基于PVsyst的家庭光伏發電系統設計與研究

石多峰，羅振鵬，張思清，王淑玉，張志艷

(內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特 010080)

戶用光伏以其可就近消納、發電過程無污染、國家政策支持等優點獲得了快速發展。近幾年，光伏上網電價和補貼政策逐漸下調，光伏發電面臨平價上網[1-2]，在這樣的發展背景下，戶用分布式光伏發電技術及其發展有待進一步研究。本文以呼和浩特地區一戶5 kW 家庭用電負荷為研究對象，通過PVsyst 軟件對家庭光伏發電系統進行設計和優化，并從發電量、發電損失、經濟效益三方面進行分析。

1 家庭光伏發電系統類型

家庭光伏發電系統根據系統結構、能量流動、結算方式分為三種類型[3]：全額上網發電系統，自發自用余電上網發電系統和離網自用發電系統。全額上網系統能量流動最簡單，光伏所發電量全部上網，家庭負荷從電網獲取電能。自發自用余電上網發電系統配置有光伏和蓄電池，能量流動最復雜。光伏輸出具有波動性，加入蓄電池可減少并網運行時對電網的沖擊，減少棄光現象，提高供電可靠性。光伏所發電量優先供給負荷，無負荷時優先給蓄電池充電。當電池處于充滿狀態也無負載時，多余電量向電網出售。光伏和蓄電池都無法給負載供電時由電網供電，保證供電可靠性。該系統電池能量不會反饋至電網，具有較好的經濟效益。離網自用發電系統在有光照時優先由光伏供電，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，一般用于偏遠牧區。

2 基于PVsyst的家庭光伏發電系統設計

2.1 地理氣象數據設置

進行系統設計時，PVsyst 首先根據地理參數新建地點，并從Meteonorm 中導入相應地理氣象數據。呼和浩特一戶家庭地理參數為東經111.66o，北緯40.8o，海拔1 040 m，其氣象數據如表1 所示。

2.2 房屋模型建立

導入地理氣象數據后，需要確定光伏板最佳傾斜角和方位角。北半球大多數情況下，方位角選擇正南方向[4]，三個系統均為0o。傾斜角根據系統類型選擇，對于全額上網和自發自用余電上網系統，全年要保持發電量最大化，傾斜角為39o；離網自用系統以冬季發電量滿足負荷為主，傾斜角為62o。呼和浩特市區建筑屋頂多為平面，適合光伏板的鋪設與安裝。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 呼和浩特地區氣象數據

圖1 房屋模型

2.3 家庭負荷參數設置

房屋模型建立后，通過調查分析獲得該地區家庭日負荷數據，如表2 所示。軟件中選擇全年日負荷相同進行仿真，日用電9.8 kWh，月用電294.3 kWh，年用電3 580.3 kWh。

表2 家庭日負荷數據

2.4 系統參數設置

在確定光伏板最佳傾斜角、方位角，房屋模型，負荷數據后，根據家庭光伏發電系統類型設置光伏板、逆變器和蓄電池等參數。三種系統均采用型號為LR4-72 HPH 430 M 的光伏板，其參數如表3 所示。

表3 光伏板參數

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

離網自用系統依據無光伏輸入獨立運行兩天情況選配電池容量。系統選用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，每組由4 個鉛酸電池串聯。電池組額定電壓48 V，容量500 Ah。PVsyst 中電池標稱容量表示為C10。

自發自用余電上網系統根據負荷參數、光伏發電量、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，每組由4 個鉛酸電池串聯。電池組額定電壓48 V，容量200 Ah。

2.5 損失參數設置

熱損因數K設定為K=Kc+Kvv，其中Kc為29.0 W/(m2·k)，Kv為0 W/(m2·k)，v為風速，m/s。設定標準測試條件(STC)下布線損耗分數為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格的偏差，設置為3%。失配損耗是由于在組串模塊中，單個組件最低電流驅動整串電流導致的損耗，采用默認值1%。呼和浩特地區常年有風沙天氣，灰塵損耗設置為3%。逆變器效率損耗(逆變器自身參數)為3.2%。陰影遮擋損耗，根據光伏電池板間距確定，每日9：00 至15：00不出現遮擋[5]。

3 仿真結果與經濟性分析

3.1 仿真結果

通過PVsyst 仿真得出三種家庭光伏發電系統的仿真結果如表4 所示，全額上網系統將光伏產生的電能全部上網售出作為經濟收入，年上網電量為8 724 kWh，家庭用電全部從電網購電，年電網購電量為3 580.3 kWh。通過PVsyst 合理配置光伏板和電池組容量，自發自用余電上網系統的年自用電量為3 480 kWh，滿足該家庭一年中大部分負荷，僅從電網購電101 kWh，該系統年上網電量為4 792 kWh。系統效益比(PR)是光伏系統總體效率，定義如式(1)所示：

