某辦公樓光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)具備實(shí)施方便、清潔無污染的優(yōu)勢(shì)，在既有建筑照明系統(tǒng)老化的情況下，引入光伏發(fā)電、直流配電、分布式電源等形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，綠色節(jié)能，可降低既有配電網(wǎng)峰值壓力，提高照明系統(tǒng)可靠性?，F(xiàn)以某辦公樓照明系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，對(duì)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的搭建、設(shè)計(jì)以及在既有建筑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行了詳細(xì)說明，包括光伏方陣設(shè)計(jì)、直流配電電壓選擇、儲(chǔ)能電池容量選擇、年發(fā)電量估算等。

關(guān)鍵詞：光伏組件；直流配電；儲(chǔ)能電池；光伏微電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM615? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0008-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.003

0? ? 引言

在能源消耗和碳排放“大戶”的建筑領(lǐng)域，在雙碳戰(zhàn)略背景下，以數(shù)字化、智能化為主的新型智慧配電系統(tǒng)，以消納新能源為主的微電網(wǎng)、局域網(wǎng)，是加速建筑碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要舉措。基于此，研究構(gòu)建既有建筑物光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，并提出直流配電及分布式電源的應(yīng)用問題。太陽能作為清潔可再生能源，廣泛存在于各地，光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要途徑，往往以大面積的光伏電站、民用的小型屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)，大面積光伏發(fā)電站存在并網(wǎng)、輸送電的困難，民用小型屋面光伏發(fā)電存在供電穩(wěn)定性、可靠性不足的問題，這些問題都體現(xiàn)了太陽能整體利用率不高的現(xiàn)狀。而光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合建筑內(nèi)的某個(gè)小型配電系統(tǒng)形成以光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、直流配電、柔性供電為核心的微電網(wǎng)系統(tǒng)，能夠有效提高太陽能的利用率，解決光伏發(fā)電供電可靠性和穩(wěn)定性不足的問題[1]。

1? ? 項(xiàng)目概述

某辦公樓為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，陶?；炷量招钠鰤K填充墻，層高均為3.5 m，建筑高度55.9 m，總建筑面積24 500 m2。

該辦公樓地下1層，地上14層，其中第14層為局部建筑，功能為多功能大廳。辦公樓目前照明系統(tǒng)以T5熒光燈為主，由于照明使用頻率較高，鎮(zhèn)流器頻繁燒壞，燈管經(jīng)常更換，擬對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，現(xiàn)對(duì)全樓照明燈具統(tǒng)計(jì)如表1所示。

此辦公樓照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造的主要內(nèi)容有：照明燈具更換為直流LED燈管，交流配電線路更換為直流配電線路，新增直流配電箱和分布式儲(chǔ)能電池，新增屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等。

2? ? 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)框架搭建

微電網(wǎng)屬于一種將分布式電源和負(fù)荷進(jìn)行儲(chǔ)能，將監(jiān)控防護(hù)裝置有效聚合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以有效提高整個(gè)光伏發(fā)電的質(zhì)量及可靠性[1]。本工程為既有建筑提升改造，擬采用直流系統(tǒng)為辦公樓照明負(fù)荷供電，與建筑新增光伏發(fā)電單元、分布式電源形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建圖1所示框架圖。

該系統(tǒng)用電負(fù)載是直流負(fù)載，有光照時(shí)，組件將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時(shí)向蓄電池充電；夜間或者陰雨天，則由蓄電池或電網(wǎng)向負(fù)載供電，優(yōu)先選擇蓄電池，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，通過雙電源切換裝置切換至電網(wǎng)向負(fù)載供電[2]。

3? ? 微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ? 光伏方陣的串并聯(lián)設(shè)計(jì)

本工程辦公樓總裝機(jī)容量為69.12 Wp，采用單晶硅屋頂固定支架方陣。

本工程選用的逆變器容量為40 kW兩臺(tái)，最大陣列開路電壓為1 000 V，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電壓范圍300～850 V，假定每一個(gè)光伏方陣的串聯(lián)組件數(shù)為N。

