屋顶分布式光伏发电设计_张立斌

屋顶分布式光伏发电设计张立斌（ 冀北电力有限公司电力经济技术研究院 ， 北京 100070）摘 要 ： 以屋顶分布式光伏发电系统为例 ， 介绍了分布式光伏发电系统的构成及其建设所需要的地理和气象条件 ， 并提出了屋顶光伏发电系统的设计及并网方案 。关键词 ： 光伏发电 ； 分布式 ； 并网 ； 设计方案中图分类号 ： TM615 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1003-9171（ 2014） 01-0013-03Design of Distributed Photovoltaic Power Generation on Ｒ oofZhang Li- bin（ Jibei Electric Power Co． Ltd ． Power Economic Ｒ esearchInstitute ， Beijing 100070， China）Abstract ： With the roof distributed photovoltaic power generation system as an example， this paper introduces thecomposition of distributed photovoltaic power generation system and the geographical and meteorological conditionsfor it s construction， and puts forward the design and grid connected schemeof rooftop photovoltaic power generationsystem ．Key words ： photovoltaic power generation； distributed； grid； design scheme0 前言伴随光伏电池技术的不断提高 、 成本的持续降低 ， 及国内新的 “ 金太阳 ” 、 “ 金屋顶 ” 目录的出炉和一系列促进光伏发展政策的出台 ， 特别是《 国家电网公司关于印发分布式光伏发电并网相关意见和规定的通知 》 和 《 国家电网公司关于印发分布式光伏发电接入系统典型设计的通知 》 两项文件的发布 ， 从更高程度上加深了全社会对光伏发电产业的认知度 、 认同感 ， 使个人加入分布式光伏发电成为可能 。1 分布式光伏发电系统构成分布式光伏发电是指利用用户附近有限空间 （ 屋顶 、 建筑体 、 院落 ） 建设的小容量的光伏发电系统 ， 分为离网式光伏发电系统和并网式光伏发电系统 。1． 1 离网式光伏发电系统离网式光伏发电系统由太阳能电池方阵 、 直流箱 、 控制器 、 储能装置 （ 按需配置 ） 、 逆变器 （ 按需配置 ） 构成 。 如图 1。图 1 离网光伏发电系统1． 2 并网式光伏发电系统并网光伏发电系统由太阳能电池方阵 、 直流配电箱 、 逆变器 、 交流配电箱 ， 并网设备构成 。 如图 2。图 2 并网光伏发电系统2 设计收资（ 1） 建设场地的经纬度 、 海拔 、 太阳辐射 、 风速 、 地震烈度 、 温度 。（ 2） 雷暴日 、 建筑接地情况 。（ 3） 拟建设地点建筑物屋顶坡度 、 可用面积 、31No． 1 2014 华北电力技术 NOＲ TH CHINA ELECTＲ IC POWEＲDOI:10.16308/j.cnki.issn1003-9171.2014.01.008防水 、 单位荷载能力 。（ 4） 用户的电网构成 、 设备参数 、 负荷构成 、电源接入点位置 、 设备布置地点 。（ 5） 并网发电系统 ， 还需要接入电压等级的潮流和短路电流情况 。3 屋顶并网分布式光伏发电系统设计个人用户尤其家庭的用电量一般相对较小 ，太阳辐射量白天时较高 ， 光伏系统发电充足 ， 但此时的负荷水平较低 。 夜晚光伏系统发电不足时 ， 却是个人用户的负荷高峰 。