小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓學(xué)棟，王海華，李劍鋒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京市211102)

小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓學(xué)棟，王海華，李劍鋒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京市211102)

國(guó)內(nèi)對(duì)于小型分布式光伏電站的開發(fā)研究還不成熟，為此提出了一種針對(duì)小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。介紹了充放電控制器、逆變器的選擇依據(jù)及儲(chǔ)能電池的設(shè)計(jì)公式，根據(jù)光伏組件的電氣特性闡述了其串并聯(lián)設(shè)計(jì)公式、光伏電纜選型方法，根據(jù)光伏組件的不同布置情況推導(dǎo)出了光伏陣列間距計(jì)算公式，確定了光伏組件前后排的布置間距。通過上述方法輔以具體設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

分布式發(fā)電;光伏發(fā)電;家用小型分布式發(fā)電;儲(chǔ)能電池

0 引言

2013年初，我國(guó)出現(xiàn)大范圍的霧霾天氣，對(duì)環(huán)境以及人體造成諸多損害，而大力發(fā)展綠色、無(wú)污染的可再生能源是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種新型的可再生能源發(fā)電方式，現(xiàn)有針對(duì)分布式光伏發(fā)電的文獻(xiàn)多為國(guó)內(nèi)分布式發(fā)電現(xiàn)狀的綜述和對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的介紹，以及太陽(yáng)能與其他能源的一體化應(yīng)用［1-6］。文獻(xiàn)［2-3］介紹了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)以及在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，但未能提供對(duì)該分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的支撐。文獻(xiàn)［4-6］中介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，但在設(shè)備選型、組件串并聯(lián)、組件間距、儲(chǔ)能配置等環(huán)節(jié)未能提出理論的計(jì)算方法以及操作實(shí)例。我國(guó)首個(gè)家庭光伏電站于2012年12月在青島實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，裝機(jī)容量2 kW。國(guó)家電網(wǎng)公司于2013年2月發(fā)布了《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，在此背景下，本文提出一種小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)該系統(tǒng)中的各關(guān)鍵問題進(jìn)行研究分析。

1 小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能光伏電池組件、并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能電池、用于蓄電池充放電的雙向換流器、電能表計(jì)等部分［7］。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如:安裝方便、維護(hù)少、發(fā)電過程中不會(huì)排放污染物質(zhì)等。本文針對(duì)一典型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開分析和設(shè)計(jì)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作模式為:

(1)白天通過太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電，所發(fā)電能首先通過充放電控制器向蓄電池組充電，當(dāng)電池充滿電之后，所發(fā)電量上送至公共電網(wǎng)。

(2)白天用電時(shí)將首先選用就地的光伏系統(tǒng)所發(fā)電能，在不足以支撐用電負(fù)荷時(shí)切換到公共電網(wǎng)，從公共電網(wǎng)取電;晚上用電時(shí)首先通過充放電控制器從蓄電池組獲取電能，當(dāng)蓄電池組蓄能不足時(shí)從公共電網(wǎng)獲取電能。

圖1 中:W1為發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連的關(guān)口計(jì)量表，該表應(yīng)具備雙向計(jì)量的功能，一方面用以計(jì)量由發(fā)電系統(tǒng)輸向公共電網(wǎng)的電量w1a，另一方面用以計(jì)量從電網(wǎng)獲取的電量w1b;W2為與就地負(fù)載母線相連的計(jì)量表，用以計(jì)算家用負(fù)載的用電量w2。家庭從電網(wǎng)獲取的電量為w1b，家庭自用的光伏發(fā)電量為w2-w1b，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的電量為w1a，由此即可根據(jù)相應(yīng)的電量計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電費(fèi)的結(jié)算。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)需根據(jù)裝機(jī)容量以及應(yīng)用類型選擇合適的控制器、光伏組件等，同時(shí)，陣列間的距離對(duì)電站的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率有較大的影響，如安裝不妥，后排的電池陣列將被前排陣列的陰影遮擋，從而造成組件的熱斑效應(yīng)并影響發(fā)電量。因此，還需對(duì)光伏組件進(jìn)行合理的串、并聯(lián)以及空間布置設(shè)計(jì)。家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)還應(yīng)具有儲(chǔ)能設(shè)備，因此，需要對(duì)儲(chǔ)能蓄電池以及相應(yīng)的充放電控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.1 普通家用電負(fù)荷