3.1.1? ? 光伏方陣的串聯(lián)設(shè)計(jì)

電池組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[3]GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算公式如下：

式中：N為電池組件串聯(lián)數(shù)；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Vmpptmin為逆變器輸MPPT最小電壓；Vmpptmax為逆變器輸MPPT最大電壓；Voc為光伏組件開路電壓；Vpm為光伏組件工作電壓；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)；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。

綜合考慮組件方陣布置情況及逆變器的選型，本工程的光伏組件均采用16塊組成一個(gè)串聯(lián)。

3.1.2? ? 光伏方陣的并聯(lián)設(shè)計(jì)

光伏方陣的并聯(lián)數(shù)量根據(jù)逆變器容量大小來定，本工程選用單晶硅組件峰值功率為540 Wp，則每臺(tái)40 kW逆變器采用每串16塊540 Wp單晶硅組件，單個(gè)逆變器安裝64塊光伏組件，共接入1個(gè)逆變器所安裝的光伏組件為4串。

3.2? ? 光伏子方陣的間距及傾角計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中7.2.2條規(guī)定，光伏組件排或列的間距應(yīng)保證每天09：00—15：00時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，此為計(jì)算光伏組件間距的基本依據(jù)。

計(jì)算當(dāng)光伏方陣前后安裝時(shí)的最小間距D，如圖2所示。

計(jì)算公式如下：

太陽高度角的公式：

sin α=sin Φsin δ+cos Φcos δcos ω

太陽方位角的公式：

式中：Φ為當(dāng)?shù)鼐暥葹?9.8°；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.5°；ω為時(shí)角，上午09：00的時(shí)角為-45°。

L=H/tan α

D=Lcos β

式中：H為方陣前排最高點(diǎn)與后排組件最低位置的高度差。

本工程的光伏組件沿混凝土屋面采用固定支架安裝，根據(jù)表2光伏陣列最佳傾角參考值可知，本工程光伏組件安裝傾角43.8°，組件之間安裝間距按上式計(jì)算可得D=4 454 mm。但在進(jìn)行光伏組件的布置時(shí)要避開女兒墻的陰影，并避開采光帶等構(gòu)筑物，方陣與女兒墻及采光帶留出1 500～2 000 mm檢修通道。

3.3? ? 直流配電電壓的選擇

根據(jù)T/CEC 107—2016《直流配電電壓》，直流可選擇電壓如表3所示。

建筑內(nèi)照明供電系統(tǒng)一般為AC220 V供電，供電容量一般不超2 kW。建筑內(nèi)常規(guī)照明AC220 V供電系統(tǒng)改為直流供電，可優(yōu)選DC48 V和DC220 V，其中DC48 V供電電壓為安全電壓，但是供電半徑比較短，無法滿足走廊、樓梯間等較長距離的照明供電，而DC220 V供電電壓雖不是安全電壓，但是跟常規(guī)AC220 V供電電壓吻合，不存在供電半徑無法覆蓋的問題。為進(jìn)一步確定該辦公樓照明系統(tǒng)的供電電壓，分別針對(duì)不同供電電壓下各種供電導(dǎo)線截面不同的情況，計(jì)算供電容量的極限和供電半徑的覆蓋范圍。

式中：ρ為電阻系數(shù)，取0.018 4 Ω·mm2/m；L為導(dǎo)線長度（m）；P為回路容量（kW）；S為導(dǎo)線計(jì)算截面（mm2）；UDC為回路供電電壓（V）。

