光伏直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效益計(jì)算探索

珠海格力電器股份有限公司 ■ 唐政清 鐘金揚(yáng) 李偉進(jìn)

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(dòng)負(fù)載，且能在光伏電能富余時(shí)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(shí)從電網(wǎng)取電實(shí)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(jī)系統(tǒng)[1]。

針對(duì)這些新出現(xiàn)的系統(tǒng)，如何評(píng)價(jià)其運(yùn)營(yíng)效益成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文引入光伏能直驅(qū)保證率來(lái)評(píng)價(jià)光伏直驅(qū)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)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(shì)的最重要參數(shù)之一。本文結(jié)合光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)的實(shí)例，提出光伏能直驅(qū)保證率具體的計(jì)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(shì)是直接使用光伏能，無(wú)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(shì)的最重要參數(shù)之一。光伏能直驅(qū)保證率指在某個(gè)時(shí)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(fù)載總耗電量中的比重，是系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)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(duì)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(yùn)營(yíng)效益。以400 kW裝機(jī)負(fù)載容量為例，假設(shè)：

1)設(shè)備平均工作時(shí)間為每天10 h；

2)相對(duì)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(jià)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(jì)算，相當(dāng)于節(jié)省燃油2.65萬(wàn)L或節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(shí)減少因火力發(fā)電產(chǎn)生的27.74 t粉塵，節(jié)約40788萬(wàn)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(jì)算

3.1 直接計(jì)算法

以光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)為實(shí)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(jì)算中，最關(guān)鍵是要識(shí)別出自發(fā)自用的電能，即光伏陣列直接流向負(fù)載的電能。

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

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

每一時(shí)刻自發(fā)自用的電能取決于這一時(shí)刻P2(t)和P3(t)功率的差值對(duì)比。當(dāng)P2(t)≤P3(t)時(shí)，自發(fā)自用的電能等于負(fù)載消耗的電能；當(dāng)P2(t)>P3(t)時(shí)，自發(fā)自用的電能等于光伏發(fā)電的電能?，F(xiàn)在考察t1～t2時(shí)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(jì)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(fù)值代表向電網(wǎng)送電發(fā)電；Q4′為從電網(wǎng)往負(fù)載方向消耗的電能，為正值；Q4′′為負(fù)載方向往電網(wǎng)輸送的電能，為負(fù)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(fù)載方向消耗的電能與負(fù)載方向往電網(wǎng)輸送的電能之差，即：

負(fù)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(fù)載消耗的電能與從電網(wǎng)往負(fù)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(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，機(jī)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(fù)載消耗的電能。將Q5并入負(fù)載消耗后的光伏能直驅(qū)保證率ψ1為：

3.3 兩種計(jì)算法的對(duì)比和差異分析

從式(3)可知，直接計(jì)算法需實(shí)時(shí)記錄負(fù)載的功率曲線、光伏能直流發(fā)電的功率曲線，并對(duì)兩條曲線的相交點(diǎn)進(jìn)行分段積分運(yùn)數(shù)。在實(shí)現(xiàn)方式上，需專門采用高速傳感器和高速芯片對(duì)功率曲線進(jìn)行采樣、計(jì)算和存儲(chǔ)，而這些設(shè)備的耗資需額外增加。

從式(8)可知，間接計(jì)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(jì)算時(shí)間段起止的3個(gè)電量讀出，通過簡(jiǎn)單的運(yùn)數(shù)就能實(shí)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(jì)量電表，無(wú)需附加額外設(shè)備。兩種計(jì)算法的對(duì)比如表1所示。

表1 兩種計(jì)算法的對(duì)比

嚴(yán)格來(lái)講，這兩種計(jì)算法的結(jié)果存在一定差異，主要在于間接計(jì)算法對(duì)負(fù)載消耗的電能根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算，將換流器和變壓器的消耗看作負(fù)載消耗所導(dǎo)致。兩種方法的差異實(shí)際為式(7)和式(8)的差異。參照目前國(guó)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(fù)載消耗電能的3%，即式(7)中的Q5約為負(fù)載消耗電能Q2的3%。根據(jù)式(8)計(jì)算的光伏能直驅(qū)保證率兩種計(jì)算法的差異見表2。

對(duì)于光伏能和負(fù)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(jí)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(dá)到50%以上。從表2可看出，差異將小于1.5%，在通過系統(tǒng)級(jí)算法手段處理提高的情況下，差異更小。故在實(shí)際光伏能直驅(qū)系統(tǒng)工程中，這兩種計(jì)算法的差異對(duì)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)沒有影響。

表2 兩種計(jì)算法的差異

通過以上對(duì)比，使用間接計(jì)算法充分利用了系統(tǒng)已有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、耗費(fèi)低，能滿足實(shí)際工程要求，可作為光伏能直驅(qū)保證率首選的計(jì)算方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)光伏直驅(qū)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效益進(jìn)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(yùn)用角度分析其對(duì)運(yùn)營(yíng)效益的意義。結(jié)合了光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)系統(tǒng)工程實(shí)際，詳細(xì)介紹了兩種計(jì)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(yùn)營(yíng)效益重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可在直驅(qū)系統(tǒng)中計(jì)算和運(yùn)用。

2)有兩種方法可對(duì)光伏能直驅(qū)保證率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)兩種計(jì)算方法的對(duì)比來(lái)看，優(yōu)選間接計(jì)算法作為實(shí)際工程的計(jì)算方法。

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

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