家庭負(fù)荷可概括為:5個(gè)20 W節(jié)能燈，日均工作5 h;1臺(tái)150 W的29寸彩電，日均工作4 h;1臺(tái)電功率為200 W的電冰箱，日耗電量約為1 kW·h;1臺(tái)300 W的洗衣機(jī)，日均工作約0.5 h;2臺(tái)70 W左右的筆記本電腦，日均工作3 h;2臺(tái)制冷功率約為1 200 W的空調(diào)，日耗電量每臺(tái)約為2 kW·h，1臺(tái)制冷功率約為1 600W的空調(diào)，日耗電量約為3 kW·h。

通過以上統(tǒng)計(jì)，家庭內(nèi)的一般用電負(fù)荷最大約為4.9 kW，日最大用電量約為9.67 kW·h。但考慮到用電設(shè)備的同時(shí)系數(shù)，3 kW左右的負(fù)荷即可滿足一般使用，日均用電量6 kW·h左右，故本文將以3 kW負(fù)荷、日均用電量6 kW·h作為分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 充放電控制器選擇

充放電控制器，即為雙向換流器，即可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏電池所發(fā)出的能量存儲(chǔ)到蓄電池，也可實(shí)現(xiàn)蓄電池向家用交流負(fù)載或電網(wǎng)釋放，是蓄電池充放電以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)保護(hù)功能的自動(dòng)控制設(shè)備。

本文考慮將充放電控制器置于交流母線側(cè)，故該控制器的交流側(cè)電壓需為220 V(AC)，為便于選擇現(xiàn)有的充電控制器以及方便電池單體串并聯(lián)，蓄電池直流側(cè)電壓設(shè)計(jì)為48 V，本文選擇了型號(hào)為BEG3000-E的雙向換流器，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 逆變器選擇

本文選用了3 kW的家庭負(fù)荷，故選用型號(hào)為SG3KTL、容量為3 kW的逆變器，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.4 蓄電池組容量計(jì)算

對(duì)于海島或者架設(shè)送電線路造價(jià)太高的地區(qū)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)需安裝相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備;對(duì)于具有送電線路的家用小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，考慮到很多家庭白天用電負(fù)荷較小，用電高峰集中在晚上，而太陽(yáng)能恰恰又是與日照密切相關(guān)的，晚上是不發(fā)電的，本著自發(fā)自用余電上網(wǎng)的原則，故該系統(tǒng)中需配備蓄電池組進(jìn)行能量的存儲(chǔ)以便晚間使用［8-10］。同時(shí)，考慮到蓄電池體積較大，家庭分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在自發(fā)電量不足以供給用電負(fù)荷時(shí)，也可從公共電網(wǎng)取市電來(lái)使用。故本文僅從探索的角度出發(fā)，將蓄能容量滿足每天6 kW·h的用電為標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際操作中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體調(diào)整。

儲(chǔ)能蓄電池的容量應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:Cc為儲(chǔ)能電池容量，kW·h;P為日均用電量，kW·h;D為蓄能天數(shù)，d;F為儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)，通常為1.05;U為儲(chǔ)能電池的放電深度，其數(shù)值為0.5～0.8;Ka為包括逆變器等交流回路的損耗率，通常為0.7～0.8。

本文中，放電深度取80%，損耗率取0.8，根據(jù)上述用電負(fù)荷以及儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)，可算得蓄電池容量Cc= 9.84 kW·h。

由于蓄電池充放電控制器直流輸入電壓為42～68 V，充電電流恒定，為了使蓄電池盡快充滿電，本文選擇蓄電池側(cè)電壓為60 V，則蓄電池安時(shí)數(shù)為164 A·h。選用單體標(biāo)稱電壓為12 V，容量為170 A·h的蓄電池5塊，全部串聯(lián)，蓄電池型號(hào)為12SP170，其單體電池參數(shù)如表3所示。

