论文：光伏发电并网的电能计量问题研究

摘要：随着我国人口、经济的增长以及科技的日益发达，传统的发电模式已经逐渐不能满足人们的电量的需求，且传统发电模式对环境的污染较大，因此光伏发电受到了各个国家的大力推动。由于光伏发电并网的电能计量方式与传统的电能计量方式存在一定差别，因此随着这种发电方式的逐渐普及，相匹配的电能计量技术也需要进行研究。 关键词：光伏发电；并网；电能计量；发电方式；电力系统我国目前使用最多的发电方式是火力发电。但这种发电方式对煤炭资源的需求量大，容易对环境造成严重污染，且随着社会的发展，人们的用电量逐渐加大，传统的发电方式也难以满足我们对电量的需求。光伏发电技术的出现很好地弥补了我国传统发电方式的不足之处。光伏发电能为我们提供更多的电能，其绿色、环保的发电方式也避免了像传统的发电方式一样对环境造成污染。但光伏发电的电能计量方式与传统发电的电量计量方式不同，因此本文将对光伏发电并网的电能计量问题进行探讨。 1 光伏发电及光伏发电并网系统 光伏发电是太阳能发电的其中一种方式，其功率可大可小、易于维护。光伏发电应用的是光生伏特效应原理，光生伏特效应是指半导体在受到光的照射时产生电动势的现象。太阳能发电中的光伏发电是应用光生伏特效应将太阳的辐射转换为电能。光伏发电并网指由光伏发电产生的直流电经过逆变器后，转换为符合市区用电要求的交流电之后，并入公共电网的一种发电方式。 2 并网准则 对于以10（20）千伏电压等级接入电网或同时以10（20）千伏、380（220）伏两种电压等级接入电网的分布式新能源发电项目，由局本部提供并网服务：以380（220）伏电压等级接入电网的项目，由各区（市）局提供并网服务。分布式光伏发电项目接入电压等级，应根据项目所在地电网结构和光伏发电项目分布的实际情况确定，可参考原则如表1所示： 第一，分布式光伏电能计量表应符合相关电能表技术规定，应具备双向计量、分时计量、电量冻结等功能、支持载波、RS485、无线多种通信方式、适合不同使用环境下数据采集需要。 第二，220V计量点应配置S485单相电子式电能表或单相电子式载波电能表。 第三，380V计量点和10kV计量点应配置葡萄三相电子式电能国标、三相电子式载波电能表式或三相电子式多功能电子表，表计应符合三相电子式多功能电能表技术标准。 第四，分布式光伏发电项目接入电网时，需要在并网接入处和发电侧同时设置计量点。并网计量点应设置在分布式电源接入配电网的产权分界处，分布式光伏电源发电侧应尽量集中，各个集中发电点设置一个计量点。 3 传统电能计量方法 3.1 高供高计 高压供电，高压侧计量主要用于国家电压标准10kV及以上的高压供电系统，需经过高压电压互感器、高压电流互感器计量。其电表额定电压等级为三相三线三元件或者三相四线三元件。计算用电量需乘PT、CT倍率。10kV/315kVA受电变压器以上的大用户为高供高计。 3.2 高供低计 高压供电，低压侧计量主要用于35kV、10kV以上的供电系统，需经过低压电流互感器计量，计算用电量需乘CT倍率10kV/500kVA及以下为高供低计。 3.3 低供低计 低压供电，低压侧计量主要用于用10kV公用配电器的220V、380V供电用户。低压侧计量是我国目前城乡应用最普遍的电能计量方式。 4 光伏发电并网的电能计量方法探究 光伏发电的特别之处，如果其产生的电能可以在满足电荷后还有盈余，则可以将剩余的电能输送给电网，但如果其产生的电能不能满足自身电荷，则需要从电网中获取电能。但传统的电能计算方法一般是采用单向计量方式，只能记录电网提供的电能而不能同时记录输送给电网的电能，因此传统的电能计量方法不能满足光伏发电并网的电能计量需求。为了能够同时计量向电网输送的电能以及从电网获取的电能，我们可以采用以下两种方法来解决这个问题： 4.1 单向电能表计量法 如图1所示，电能表1计量的是从逆变器输出的电能，电能表2记录的是居民用电消耗的电能。