直流模塊式屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)

中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司 ■ 金安君 彭文博 劉大為 馬銘遠 徐越 許世森

一 引言

以屋頂光伏為主要載體的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是未來光伏裝機容量增長的一個主要方向，是各大發(fā)電集團公司希望介入的市場，同時也是我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確鼓勵發(fā)展的可再生能源發(fā)電方式。2012年僅金太陽工程即批準了1.709GW的屋頂光伏裝機容量。

相對于目前已取得規(guī)模化增長的地面大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，屋頂光伏系統(tǒng)在設(shè)計和建造上面臨一些新的挑戰(zhàn)：如可安裝位置分散、面積不等、朝向和角度不同、陰影分布不均勻等。這些問題易造成光伏陣列電氣參數(shù)失配和局部陰影引起的系統(tǒng)能量損失，同時不易實現(xiàn)全系統(tǒng)的最大功率點跟蹤。

目前在地面大型光伏電站中廣泛使用集中式拓撲結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡單并易于實現(xiàn)，但是其抗熱斑和抗陰影能力差，對系統(tǒng)中各陣列的電氣參數(shù)一致性要求高，同時難以實現(xiàn)良好的最大功率點跟蹤功能，不適宜推廣應(yīng)用于分布式屋頂光伏系統(tǒng)。

圖1 光伏系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖[1]

為克服上述屋頂光伏系統(tǒng)中存在的問題，提出了模塊式光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計理念，其中包括交流模塊結(jié)構(gòu)[2]和直流模塊式結(jié)構(gòu)[3]，如圖1。所謂交流模塊式結(jié)構(gòu)是指把光伏組件或小容量陣列與小功率并網(wǎng)逆變器集成在一起作為一個標準交流電壓輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊，直接并入交流母線。直流模塊式結(jié)構(gòu)是指將電氣參數(shù)相對一致的光伏陣列與高增益DC/DC變換器集成為具有標準輸出電壓的直流模塊，各直流模塊通過直流母線并聯(lián)后經(jīng)逆變器集中逆變。模塊式光伏系統(tǒng)極大的降低了熱斑和陰影問題；每個模塊獨立運行，系統(tǒng)擴展能力強；每個模塊獨立MPPT控制，最大程度提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率，這些特點使得模塊式結(jié)構(gòu)特別適合應(yīng)用于屋頂光伏系統(tǒng)。但是相對于交流模塊式結(jié)構(gòu)，直流模塊式系統(tǒng)的逆變器效率更高，而且可以集成儲能單元。

本文涉及的光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)于北京市昌平區(qū)未來科技城華能集團人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地實驗樓A樓屋頂。項目將與該實驗樓基建工程同步建設(shè)，設(shè)計容量為50kW。根據(jù)本項目的實際需要采用直流模塊式設(shè)計，是目前國內(nèi)報道的最大容量的使用直流模塊式電氣拓撲結(jié)構(gòu)的屋頂光伏系統(tǒng)。

二 光伏陣列布置設(shè)計

1 氣候條件

北京氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候。年平均氣溫，平原地區(qū)為11℃～13℃，拔海800m以下的山區(qū)為9℃～11℃，高寒山區(qū)在3℃～5℃。年極端最高氣溫一般在35℃～40℃之間[4]。

北京太陽輻射量全年平均為112～136千卡/cm2。北京年平均日照時數(shù)在2000～2800小時之間，大部分地區(qū)在2600小時左右。全年日照時數(shù)以春季最多，月日照在230～290小時；夏季正當雨季，日照時數(shù)減少，月日照在230小時左右；秋季日照時數(shù)雖沒有春季多，但比夏季要多，月日照230～245小時；冬季是一年中日照時數(shù)最少季節(jié)，月日照不足200小時，一般在170～190小時[5]。表1通過PVsyst軟件模擬了在北京市光照條件下，各種光伏陣列安裝方式下單位面積光伏組件可接收的輻照資源。