式中：Yf為系統每日可用能量，kWh/kW；Yr在數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，自發自用余電上網系統的PR值低于全額上網系統的PR值。兩個系統進行PVsyst 設計時，采取相同的光伏板、逆變器以及陣列安裝方式，但自發自用余電上網系統增加了電池組，存在1.15%充電損失、1.43%電池內部損失(比如內部電阻、析氣效應等)和2.7%電池經逆變器輸出損失，導致自發自用余電上網系統可利用能量比全額上網系統減少一部分，因此自發自用余電上網系統PR值相對要小。

表4 PVsyst 仿真結果

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

通過PVsyst 仿真獲得各系統標準化能量圖，可以直觀地比較各系統一年中各月份系統每日可利用能量Yf，每日系統損失Ls以及每日收集損失Lc。圖2 為全額上網系統標準化能量圖，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 全額上網系統日均標準化能量圖(標稱功率5.0 kW)

圖3 為自發自用余電上網系統標準化能量圖，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，該系統由于配置蓄電池，增加了與蓄電池有關損耗，導致該系統Yf比全額上網系統Yf少0.24 kWh/kW，這部分計入系統損失，因此自發自用余電上網系統Ls要比全額上網系統Ls多0.24 kWh/kW；Lc為0.43 kWh/kW，占8.2%，與全額上網系統相同。

圖3 自發自用余電上網系統日均標準化能量圖(標稱功率5.0 kW)

圖4 為離網自用標準化能量圖，該系統傾斜角與前兩種系統不同，所以同一地區相同輻照度下組件獲取的能量不同，該系統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；離網自用系統光伏陣列的排布與安裝以及組件安裝容量與前兩種系統不同，所以Lc為0.4 kWh/kW，占8.3%；每日未利用能量Lu是指當系統處于“飽和”狀態，比如電池已充滿電或者負載需求有限，系統產生的能量多于需求而無法利用，本系統Lu為1.34 kWh/kW，占27.8%。設計離網自用系統時，考慮投資與維護成本而減小蓄電池容量，同時家庭負荷集中于夜間，因此白天光伏產生的能量沒有充分利用，針對這一問題可將部分夜間負荷在白天使用，以減小用戶缺電量，增加系統可利用能量，提高PR值。

圖4 離網自用系統日均標準化能量圖(標稱功率3.5 kW)

3.2 經濟性分析

采用凈現值法對三種系統進行經濟性分析。凈現值(NPV)法廣泛應用于分析帶儲能的光伏項目、屋頂光伏項目等[6]。如果凈現值大于0，說明項目可以投資；如果凈現值小于0，說明項目不可以投資，應當放棄。對于戶用分布式光伏發電項目，凈現值公式為：

式中：n是投資項目生命周期，本文設定n為25年；NPVin為現金流入量，包括上網收益、自用收益、光伏補貼[7]等；NPVout為現金流出量，包括運營成本、貸款成本、稅收等；r為折現率，即凈現值為0時的基準收益率[8]，本文取r=8%；Cinv是初始投資。

圖5 為依據式(2)計算出的不同家庭光伏發電系統的凈現值結果。全額上網系統在有補貼和無補貼時凈現值均大于0，在三種家庭光伏發電系統中凈現值均最高，因此經濟效益最好，但近幾年電網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目上網，全額上網系統優勢不明顯。自發自用余電上網系統在有補貼時凈現值為1 852.1 元，僅需從電網購電101 kWh，具有一定消納比例，符合當前國家政策的要求，因此該家庭可以安裝這種光伏發電系統，但該系統在無補貼時凈現值小于0，目前仍需要補貼政策保證經濟效益。離網自用發電系統雖然符合國家政策要求，但受限于光伏板和蓄電池成本，因此還需要一些優惠政策支持，需要通過提升技術和降低成本來提高經濟效益。

圖5 不同家庭光伏發電系統凈現值結果

4 結論

本文基于PVsyst 對三種戶用分布式光伏發電系統進行設計，通過仿真結果分析各系統發電量、發電損失。針對三種系統采用凈現值法進行經濟性分析，研究結果表明：對于呼和浩特地區家庭戶用光伏系統建設，建議安裝自發自用余電上網系統。該系統符合國家政策，具有一定消納比例，有利于電網運行，但目前要具有盈利能力仍需要補貼政策支持。隨著光伏上網的電網市場競爭，戶用分布式光伏系統需要提升光伏板和蓄電池技術，降低投資成本，才能保證高質量、可持續發展。