并网分布式光伏发电系统很好地解决了这一矛盾 ， 免除了储能装置的配置 。 因此并网分布式光伏发电系统既避免了电量浪费 ， 又有效去除了充放电的能量消耗 、 合理利用场地面积 ， 同时减少了设备数量 ， 节约了系统投资 。因此 ， 下面从适应性最广的屋顶并网分布式光伏发电系统的设计进行描述 ， 离网系统因其相似性可以参照设计 。3． 1 光伏电池的选取光伏电池按技术类型分为单晶硅 、 多晶硅 、薄膜电池和聚光电池等 ， 现市场占有率最高的为前 3 种形式 。如表 1 所示 ， 转换效率最高的单晶硅光伏电池 ， 成本也是最高的 ， 制作工艺复杂 ， 生产过程耗能最高 。 多晶硅光伏电池虽然转换效率低于单晶硅 ， 但制作相对简便 ， 生产过程中耗能也低于单晶硅 ， 市场占有率最高 ； 多晶硅薄膜光伏电池转换率较前两种要低 ， 但成本低廉 ， 因此已获得光伏市场的关注 ； 非晶硅薄膜光伏电池虽然转换率最低 ， 胜在弱光性能好 ， 如能提高稳定性 ， 必将成为市场的新宠 。综合考虑 ， 推荐选取多晶硅光伏电池或多晶硅薄膜光伏电池 。3． 2 光伏电池支架的选取光伏电池支架分为固定式和跟踪式 （ 循迹系统 ） 。 阳光循迹系统又分为水平单轴循迹系统 、竖直单轴循迹系统 、 倾斜单轴循迹系统和双轴循迹系统 。与固定式相比 ， 循迹系统能增加约 30% 的输出 ， 但会增加 0． 6 元 /W 左右的成本 ， 同时也会增加设备的维护量和维护难度 。 由于屋顶装机规模一般不会超过千瓦级 ， 且用户也不便于进行设 备 维 护 ， 所 以 综 合 考 虑 ， 推 荐 使 用 固 定支架 。另外选择支架时 ， 还需考虑防腐 、 风荷载 、 雪荷载和抗震的要求 ， 以满足 25 年使用寿命年限 。3． 3 组件角度设计光伏电池的安装角度是整个系统获得最佳发电量的最重要因素 。 电池方阵的角度分为方位角和倾斜角 。（ 1） 不同季节的太阳产生峰值的方位是不同的 ， 如夏季的午后 ， 太阳产生峰值照射的方位会偏西而不是正南 。 另外受屋顶方位角的影响 ， 以及为躲避太阳阴影等因素的影响 ， 如果想将方位角设置到负荷的最大值与光伏电池出力峰值一致的角度 ， 可按照下式计算 ：θ = （ T － 12） × 15（ ψ － 116） （ 1）式中 θ — — — 光伏电池板方位角 ；T— — — 日负荷峰值时间 ；Ψ — — — 经度 。由于方位角的多因素影响 ， 如无特殊要求 ，通常可设为 0° 。（ 2） 倾斜角应选取使光伏系统年总发电量最大的角度 。 可按照下式计算 ：Ｒ β = S × ［ sin（ α + β ） /sinα ］ + D （ 2）式中 Ｒ β — — — 光伏阵列面上的太阳能总辐射量 ；S— — — 水平面上的太阳能直接辐射量 ；D— — — 散射辐射量 ；α — — — 正午太阳高度角 ；β — — — 光伏阵列倾角 。如数 据 不 全 时 ， 也 可 依 据 GB 50797— 2012表 B（ 全国各大城市光伏阵列最佳请教参考值 ）选取 。表 1 光伏电池对比表种类 转换效率 /% 原材料 生产成本 优点单晶硅 15 单晶硅 高 最广泛获取的电池原料 ， 最成熟多晶硅 12 多晶硅 较高 制造简便 ， 市场使用量最大多晶硅薄膜 10 多晶硅 低 性价比高非晶硅薄膜 6 非晶硅 较低 低光适应性好41 华北电力技术 NOＲ TH CHINA ELECTＲ IC POWEＲ No． 1 20143． 4 光伏电池组件阵列间距最小间距值应保证冬至日 9 点至 15 点期间 ，光伏阵列不出现遮挡 ， 可依据下式计算 ：D = Lcosβ + Lsinβ 0． 707tanφ + 0． 433 80． 707 － 0． 433 8tanφ （ 3）式中 L— — — 阵列倾斜面长度 ；D— — — 两排阵列之间距离 ；φ — — — 当地纬度 ；β — — — 光伏阵列倾角 。3． 5 其他设备材料的选取（ 1） 汇流箱进线回路数可依据光伏电池阵列规模选取 ， 宜就地布置 ， 以减少直流损耗 。