2.5 光伏組件設(shè)計(jì)及選型

2.5.1 光伏組件串并聯(lián)設(shè)計(jì)

由逆變器參數(shù)可知，其最大功率跟蹤電壓為150～450 V，且光伏電池組件的最大裝機(jī)容量需小于3 300 W。同時(shí)，考慮到光伏組件型號(hào)的普遍應(yīng)用性以便安裝以及后期維護(hù)，使光伏電池方陣的電氣特性與逆變器匹配，本文選擇了型號(hào)為TSM-240的組件，其技術(shù)參數(shù)如表4所示。

光伏組件的串聯(lián)數(shù)可如下式計(jì)算V

式中:KV為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù);K＇V為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù);N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N取整數(shù));t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃;t＇為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃;Vdcmax為逆變器允許的最大輸入電壓，V;Vmpptmax為逆變器最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)電壓最大值，V;Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V;Voc為光伏組件的開路電壓，V;Vpm為光伏組件的工作電壓，V［11］。

根據(jù)所選擇的逆變器、光伏組件參數(shù)以及系統(tǒng)所在地，由式(1)(2)可得光伏組件的串聯(lián)數(shù)滿足: 4.39≤N≤13.16。

本文選擇N=13，每串由13塊240 W的光伏組件串聯(lián)組成，每串組件功率為3 120 W。

由于本文選擇的光伏逆變器額定功率為3 kW，則并聯(lián)支路數(shù)為N＇=3 000/3 120=0.961 5。該逆變器的最大直流輸入功率為3 300 W，則此時(shí)并聯(lián)支路數(shù)為N＇=3 300/3 120=1.058。因此，并聯(lián)支路數(shù)取1，則裝機(jī)容量為3 120 W。

2.5.2 光伏專用電纜選擇

連接光伏組件的直流專用電纜的截面大小應(yīng)滿足電纜長(zhǎng)期允許載流量以及回路允許電壓降，截面積S為

式中:ρ為電阻系數(shù)，對(duì)于銅導(dǎo)體ρ=0.018 4 Ω· mm2/m;L為電纜長(zhǎng)度，m;I為計(jì)算電流(回路長(zhǎng)期工作電流)，A;δ為電壓降系數(shù);Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

由于家庭屋頂面積相對(duì)較小，光伏組件的組串?dāng)?shù)較少，則光伏組串可直接接至逆變器而無(wú)須經(jīng)過匯流箱這一環(huán)節(jié)，這樣既節(jié)約了成本又降低了電能在傳輸過程中的損耗。屋頂布置的光伏組件至逆變器的距離一般不會(huì)超過30 m，本文即以30 m作為光伏組件至逆變器的距離。取電壓降系數(shù)為0.5%，綜合前文光伏組件的相應(yīng)參數(shù)，可得S=4.0 mm2，故可選用型號(hào)為PV1-F 1×4 mm2的光伏專用電纜。

2.6 光伏組件安裝傾角及前后間距計(jì)算

2.6.1 光伏組件安裝傾角計(jì)算

項(xiàng)目所在地地理位置為北緯32°，東經(jīng)118°5″，采用加拿大環(huán)境資源署和美國(guó)宇航局共同開發(fā)的光伏系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件RETScreen，計(jì)算出幾種固定傾角下的組件表面總輻射量，如表5所示。由表5可知，在不考慮其他因素的情況下，該地區(qū)的電池組件最佳傾角理論值為25°。在工程實(shí)際中應(yīng)綜合考慮發(fā)電量、屋面情況、安裝難度、穩(wěn)定性等因素，選擇最佳的安裝角度［13-14］。

2.6.2 水平屋面上光伏陣列間距計(jì)算

如果屋面為平頂，光伏組件的布置如圖2所示。由圖2可知:

式中:Q為電池陣列間距;Y為太陽(yáng)射線在地面上的影長(zhǎng);H為前排電池陣列最高點(diǎn)與后排陣列最低點(diǎn)的垂直高度;m為太陽(yáng)高度角;n為太陽(yáng)方位角;A為電池陣列斜面長(zhǎng)度;γ為電池陣列與水平面的夾角。則