如果在读数时，电能表1的数值大于电能表2的数值，则表示光伏发电产生的电能在满足居民用电后还有剩余，将剩余的电能输送给了电网。若电能表2的数值大于电能表1的数值，则表示光伏发电产生的电能不能满足居民用电所需，需要从电网中获取电能。两电表间读数的差值表示的是向电网输送的电量或从电网中获取的电量。但这种方法的缺点是需要使用两块电表，造成成本较高，且不能方便地显示出电能的方向。为了解决上述问题，我们需要设计出可以双向计量的电表。 4.2 电能表计量法 由于在用电网络中负载不一定全部都由电阻构成。有一部分电能功率被称为无功功率，这部分电能被储存在电感和电容中，仅作交换用途而并没有被消耗。而用户实际消耗的电能则称为有功电能，这也是我们日常生活中电表所记录的电能。根据这个情况，我们应用ADC模数转化电路来采集电流、电压，并转换成数字信号，将这些信号传递到专用的芯片进行处理，以迅速计算出我们所需要的电能信息。但由于ADC采集电路时不可以采集到每一个时刻的信号，所以我们将ADC在一段时间内采集到的信号个数设为n，当n值很大而且采集的时间很短的时候，可以将采集到的信号近似地看作连续信号。将ADC在一段时间里等间隔连续采集的n个瞬时电压信号设为u，将n个瞬时电流信号设为i，将有效电压设为U，将有效电流设为I，则： 运用相同的方法，我们可以计算出有效电流I。我们将瞬时功率设为p，将有功功率设为P，将视在功率设为S，将功率因数设为Fp，则： 我们可以用有功功率P的正负值来判定功率方向，当P为正值时，功率方向为正，当P为负值时，功率方向则为负。又或者，我们首先设任意一个二端网络，将任意时刻值设为t，将瞬时功率设为p，将端口电压设为u，将端口电流设为i，则： 设正弦稳态下端口电压为U，则： 由上述公式可以看到，瞬时功率包含了两个分量。当电压电流幅值、相角稳定时，如果第一分量恒大于零，则表明它消耗功率，如果第一分量恒小于零，则表明它提供功率，这一分量是瞬时功率中的不可逆分量，我们将它称为有功分量；第二分量则根据正弦周期性变化，时正时负，并且平均值为零，这一分量是瞬时功率中的可逆分量，我们将它称为无功分量。有功功率又称为平均功率，定义为瞬时功率在一个周期内的平均值，记为P，则： 根据等式我们可以得到，有功功率可以看作瞬时功率有功分量在一个周期里面的平均值。因此我们可以通过低通滤波器获取瞬时功率的有功分量，也就是“瞬时有功功率”，然后在时间上对“瞬时有功功率”进行积分得到电能。 5 光伏发电并网的电能计量方法与传统电能计量方法比较 根据研究我们可以发现，光伏发电并网的电能计量方法与传统的电能计量方法主要存在两点不同：一是传统的电能计量方法只能够记录电网提供的电能，但光伏发电并网由于不仅接受来自电网提供的电能，在其满足自身用电且有电能剩余的情况下，它也会向电网输送电能，因此光伏发电并网计量方法不仅要记录电网提供的电能，也要计量其向电网输送的电能；二是由于传统的电能计量方法只需要记录一个方向的电能，为单向计量方法，不需要识别电能方向，而光伏发电并网由于其需要记录两个相反方向的电能，因此光伏发电并网的电能计算方法需要识别出电能的方向再分别计算。而在光伏发电并网的两种计量方法中，由于使用两个单向电能表计量的经济性与便利性都不如使用双向电能表，因此使用双向电能表去计量光伏发电并网的电能，是目前更为合适的方法。 6 结语 目前，随着国家的大力支持和鼓励，越来越多的居民用户已经参与到光伏发电并网的应用中。但在一种新的发电用电方式被普及的同时，与其相匹配的电能计量方式的研究也要得到重视。只有准确地计量出相关的电能数据，我们才能对这种新的发电用电方式进行更深入的分析，也才能让好的新方式得到更快的推广。光伏发电并网比起传统的发电用电方式，不仅能为我们提供更多的电能，弥补传统发电的电能不足，而且这种发电方式更加的环保，对人类的可持续发展也做出了很大的贡献。本文在这里介绍的光伏发电并网的电能计量方法都有很强的实用性，