（ 2） 逆变器应结合光伏电池串并联方案 、 直流电压和功率输出选择 ， 且需满足并网的要求 。（ 3） 线路电缆可依据所需送出的光伏容量 、并网电压等级选取 。（ 4） 设备如布置在户外 ， 设备箱体的防护等级宜高于 IP40， 如位于沿海地区防护等级宜高于 IP65。3． 6 并网设计并网设计可参照国家电网公司发布的 《 分布式光伏发电接入系统典型设计 》 。国家电网公司表示从 2012 年 11 月 1 日开始 ， 对适合的分布式光伏发电项目业主提供接入系统方案制订 、 并网检测 、 调试等全过程服务 ， 不收取费用 。 因此 ， 业主可以请地市经研所进行接入系统方案的设计 。4 工程设想4． 1 场址情况假想场址位于东经 119°， 北纬 39° 的河北省秦皇岛市北戴河区 。 场址为某厂房 ， 周围多为高层建筑 ， 不存在遮挡 。 屋顶为平顶 ， 尺寸 277．5 × 30． 6 m，满足光伏组件布置要求 。年日照小时数不小于 3 000 h； 年辐射总量约5 850 ～ 6 680 J/m2 ， 平均日辐射总量 17． 17 MJ/m2。多年极端最高温度 39． 2℃ ， 多年极端最低温度 － 20． 8℃ ， 年平均气温 10． 5℃ ， 年平均降水量736． 3 mm。风荷载 0． 5 kN /m2， 雪荷载 0． 25 kN /m 2， 地震烈度 7 度 。4． 2 设备选择（ 1） 165 Wp /23 ． 50． 5 V 多晶硅光伏电池组件 ， 尺寸为 1 320 × 990 × 35 mm；（ 2） 支架采用镀锌钢支架 ；（ 3） 防雷汇流箱选择 8 进线 1 出线形式 ， 尺寸为 630 × 450 × 180 mm， 金属箱体 ；（ 4） 选择 250 kW 并网逆变器 ， 直流工作电压范围为 ： 450 Vdc ～ 880 Vdc， 最佳直流工作电压560 Vdc。4． 3 光伏系统布置光伏 电 池 阵 列 方 位 角 设 为 0° ， 倾 角 依 据GB 50797— 2012 表 B 设置为 33°光伏 组 件 单 列 串 联 组 件 数 量 NS = 560 /（ 23． 50． 5） = 24 块 ， 逆变器需要配置的光伏组件串联数量 NP = 250 000 /（ 24 165） = 64 列 。光伏电池 L = 1 320 mm， 每列高度设置为 H =1 020 mm， 经计算最小间距为 D = 3 140． 87 mm，取间距为 3 200 mm。防雷汇流箱共需 8 台 ， 均布置在光伏组件支架上 。直流配电箱 、 逆变器 、 交流配电箱均布置在一个箱体内 ， 箱体布置在箱变旁 ， 箱体防护等级采用 IP65。4． 4 防雷及接地原建筑屋顶已布置防雷带 ， 且周围存在较近的高层建筑 ， 因此不单独设置防直击雷措施 ， 光伏系统采用截面不小于 100 mm2 的镀锌扁钢与原接地装置相连 ， 接地电阻不大于 4 Ω 。4． 5 并网方案小容量系统建议接入低电压等级 ， 以降低系统损耗 。 并网方案选用 《 分布式光伏发电接入系统典型设计 》 XGF380-Z-2 方案 ， 如图 3。图 3 并网示意图（ 下转第 19 页 ）51No． 1 2014 华北电力技术 NOＲ TH CHINA ELECTＲ IC POWEＲ相间短路为例 ， 高压侧电流 I U = IV = 0． 5I W ， IW =Ik （ 3） ， 装置 Y 侧采用 Y － △ 变换时 ， 根据公式 （ 1）～ （ 3） 得到校正后的电流最大值为 W 相短路电流的 0． 866 倍 ， 即 相 同 位 置 三 相 短 路 电 流 的0. 866 倍 ， 由于三相短路计算比较简单 ， 因此校验时可直接按低压侧三相短路计算 ， 折算到高压侧再乘以 0． 866 即可得到校正后的电流值 ， 不用再根据装置转换方法进行计算 。