某屋頂光伏電站的設計與運行情況分析

馮相賽

(上海太陽能工程技術研究中心有限公司，上海 200241)

某屋頂光伏電站的設計與運行情況分析

馮相賽

(上海太陽能工程技術研究中心有限公司，上海 200241)

針對上海地區某企業廠房建筑屋頂光伏電站的設計與運行情況，利用PVSYST光伏模擬軟件分析了上海地區光伏電站最佳傾角，從光伏組件安裝方式、電氣接線設計等方面分析了該光伏電站從最初的方案設計到最終的并網運行情況。從屋頂光伏電站的運行數據來看，該屋頂電站總體上發電穩定，與最初的設計方案基本一致，達到了預期的設計效果。針對光伏電站運行過程中所出現的電氣設備問題，經過現場檢測分析，找出了光伏電站運行過程中出現故障的原因并及時采取了相應的對策，保證光伏電站系統的正常運行。

屋頂光伏；電站建設；運行情況；故障處理

太陽能作為一種清潔的可再生能源在世界各地得到廣泛應用[1]。太陽能光伏電站的建設一方面可以減少煤電對環境的污染問題[2,3]，另一方面可以有效解決煤電、火電等傳統發電模式分配不均的問題，分布式光伏電站所產生的電能供用戶就地消納，減少電力輸送環節，降低電網的調度負擔[4,5]。

我國的光伏電站根據各地的具體情況，電站模式也不盡相同。西部以及山地丘陵地區，地廣人稀，多以地面光伏電站為主，中東部以及城市地區，人口稠密，土地資源稀缺，多以屋頂光伏電站為主。近年來，上海市根據自身的特點指定了明確的光伏電站補貼措施，大力推進屋頂分布式光伏電站的建設，取得了一定的成效。文章以上海市某建筑屋頂光伏電站為例介紹上海地區的屋頂光伏電站的方案設計及運行情況，在總結屋頂光伏電站建設經驗的同時，為上海地區乃至全國范圍內其它屋頂光伏電站的建設提供借鑒及參考。

1 項目概況

本項目位于上海市浦東某園區內，項目分為A、B兩個區域，每個區域分別有6幢建筑的屋頂可供安裝太陽能光伏系統，建筑主體為門式鋼架結構。屋頂坡度為5°，屋面無其它附屬設施，比較適宜鋪設光伏發電系統。

1.1 日照情況

上海地區處于東經120°52’至122°12’，北緯30°40’至31°53’之間的區域，平均海拔高度為3.7 m。上海日照條件充足，年累計日照時數為1 909 h，根據氣象站1995-2007年數據統計，上海市多年平均太陽總輻射量為4 542 MJ/m2，太陽總輻射歷年變化情況如圖1所示。

圖1 上海市太陽總輻射量統計

1.2 最佳傾角模擬

由于不同地區太陽的方位角各不相同，而光伏電站要獲得最佳發電量就要精確計算光伏電站所處位置的光伏組件最佳傾角。PVSYST光伏模擬軟件被廣泛用來模擬光伏電站的發電情況。為了便于對比，選用峰值功率為300 W的單個光伏組件對不同傾角光伏系統的年發電量進行模擬，PVSYST模擬參數為：300 Wp的多晶硅標準光伏組件，組件有效面積為1.6 m2，系統為自然通風狀態，通過設定PVSYST相應?？熘械牟煌M件傾角得出不同傾角下的年發電量如圖2所示。

圖2 不同傾角對光伏系統發電量的影響

從不同傾角對光伏系統發電量的影響模擬結果來看，在上海地區，光伏電站組件的最佳傾角易設定在22°左右時，光伏電站的年發電量最優。在該光伏電站的方案設計時主要參考該最佳傾角以及實際屋頂的坡度進行光伏系統的布置。

2 方案設計

依據上海地區的日照情況，結合本項目屋面的具體結構及方位，從光伏組件安裝排布、電氣系統設計布置、經濟效益等方面優化設計出符合本項目的最佳方案。

2.1 組件固定方式

屋頂光伏電站首要考慮的因素就是屋頂的結構問題，不同的屋頂結構需要不同的光伏支架及固定技術。常見的屋面結構有混凝士結構屋頂和彩鋼瓦結構屋頂，混凝土屋面一般比較平整，配以適當的水泥壓塊即可，而彩鋼瓦的形式多樣決定了彩鋼瓦屋頂光伏系統固定方式的多樣性。本項目的屋頂均為彩鋼瓦屋頂，根據建筑的具體結構形式，對建筑結構的受力情況進行校核，分析屋頂是否能夠承受屋頂光伏系統的附加重量，確保屋頂光伏電站在不破壞屋頂原有結構的同時，有足夠高的安全可靠性能。

本項目所有屋面的彩鋼瓦結構形式如圖3所示。

圖3 屋頂彩鋼瓦結構形式

根據該種彩鋼瓦的具體結構形式，采用相應的夾具對屋面上的光伏板進行固定，固定方式如圖4所示。

圖4 屋頂光伏系統固定方式

該種光伏組件的固定方式采用夾具通過螺栓與彩鋼屋面固定，可以避免對屋面原有結構造成破壞，影響屋頂的防水功能。

2.2 電氣連接

本項目的光伏發電系統由多晶硅組件、并網逆變器、升壓變壓器、交流高低配電柜、并網配電系統、自動化系統和其他輔助配套設備組成。組件采用255 Wp的高效率多晶硅太陽能組件，逆變器采用500 kW的光伏逆變器，各子系統直流電經逆變器逆變為三相交流電之后接入10 kV開關站。系統電氣一次系統接線示意圖見圖5。