式中R為影長(zhǎng)比。

由式(9)可知，影長(zhǎng)比R只與當(dāng)?shù)鼐暥扔嘘P(guān)。南京緯度為北緯32°，則可算得影長(zhǎng)比為2.008。故在平面屋頂進(jìn)行光伏組件的安裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)此影長(zhǎng)比設(shè)置相應(yīng)的前后間距。計(jì)算結(jié)果僅為理論值，現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整陣列的前后間距，但不能小于該值。

2.6.3 斜坡屋面上光伏陣列間距計(jì)算

圖3為太陽(yáng)能電池陣列在有一定坡度的屋面南坡上的布置示意圖。圖3中Q＇為電池陣列間距在水平面上的投影。

式中:φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為冬至日時(shí)的赤緯角，為-23.45°;ω為上午9:00的時(shí)角，為45°。

由以上公式可得:

則

由圖3可得

圖4為太陽(yáng)能電池陣列在有一定坡度的屋面北坡上的布置示意圖。圖中β'為北坡屋頂電池陣列支架傾角。

由圖4可知

則

因電池陣列布置于屋面北坡，則有β'＞α成立。當(dāng)屋面坡度較大時(shí)，為了保證光伏組件安裝的可靠性、抗風(fēng)壓性能等，屋面北坡將不宜布置組件。

2.7 防雷接地設(shè)計(jì)

因光伏組件置于屋頂之上，有可能遭受直擊雷或感應(yīng)雷電波的侵入，因此，光伏組件邊框上的接地孔須用BVR-1×6銅絞線逐個(gè)跨接，直至兩邊緣與光伏組件固定支架的連接螺栓用線鼻可靠固定;光伏組件固定支架采用-50 mm×5 mm熱鍍鋅扁鋼與屋頂?shù)谋芾讕噙B，連接點(diǎn)不少于2處，連接處焊接的長(zhǎng)度應(yīng)不小于扁鋼寬度的2倍。同時(shí)，逆變器直流輸入以及交流輸出等處應(yīng)附帶有避雷器，以防止雷電波的侵入。

3 結(jié)論

(1)在國(guó)內(nèi)大力鼓勵(lì)發(fā)展分布式光伏發(fā)電的背景下，本文提出了一種家用小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)要求，合理地配置了系統(tǒng)中充放電控制器、額定功率3 kW的逆變器以及170 A·h的儲(chǔ)能蓄電池等重要設(shè)備。通過相應(yīng)設(shè)備的具體參數(shù)佐證了選擇的合理性，并設(shè)計(jì)了由13塊太陽(yáng)能光伏組件組成的一串光伏陣列以滿足系統(tǒng)要求。

(2)根據(jù)光伏組件在不同屋面的布置情況，推導(dǎo)出了光伏陣列在平面上以及屋面的南坡和北坡布置時(shí)前后間距的理論公式，可為光伏組件的布置提供參考。

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(編輯:蔣毅恒)

Design of Small Distributed Photovoltaic Generation System

HAN Xuedong，WANG Haihua，LI Jianfeng
(Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China)

At present，the research and development of small distributed photovoltaic(PV)power plants is not mature in China.So this paper proposed a centralized design method for small distributed PV generation system.This paper introduced the selection basis of charging controller and inverter，as well as the design formulas of energy storage battery;described the series-parallel design formula of PV module and the selection method of PV cable according to the electrical characteristics of PV modules;deduced the formula of PV array spacing according to the different layout of PV modules，and determined the layout spacing between each row.Finally，the parametric design of the entire power system was achieved based on the above methods and the specific device parameters.

distributedgeneration;photovoltaicgeneration;householdsmalldistributedgeneration;energy storage battery

TM 615

A

1000－7229(2014)01－0104－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.020［HT］

2013-07-08

2013-09-09

韓學(xué)棟(1987)，男，碩士，主要從事電力系統(tǒng)工程咨詢規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，E-mail:hanxuedong@jspdi.com.cn;

王海華(1979)，女，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)工程咨詢規(guī)劃設(shè)計(jì)工作;

李劍鋒(1971)，男，高級(jí)工程師，高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事電力工程總承包項(xiàng)目管理工作。