采用 Δ － ＞ Y 相位调整的装置 ， 变压器 Y 侧电流直接流入装置 ， 低压侧发生相间故障时高压侧最大故障电流等于相应位置三相故障时的故障电流 ， 其灵敏度比 Y － △ 转换的保护高 ， 所以采用 Y － △ 变换的保护灵敏度满足的情况下 ， 另一套采用 Δ － ＞ Y 变换的保护灵敏度可不再进行计算 。因此可进一步简化校验过程 。（ 1） 计算系统小方式下变压器分列运行时低压侧三相相间故障时流过变压器的高压侧的故障电流 I d （ 3） ， Y － △ 变换的保护装置 ， 用 I d （ 3） 乘以 0． 866 即为流入装置的最小短路电流 I dzmin ，Y － △ 变换的保护装置 ， Id （ 3 ） 即为流入装置的最小短路电流 I dzmin ， 并将该电流 Idzmin 折算成主变额定电流的倍数 。（ 2） 根据装置要求计算制动电流 I zd。（ 3） 根据动作方程及制动电流 I zd 计算出相应的动作电流 I dz。（ 4） 计算灵敏度 = I dzmin /I dz 。3 结束语随着电网的飞速发展 ， 电 网 结 构 越 来 越 复杂 ， 这直接影响到变压器差动保护动作的灵敏性及可靠性 ， 通过文中简便 、 实用的校验方法可以使调度部门更清楚的掌握变压器主保护切除故障的能力 ， 为电网的安全稳定运行提供保障 。参考文献［ 1］ 周 志 敏 ， 周 纪 海 ， 纪 爱 华 ． 继 电 保 护 实 用 技 术 问 答［ M］ ． 北京 ： 电子工业出版社 ， 2005 ．［ 2］ 崔家佩 ， 孟庆炎 ， 陈永芳 ， 等 ． 电力系统继电保护与安全自动装置整定计算 ［ M］ ． 北京 ， 水利电力出版社 ， 1993 ．［ 3］ 王钢 ， 丁茂生 ， 李晓华 ， 等 ． 数字继电保护装置可靠性研究 ［ J］ ． 中国电机工程学报 ， 2004（ 7） ： 71 － 75．［ 4］ 易亚文 ， 涂亮 ， 王星华 ， 等 ． 基于模式的自定义继电保护装置整定计算软件 ［ J］ ． 电力系统自动化 ， 2005（ 16） ： 44－ 48．［ 5］ 郭征 ， 贺家李 ． 输电线纵联差动保护的新原理 ［ J］ ． 电力系统自动化 ， 2004（ 11） ： 53 － 57．［ 6］ 林湘宁 ， 刘世明 ， 杨春明 ， 等 ． 几种波形对称法变压器差动保护原理的比较研究 ［ J］ ． 电工技术学报 ， 2001（ 4） ：23 － 27．［ 7］ 袁宇波 ， 陆于平 ， 许扬 ， 等 ． 切除外部故障时电流互感器局部暂态饱和对变压器差动保护的影响及对策 ［ J］ ． 中国电机工程学报 ， 2005（ 10） ： 66 － 69．收稿日期 ： 2013-08-04作者简介 ： 陈雅 （ 1978— ） ， 女 ， 本科 ， 工程师 ， 从事继电保护整定工作 。（ 本文编辑 刘生仁檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱）（ 上接第 15 页 ）4． 6 其他设置多功能展示板 ， 展板安装在光伏系统附近 ， 实时显示光伏系统的信息 。5 结束语分布式光伏发电拥有广阔的市场空间 ， 他的发展关系到国家能源结构的优化和体系构成 。服务光伏系统的接入是电力企业技术人员的一项重要任务 ， 是国家电网公司的一项社会承诺 ，也是建立国家电网公司新能源形象的必经之路 。参考文献［ 1］ 分布式光伏发电接入系统典型设计编委会 ． 分布式光伏发电接入系统典型设计 ［ M］ ． 中国 ： 国 家电网 公 司 ，2012．［ 2］ Mukund Ｒ． Patel ．风能与太阳能发电系统 － 设计 、 分析与运行 ［ M］ ． 北京 ： 机械工业出版社 ， 2009 ．［ 3］ GB 50797— 2012， 光伏发电站设计规范 ［ S］ ．收稿日期 ： 2013-04-28作者简介 ： 张立斌 （ 1984— ） ， 男 ， 工程师 ， 从事变电站电气一次的相关设计工作 。（ 本文编辑 刘生仁 ）91No． 1 2014 华北电力技术 NOＲ TH CHINA ELECTＲ IC POWEＲ