忽略變電所至樓層配電干線壓降，僅考慮末端配電線路壓降不超過5%，通過計(jì)算，DC48 V和DC220 V照明供電容量和供電半徑對(duì)比如表4所示。

從表4可知，選擇DC48 V安全供電電壓需增加供電導(dǎo)線截面解決供電半徑不足的問題，不是很經(jīng)濟(jì)。考慮到常規(guī)AC220 V雖然為非安全電壓，但也作為照明供電電壓的優(yōu)選電壓經(jīng)過長時(shí)間實(shí)踐運(yùn)行證實(shí)其安全可靠，直流配電電壓亦可選擇DC220 V，同時(shí)可通過加強(qiáng)絕緣、接地保護(hù)等間接接觸防護(hù)措施保證用電的安全性。

本工程辦公樓綜合考慮選擇DC220 V為辦公樓照明供電。

3.4? ? 儲(chǔ)能電池的容量

本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池的容量按下式計(jì)算[4]：

Cc=DFP0/（UKa）

式中：Cc為儲(chǔ)能電池容量（kW·h）；D為最長無日照期間用電時(shí)數(shù)（h）；F為儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)（通常為1.05）；P0為平均負(fù)荷容量（kW）；U為儲(chǔ)能電池的放電深度（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）。

在本項(xiàng)目中，考慮最多1天的陰雨是合適的，所以此處蓄電池的容量應(yīng)為4 410 kW·h。

蓄電池電壓需匹配電網(wǎng)電壓，即為220 V，則蓄電池容量為20 045 Ah，取整20 800 Ah。每串蓄電池組由110塊2 V蓄電池組成，26串并聯(lián)，共計(jì)2 860塊2 V蓄電池。本項(xiàng)目共地下1層、地上14層，26串蓄電池組分5組，其中-1F～2F設(shè)置6串并聯(lián)，共660塊電池組；3F～5F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；6F～8F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；9F～11F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；12F～14F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組，從而構(gòu)成分布式電源。

4? ? 年發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，光伏發(fā)電量計(jì)算如下：

式中：Ep為上網(wǎng)發(fā)電量（kW·h）；HA為水平面太陽能總輻射量（kW·h/m2，峰值小時(shí)數(shù)）；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1 kW·h/m2）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)K包括：光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。本工程系統(tǒng)綜合效率系數(shù)取值82.5%。

按照Meteonorm太陽總輻射數(shù)據(jù)，辦公樓屋頂水平面太陽總輻射年平均值為1 391 kW·h/m2。根據(jù)光伏組件電池組件25年衰減率，按照分段線性衰減，第1年衰減2%，第2年至第25年，年平均年衰減率0.45%，按此計(jì)算得出25年分年發(fā)電量，考慮組件衰減性，第一年發(fā)電量理論計(jì)算值為8.5萬kW·h，比年平均上網(wǎng)電量高出5.2%。25年總計(jì)發(fā)電量為201.41萬kW·h，平均每年發(fā)電量為8.06萬kW·h，平均每天發(fā)電量為221 kW·h[5]。25年分年發(fā)電量如表5所示。

5? ? 結(jié)語

辦公樓照明系統(tǒng)原有熒光燈、節(jié)能燈等安裝容量145 kW，年耗電量約36萬kW·h，本辦公樓用電為商業(yè)用電每度電1.1元，考慮燈管更換等運(yùn)行費(fèi)用，原照明系統(tǒng)年消耗成本約43.56萬元。光伏微電網(wǎng)安裝后，考慮安裝施工等費(fèi)用，投資回收期3～4年，且每年可節(jié)約標(biāo)煤44.28 t，同時(shí)每年可減少97.92 t碳粉塵、358.9 t二氧化碳、10.8 t二氧化硫、5.4 t氨氧化物污染排放[6]。

因此，在既有建筑改造形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，既能解決既有建筑系統(tǒng)供電可靠性問題，節(jié)約成本，又符合國家節(jié)能降碳的雙碳政策，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性、可操作性，因此，既有建筑改造光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)值得推廣。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2023-01-11

作者簡(jiǎn)介：劉克清（1985—），男，甘肅人，高級(jí)工程師，研究方向：建筑電氣、電氣傳動(dòng)。