表1 北京市太陽輻照資源（PVsyst）

2 光伏陣列布置

本光伏系統(tǒng)出于實驗性考慮涵蓋多種組件類型和跟蹤方式，其中包括35kW 32?固定傾角多晶硅光伏組件、3kW可調(diào)傾角多晶硅光伏組件、3kW平單軸跟蹤多晶硅光伏組件、3kW 32?傾角斜單軸多晶硅光伏組件、3kW 32?固定傾角非晶/微晶疊層光伏組件和3kW雙軸跟蹤高倍聚光光伏組件。由于屋頂各種遮擋物較多，陰影分布和變化情況復(fù)雜，出于實驗數(shù)據(jù)可比性的考慮，為了保證各測試陣列陰影條件相同，在光伏陣列布置時主要考慮的是減少陰影的發(fā)生而不是最大化利用屋頂面積。根據(jù)PVsyst模擬軟件分析不同光伏陣列布置方式在不同季節(jié)的屋頂遮擋物陰影變化(圖2)，綜合屋頂利用率和組件利用率兩方面的因素，確定光伏陣列在實驗樓5層頂和6層頂?shù)姆植既鐖D3所示。

圖2 光伏陣列不同季節(jié)的陰影分析（PVsyst）

圖3 光伏陣列布置模擬圖（實驗樓5層和6層頂）

三 直流模塊式電氣系統(tǒng)設(shè)計

1 光伏陣列輸出參數(shù)

上文已經(jīng)介紹本系統(tǒng)涵蓋多種類型光伏陣列，各陣列輸出性能如表2所示。由表中可見本光伏系統(tǒng)各陣列輸出參數(shù)差別很大，使用傳統(tǒng)集中式電氣拓撲結(jié)構(gòu)會造成極大的功率損耗，需要使用模塊式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成所有陣列。

表2 光伏陣列輸出參數(shù)

2 負載與儲能

根據(jù)實驗樓電氣總設(shè)計方的要求，本光伏系統(tǒng)電力首先直供實驗樓A樓部分負載用電。其中衛(wèi)生間照明3kW，公共區(qū)域照明8kW，電梯廳照明5kW，以及烘手器15kW和加熱器30kW。

表3 負載清單

為平衡電源與負載間的失配，本系統(tǒng)中同時配備有蓄電儲能單元。蓄電儲能單元設(shè)計容量為48V×6000Ah，可存儲光伏系統(tǒng)多余電量，使得光伏陣列可以充分發(fā)揮發(fā)電能力，利于發(fā)電數(shù)據(jù)的對比分析。由于在逆變器輸出功率不足時負載會自動切換至市電為負載供電，因此本光伏系統(tǒng)不考慮連續(xù)陰雨天的供電量[6]，極大減小了對蓄電池的需求。同時，智能微網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是未來屋頂光伏發(fā)展的主流，蓄能單元是其中必不可少的組成部分，本系統(tǒng)中集成蓄能單元也是為未來光伏系統(tǒng)智能化研究準備條件。

3 直流模塊式電氣系統(tǒng)設(shè)計

由于本系統(tǒng)不但具有輸出性能多樣化的光伏陣列，同時集成有蓄能單元，還需要考慮未來向智能微網(wǎng)方向升級，直流模塊式拓撲結(jié)構(gòu)是該屋頂光伏系統(tǒng)的不二之選。

圖4是本系統(tǒng)的電氣拓撲結(jié)構(gòu)簡圖。光伏陣列根據(jù)其類型分為3kW或5kW兩種單元，每一單元與某公司XW MPPT 60 150或XW MPPT 80 600型號DC/DC變換器集成構(gòu)成48V輸出的直流發(fā)電模塊并入直流母線。需要指出的是，該直流模塊不但具有穩(wěn)壓功能，減小系統(tǒng)熱斑效應(yīng)的同時提高了系統(tǒng)的兼容性，而且各直流模塊可進行獨立的MPPT控制，保證光伏系統(tǒng)時刻處于最大輸出狀態(tài)。

