分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊中華

（華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310014）

0 引言

近年來，化石能源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化受到了全球持續(xù)關(guān)注，人們在不斷探索研究綠色、環(huán)保、可再生新能源的開發(fā)和利用，其中也包括太陽能。我國在太陽能光伏（PV）領(lǐng)域的研究和利用也已經(jīng)進(jìn)入到快速發(fā)展的階段。

華東地區(qū)由于人口稠密，用地緊張，建設(shè)大規(guī)模太陽能光伏發(fā)電場在經(jīng)濟(jì)上可行性較差，因此本地區(qū)的太陽能光伏利用主要以在大型工業(yè)廠房、公共建筑等屋頂建設(shè)太陽能光伏發(fā)電站的形式出現(xiàn)。此類項(xiàng)目一般位于城市近郊或工業(yè)開發(fā)區(qū)，裝機(jī)容量通常為0.5～5 MW之間，組件安裝一般采用固定式，并網(wǎng)采用0.4 k V或10 k V就近并網(wǎng)方式?，F(xiàn)就此類項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)特殊要點(diǎn)進(jìn)行一些總結(jié)和探討。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由屋頂光伏組件陣列、光伏陣列匯流箱、直流配電柜、逆變器、低壓交流柜、升壓變壓器、高壓交流柜及電纜組成的多級匯流、逆變、升壓、并網(wǎng)系統(tǒng)組成。典型系統(tǒng)框架如圖1所示。

光伏陣列匯流箱是一種具有將太陽能電池組件有序連接、匯流和防雷功能的接線裝置。該裝置能夠保障光伏系統(tǒng)在維護(hù)、檢查時(shí)易于分離電路，當(dāng)光伏組件發(fā)生故障時(shí)盡量減少退出系統(tǒng)運(yùn)行的組件數(shù)量，是光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的一次匯流設(shè)備。光伏陣列匯流箱在屋頂光伏組件方陣場就地室外安裝。光伏組件陣列通過匯流箱在室外進(jìn)行匯流后，經(jīng)電纜接至機(jī)房的直流配電柜進(jìn)行二次匯流。直流配電柜將二次匯流后的直流電能經(jīng)電纜送至并網(wǎng)逆變器，經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，再經(jīng)升壓后饋入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。

2 光伏組件的安裝

光伏組件是由若干塊晶硅電池或薄膜電池封裝組成，安裝在建筑物屋頂接受太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換為電能的器件。受材料科學(xué)技術(shù)限制，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率要提高1%～2%非常困難，所以光伏組件的安裝對系統(tǒng)效率的提高顯得尤其重要。

光伏組件的安裝要根據(jù)工程所在地的經(jīng)緯度、地形、建筑朝向等因素因地制宜，使組件盡可能多地接受陽光輻射。

光伏組件的安裝主要需確定安裝傾角及安裝間距。

2.1 光伏組件的安裝傾角

由于地球的赤道面和黃道面存在夾角，一年內(nèi)太陽直射點(diǎn)在南、北回歸線之間變化，同一地點(diǎn)不同季節(jié)受到最大陽光輻射的角度也會隨之變化。因此，要使光伏組件平面上全年接受最大陽光輻射量，光伏組件安裝傾角不能簡單地等于當(dāng)?shù)鼐暥戎?，也不能以水平面上太陽輻射最低月份（北半球通常?2月）得到最大太陽輻射量所對應(yīng)的角度作為組件的傾角，因?yàn)檫@樣在夏天時(shí)，組件平面上受到的太陽輻射量會被大大削弱。

光伏組件的安裝傾角應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑑A角平面上全年平均太陽輻射量來確定。

根據(jù)中國國家氣象中心發(fā)布的1981—2000年《中國氣象輻射資料年冊》統(tǒng)計(jì)整理，我國部分地區(qū)光伏組件的最佳安裝傾角如表1所示。

表1中的φ是當(dāng)?shù)鼐暥?；β是并網(wǎng)光伏組件的最佳安裝傾角；HT是方組件表面上全年平均輻射量。

2.2 光伏組件的安裝間距

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于受場地限制，一般需要分前后幾排安裝光伏組件。此時(shí)必須在前后排組件之間保持一定的距離。組件方陣前后排之間的距離應(yīng)保證全年最不利日（即冬至日）當(dāng)?shù)貢r(shí)間09：00—15：00時(shí)段內(nèi)互不遮擋陽光。

圖2為2排組件之間最小距離示意圖。

表1 中國部分地區(qū)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)組件安裝最佳傾角

圖2 2排組件之間最小距離示意圖

由圖2所示，根據(jù)幾何關(guān)系可知，2排組件之間的最小距離為：

因此，只要知道工程所在地的緯度，并確定了組件的安裝傾角，就可通過上式算出2排組件之間的最小安裝間距。

3 直流側(cè)線路壓降的控制

光伏組件接受陽光輻射產(chǎn)生的直流電能，需經(jīng)過2級匯流送至逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能，從屋頂光伏組件至逆變器一般采用電纜連接。根據(jù)《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ203—2010）的要求，直流側(cè)線路損耗應(yīng)控制在2%以內(nèi)。

