機系統(tǒng)工程實際，詳細介紹了兩種計算光伏能直驅(qū)保證率的方法。得出如下結(jié)論：

1)光伏能直驅(qū)保證率反映了光伏直驅(qū)系統(tǒng)的能源管理利用情況，是運營效益重要的評價指標，可在直驅(qū)系統(tǒng)中計算和運用。

2)有兩種方法可對光伏能直驅(qū)保證率進行計算，根據(jù)兩種計算方法的對比來看，優(yōu)選間接計算法作為實際工程的計算方法。

[1]帥鵬坤.格力光伏離心機再獲“國際領(lǐng)先”認定登頂國際制冷技術(shù)制高點[N].羊城晚報，2013-12-24(A23).

[2]段光復(fù)，段倫.薄膜太陽電池及其光伏電站[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.