在直流母線的另一端接有集中逆變系統(tǒng)。該逆變系統(tǒng)由6臺某公司XW6048型可切換式逆變器構(gòu)成(圖中簡化為3臺)。每2臺組成一相電的輸出，共分3組組成三相逆變系統(tǒng)。此外，所謂可切換式包含兩層含義：一是在直流側(cè)(光伏組件和蓄電池)能量不足時，逆變器可以在20ms內(nèi)切換至用戶側(cè)電網(wǎng)為負載供電；二是當直流側(cè)能量盈余時，逆變器可以由向負載獨立供電切換為低壓用戶側(cè)并網(wǎng)。

圖4 屋頂光伏系統(tǒng)電氣拓撲結(jié)構(gòu)簡圖

整個系統(tǒng)的配電過程遵循一定的優(yōu)先級策略：

(1)光伏組件的輸出功率優(yōu)先通過逆變器獨立供應(yīng)負載；

(2)當光伏組件功率不足時由蓄電池對負載供電，放電深度定為30%；

(3)當光伏系統(tǒng)直流側(cè)功率不足時逆變器會切換至市電給負載供電，切換間隔小于20ms；

(4)當負載負荷不足時，光伏組件電力由蓄電池存儲；

(5)當負載負荷不足且蓄電池滿時，光伏組件輸出能量通過逆變器在實驗樓低壓用戶側(cè)并網(wǎng)。實驗樓市電接入端接有逆功率繼電器。

綜上所述，該系統(tǒng)可以根據(jù)電源與負載的變化按一定規(guī)律智能配電，具有一定的智能微網(wǎng)[7]概念。未來根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的積累和對光伏系統(tǒng)運行規(guī)律理解的加深，可加入短時間(10分鐘量級)的光伏功率預(yù)測功能，逐漸向智能微網(wǎng)方向發(fā)展。

四 結(jié)語

本文介紹了一個建設(shè)中的直流模塊式屋頂光伏系統(tǒng)的總體設(shè)計。設(shè)計方案借鑒了智能微網(wǎng)的設(shè)計理念，以直流模塊式光伏系統(tǒng)電氣拓撲結(jié)構(gòu)為核心，使用帶有最大功率點跟蹤功能的充放電控制器成功實現(xiàn)了不同輸出特性的實驗光伏陣列的高效集成，同時減少了復(fù)雜屋面條件下的熱斑風(fēng)險。此外本光伏系統(tǒng)還配有蓄電儲能單元和可切換式逆變器，可根據(jù)光伏方陣輸出功率、負載負荷以及用戶側(cè)電網(wǎng)負荷，實時對光伏能源進行智能配電，既可以進行獨立供電也可以用戶側(cè)并網(wǎng)，可確保光伏組件發(fā)出全部電量，同時可提高用戶側(cè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

本項目設(shè)計瞄準未來屋頂光伏系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢，能為華能集團開展太陽能發(fā)電技術(shù)研究、人才培養(yǎng)創(chuàng)造較好的條件。

[1] 張興, 曹仁賢. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制. 機械工業(yè)出版社, 2010, 61－67.

[2] Kleinkauf W, Sachau J, Hempel H. Developments in inverters for photovoltaic systems. 11th E.C. photovoltaic Solar Energy Conference, Montreux, Switzerland, 1992.

[3] 劉邦銀, 梁超輝, 段善旭. 直流模塊式建筑集成光伏系統(tǒng)的拓撲研究, 中國電機工程學(xué)報, 2008, 28, 99－104.

[4] http://www.weather. com.cn/beijing/sdqh/.

[5] http: //www.lwq.gov.cn/cms/pages/2023983 8706760000/attachments/2621.htm.

[6] 李鐘實. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護, 人民郵電出版社, 2010, 95－98.

[7] 劉廣斌, 智能微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計, 硅谷, 2012(4)73－74.