分布式并網光伏發電系統設計

楊中華

（華東勘測設計研究院，浙江 杭州310014）

0 引言

近年來，化石能源短缺和生態環境惡化受到了全球持續關注，人們在不斷探索研究綠色、環保、可再生新能源的開發和利用，其中也包括太陽能。我國在太陽能光伏（PV）領域的研究和利用也已經進入到快速發展的階段。

華東地區由于人口稠密，用地緊張，建設大規模太陽能光伏發電場在經濟上可行性較差，因此本地區的太陽能光伏利用主要以在大型工業廠房、公共建筑等屋頂建設太陽能光伏發電站的形式出現。此類項目一般位于城市近郊或工業開發區，裝機容量通常為0.5～5 MW之間，組件安裝一般采用固定式，并網采用0.4 k V或10 k V就近并網方式?，F就此類項目的工程設計特殊要點進行一些總結和探討。

1 系統構成

屋頂太陽能光伏發電系統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、并網系統組成。典型系統框架如圖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在維護、檢查時易于分離電路，當光伏組件發生故障時盡量減少退出系統運行的組件數量，是光伏發電系統直流側的一次匯流設備。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行匯流后，經電纜接至機房的直流配電柜進行二次匯流。直流配電柜將二次匯流后的直流電能經電纜送至并網逆變器，經并網逆變器轉變為與交流電網同頻率、同相位的正弦波電流，再經升壓后饋入電網，實現并網發電功能。

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換為電能的器件。受材料科學技術限制，太陽能電池的轉換效率要提高1%～2%非常困難，所以光伏組件的安裝對系統效率的提高顯得尤其重要。

光伏組件的安裝要根據工程所在地的經緯度、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，一年內太陽直射點在南、北回歸線之間變化，同一地點不同季節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地緯度值，也不能以水平面上太陽輻射最低月份（北半球通常是12月）得到最大太陽輻射量所對應的角度作為組件的傾角，因為這樣在夏天時，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根據當地不同傾角平面上全年平均太陽輻射量來確定。

根據中國國家氣象中心發布的1981—2000年《中國氣象輻射資料年冊》統計整理，我國部分地區光伏組件的最佳安裝傾角如表1所示。

表1中的φ是當地緯度；β是并網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

分布式光伏發電系統由于受場地限制，一般需要分前后幾排安裝光伏組件。此時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保證全年最不利日（即冬至日）當地時間09：00—15：00時段內互不遮擋陽光。

圖2為2排組件之間最小距離示意圖。

表1 中國部分地區并網光伏系統組件安裝最佳傾角

圖2 2排組件之間最小距離示意圖

由圖2所示，根據幾何關系可知，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 直流側線路壓降的控制

光伏組件接受陽光輻射產生的直流電能，需經過2級匯流送至逆變器轉化為交流電能，從屋頂光伏組件至逆變器一般采用電纜連接。根據《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》（JGJ203—2010）的要求，直流側線路損耗應控制在2%以內。

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，需考慮配電房至各建筑物之間線路路徑應盡量控制到最小。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。

3.2 適當增大電纜截面

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算壓降，再將各段壓降相加。選取合適的各段電纜截面規格，使各段線路壓降之和控制在2%以下。

直流線路電壓損失計算公式為：

式中，Δu%為線路電壓損失百分數；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為計算線路傳輸的直流電壓（k V）。

4 防雷及浪涌保護

分布式光伏發電系統的光伏組件安裝在建筑屋面，一般都已經裝有完善的屋頂防雷系統。設計光伏組件時應采用滾球法復核屋面原有防雷系統是否能保護全部光伏組件，如果有部分光伏組件位于屋面防雷系統保護范圍之外，應加裝適當的避雷裝置，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）金屬構件均可靠連接，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于2點可靠連接。

現場匯流箱、直流配電柜內匯流母線上應安裝符合Ⅰ級分類試驗要求的浪涌保護器（SPD），該SPD的標稱放電電流應不低于20 k A（10／350μs波形），持續運行電壓不低于1.15U0（U0為所連接光伏組件串聯后的最大開路電壓）。

5 開關站及其他

由于分布式并網光伏發電系統一般安裝在已建成的廠區或建筑群內，因此光伏系統的開關站設計往往因規劃、用地等原因而做出犧牲，有時甚至只能在廠區角落處設計開關站。這時需要平衡工廠總平面布置和線路敷設等因素，必要時可與建筑業主協商，在已建成的建筑物內劃出一部分面積設計開關站。開關站的布置原則應滿足《10 k V及以下變電所設計規范》和《低壓配電設計規范》要求。

由于逆變器的轉換效率一般在96%～98%，損耗部分的能量以熱能的形式排放到逆變器室內，因此在較大裝機容量的光伏系統，尤其是逆變器集中安裝時，應特別注意逆變器室的空調通風設計。

6 存在問題及建議

直流側的匯流箱、直流配電柜各回路進出線均安裝有短路保護電器，且按照規范短路保護電器整定值不低于回路標稱短路電流的1.25倍。但根據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電器實際上并不能實現短路保護的功能，而僅僅是一個開關電器。并且一旦某一個回路發生短路，由于短路電流不大，運行人員很可能不能及時發現，而使故障長期存在，導致系統運行效率降低、光伏組件壽命縮短，甚至擴大故障范圍。

因此建議增設一套并網光伏電站電力監控系統，用以監控交、直流側設備及逆變器各進出線回路的各項電量，采集運行數據，盡早發現故障并定位和排除故障。

［1］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術［M］.電子工業出版社，2009

［2］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.中國電力出版社，2005