要控制直流線路的損耗，可以從2個方面采取措施：盡量減小從光伏組件至逆變器的線路長度；適當(dāng)增大電纜截面，減小壓降。

3.1 減小從光伏組件至逆變器的線路長度

需分析項(xiàng)目總平面的布置。由于每幢建筑的屋頂面積有限，光伏組件往往會安裝在多幢建筑物的屋頂，如果逆變器集中安裝在配電房內(nèi)，需考慮配電房至各建筑物之間線路路徑應(yīng)盡量控制到最小。如果條件允許，逆變器也可以就近安裝在各建筑物頂層的房間內(nèi)。

3.2 適當(dāng)增大電纜截面

由于各級匯流裝置的存在，需將光伏組件之間的連接線、組件至匯流箱、匯流箱至直流配電柜、直流配電柜至逆變器之間的各段電纜分別計(jì)算壓降，再將各段壓降相加。選取合適的各段電纜截面規(guī)格，使各段線路壓降之和控制在2%以下。

直流線路電壓損失計(jì)算公式為：

式中，Δu%為線路電壓損失百分?jǐn)?shù)；R′0為線路單位長度的電阻（Ω／km）；P為線路輸送的直流功率（k W）；l為線路長度（km）；Unph為計(jì)算線路傳輸?shù)闹绷麟妷海╧ V）。

4 防雷及浪涌保護(hù)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件安裝在建筑屋面，一般都已經(jīng)裝有完善的屋頂防雷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)光伏組件時(shí)應(yīng)采用滾球法復(fù)核屋面原有防雷系統(tǒng)是否能保護(hù)全部光伏組件，如果有部分光伏組件位于屋面防雷系統(tǒng)保護(hù)范圍之外，應(yīng)加裝適當(dāng)?shù)谋芾籽b置，并與原有避雷裝置連接。

光伏組件的外框、支架、緊固件等金屬材料要采取等電位連接措施，每排（列）金屬構(gòu)件均可靠連接，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于2點(diǎn)可靠連接。

現(xiàn)場匯流箱、直流配電柜內(nèi)匯流母線上應(yīng)安裝符合Ⅰ級分類試驗(yàn)要求的浪涌保護(hù)器（SPD），該SPD的標(biāo)稱放電電流應(yīng)不低于20 k A（10／350μs波形），持續(xù)運(yùn)行電壓不低于1.15U0（U0為所連接光伏組件串聯(lián)后的最大開路電壓）。

5 開關(guān)站及其他

由于分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝在已建成的廠區(qū)或建筑群內(nèi)，因此光伏系統(tǒng)的開關(guān)站設(shè)計(jì)往往因規(guī)劃、用地等原因而做出犧牲，有時(shí)甚至只能在廠區(qū)角落處設(shè)計(jì)開關(guān)站。這時(shí)需要平衡工廠總平面布置和線路敷設(shè)等因素，必要時(shí)可與建筑業(yè)主協(xié)商，在已建成的建筑物內(nèi)劃出一部分面積設(shè)計(jì)開關(guān)站。開關(guān)站的布置原則應(yīng)滿足《10 k V及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》和《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

由于逆變器的轉(zhuǎn)換效率一般在96%～98%，損耗部分的能量以熱能的形式排放到逆變器室內(nèi)，因此在較大裝機(jī)容量的光伏系統(tǒng)，尤其是逆變器集中安裝時(shí)，應(yīng)特別注意逆變器室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)。

6 存在問題及建議

直流側(cè)的匯流箱、直流配電柜各回路進(jìn)出線均安裝有短路保護(hù)電器，且按照規(guī)范短路保護(hù)電器整定值不低于回路標(biāo)稱短路電流的1.25倍。但根據(jù)太陽能電池的特性曲線，其短路電流為一個定值，約為1.05倍額定電流。因此，直流線路安裝的短路保護(hù)電器實(shí)際上并不能實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的功能，而僅僅是一個開關(guān)電器。并且一旦某一個回路發(fā)生短路，由于短路電流不大，運(yùn)行人員很可能不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而使故障長期存在，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率降低、光伏組件壽命縮短，甚至擴(kuò)大故障范圍。

因此建議增設(shè)一套并網(wǎng)光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)，用以監(jiān)控交、直流側(cè)設(shè)備及逆變器各進(jìn)出線回路的各項(xiàng)電量，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，盡早發(fā)現(xiàn)故障并定位和排除故障。

［1］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2009

［2］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊［M］.中國電力出版社，2005