圖5 電氣一次系統接線示意圖

本項目裝機總容量為4.76 MWp，屬于大型光伏并網發電系統，組件與逆變器之間、各個建筑光伏系統之間的電纜較多，給施工及后期運維帶來一定的難度，為了減少太陽能電池組件與逆變器之間的連線方便以后的維護，在太陽能光伏組件與逆變器之間配置直流匯流裝置和光伏電纜轉接箱。

為了提高光伏系統的可靠性、更好地掌握光伏系統的發電情況，完善的電氣二次系統是必不可少的。本項目配置一套自動化監控系統，全面監控逆變器及升壓變壓器等電氣設備的運行情況。系統可以采集高低壓側的三相電流、電壓、功率、開關狀態逆變器輸出功率等信息，同時可以采集各支路的發電量和電子設備的運行數據，方便運維人員及時掌握電站各設備的運行情況。

2.3 效益分析

利用PVSYST光伏軟件，結合上海當地的日照強度、日照時長、系統的組件傾角等參數，模擬出該光伏電站25年的發電量如表1所示。

由表1可以看出，25年間的年均發電量為431.1萬kWh。根據光伏電站的發電情況，結合國家及上海市對光伏發電的補貼，預計25年累計收入9 494.2萬元，而該項目的總投入成本約4 000萬，從經濟測算層面來看，該項目的運行能夠帶來巨大的經濟效益。

表1 光伏電站25年發電情況預測

另一方面，本項目為社會所提供的電力為清潔能源的電力，與相同發電量的火電相比，每年可節約標煤1 690.46 t，每年可減少多種大氣污染物的排放，其中減少二氧化硫排放量約36.29 t，二氧化碳約3 521.67 t，氮氧化物16.35 t，煙塵減排量約286.11 t，同時還可以節約大量淡水資源，本項目的實施能夠為上海地區的環境保護作出一定的貢獻。

3 光伏電站的運行情況

通過調試運行及項目驗收，本項目完工后的工程現場如圖6所示。

圖6 屋面光伏電站現場示圖

該屋頂光伏系統電站自運行以來，整體運行情況良好。該光伏電站最近一段時間的發電數據如圖7所示。

圖7 光伏電站日發電數據

從光伏電站的發電數據可以看出，光伏電站的發電量與天氣有密切的關系，根據上海市氣象局的信息顯示，2016年上海市的梅雨期為6月15日至7月12日，在梅雨期內，多為陰雨天氣，降水較多，從圖7的發電數據可以看出，梅雨期導致光伏電站發電量普遍偏低，光伏電站的發電量隨著天氣的變化而產生較大的波動。上海地區在七月份出梅之后，天氣逐漸轉晴，光伏電站日發電量趨于穩定且居于發電峰值，每天的發電量接近30 000 kWh，光伏發電性能優良。

4 存在的問題及解決方案

在光伏電站的運行過程中，出現發電量突然減少的情況，二期的單個逆變器的發電量不足一期單個逆變器發電量的50%，經現場檢測發現光伏電站發電量減少的原因是二期中的一個光伏電纜轉接箱中的空氣開關跳開所致。

經檢測，該空氣開關的跳閘是由于光伏系統轉接箱缺少有效的通風散熱措施造成夏季環境溫度過高以及個別空開質量瑕疵所致，經維護人員更換空開之后，光伏電站恢復正常狀態運行。針對該種故障情況，建議在以后的光伏電站建設當中采用具有散熱結構的轉接箱，保證轉接箱內的空開的環境溫度不會過高，減少光伏電站意外情況的發生，保障光伏電站的順利運行。

5 結語

文章以上海地區某屋頂光伏電站為背景，介紹了屋頂光伏電站的設計與建設運行情況。利用光伏模擬軟件PVSYST對屋頂光伏電站的安裝角度進行了優化，介紹了屋面光伏電站電氣設計，分析了該屋面光伏電站的經濟效益及社會效益，

針對運行過程中出現的問題，經過現場檢測確認，找出了其中產生故障的原因并進行了及時處理，使該屋頂光伏電站在短時間內恢復了正常的工作狀態。

本項目的建設在滿足園區企業白天用電的同時，將多余電量銷售給電力公司，在有效利用建筑屋頂的同時，為業主帶來豐碩的社會和經濟效益。該屋面光伏電站的介紹為今后上海地區乃至全國各地屋頂光伏電站的建設提供一定的借鑒。

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(本文編輯：嚴 加)

Design and Operation Situation Analysis of Rooftop PV Power Station

FENG Xiang-sai

(Shanghai Solar Energy Research Center, Shanghai 200241, China)

For the designing and running condition of PV power station which was built on roof of the industrial plant in Shanghai, photovolatic software of PVSYST was used to analyze optimum tilt angle of the station on the built roof. The process of the PV power station construction was analyzed from the initial design to final grid-connection operation, including the installation method and electrical wiring design. The operation data of the PV power station shows that the station power generation is stable, in accordance with the original design scheme, that is to say, the desired design target was achieved. Through the scene test analysis, electrical equipment problems arising in the process of running were found out and corresponding contermeasure were taken timely, ensuring normal operation of the PV power station. This analysis on the design and running condition of the rooftop PV power plant can provide certain reference to related engineering and technical personnel.

roof PV; power station construction; operation condition; fault treatment

10.11973/dlyny201606018

馮相賽(1985)，男，博士，工程師，從事光伏應用技術研究與應用。

TU18

B

2095-1256(2016)06-0750-04

2016-10-23