戶用分布式并網光伏系統設計

孔林婷 左燕 王銳 楊振英 常驥超

（1.青海黃河上游水電開發有限責任公司太陽能電池及組件研發實驗室 青海省西寧市 810007）（2.青海黃河上游水電開發有限責任公司西寧太陽能電力分公司 青海省西寧市 810007）

隨著全球電氣化進程的加速推進，電力需求將持續上升。據國際可再生能源屬（IRENA）預測，到2050年全球每年發電量將達5.5 萬TWh，其中可再生能源占比達到86%；總裝機量將達20000 GW，其中光伏裝機量達到8510 GW，占比達42.3%。“碳中和”成為世界潮流，在全球能源戰略轉型的雄偉目標下，光伏將成為絕對的主力能源。2020年9月聯合國大會舉辦期間，中國向世界宣布“力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和”[1]。未來十年，非化石能源將首次成為增量能源需求的主力，其中光伏發電將占據重要地位。

分布式光伏以其獨特優勢適合在房屋建筑、公共設施、交通工具等多領域推廣應用，是推動能源生產和消費革命的重要力量，在促進能源轉型中發揮了積極作用。同時，各地區政府高度重視，鼓勵開展多種形式的分布式光伏發電應用，加大補貼力度，推動政策更加完善[2]。未來分布式光伏發電技術廣闊天地，大有可為。

1 項目概況

本項目位于北京市，經度116°20′，緯度39°56′，周邊無高大建筑物遮擋，視野開闊。屋頂面積70m2，以平面為主，均為混凝土屋面結構。擬在此設計建造一套10 kW 小型戶用分布式光伏并網發電系統。

2 系統設計

2.1 光伏組件選型

單晶硅電池組件、多晶硅電池組件、非晶硅電池組件光伏是光伏組件的主要類型。晶硅電池中轉換效率最高的是單晶硅電池，并且可靠性高，但生產加工過程中能耗高。多晶硅電池與單晶硅電池相比生產工藝步驟少，因此生產過程時耗能少，但缺點是效率較低。目前非晶硅電池發展勢頭強勁，疊層電池結構提高了電池穩定性和轉換效率，高透光薄膜的使用則大大提升了轉換效率[3]。

本項目選用單晶硅N 型60 片IBC 組件，功率380 Wp，表面無柵線遮擋，入射光線吸收能力增強，提升組件輸出功率；全背接觸焊接，表面美觀，可適用于多種應用場景；N 型基材電池，具有良好弱光響應、低溫度系數、低衰減；底層致密膜與玻璃結合，頂層多孔結構、表面封閉，提升耐候性能及抗沾污性。此版型重量輕、外觀尺寸更適合屋頂安裝，功率高，在相同屋頂面積可獲得更高安裝容量，且衰減較低，后期發電量高。

2.2 逆變器選型

逆變器以輸出交流電相數為劃分依據，可分為單相、三相、多相[4]。以功率大小為劃分依據，可分為組串式、集中式、集散式。

分布式光伏發電項目通常占地面積小、容量小，可選擇組串式逆變器。其采用模塊化設計，每個光伏組串引入逆變器的一路輸入端口，具有避免組件串間差異和陰影遮擋影響的優勢，可使發電量得到有效提升。

項目地公共電網電壓為380 V，結合前期系統容量計算，選擇輸出為380 V 的10 kW 三相組串式逆變器。

2.3 光伏組件陣列設計

光伏組件串聯形成光伏組串，逆變器最大輸入電壓、MPPT 電壓最大值以及光伏組件開路電壓、最大功率點電壓限制了光伏組件串數量。而逆變器額定功率限制光伏組串并聯數量[5]。

光伏組件串聯數量應滿足以下要求：

（1）光伏組串工作電壓處在逆變器的MPPT 電壓范圍內，則：

所選逆變器MPPT 電壓最大值980 V，光伏組件最大功率點電壓35.1 V。代入式（1）得光伏組件串聯數量小于27。

（2）光伏組串開路電壓小于逆變器的最大輸入電壓，則：

所選逆變器最大輸入電壓1100 V，光伏組件開路電壓41.7 V。代入式（2）得光伏組件串聯數量小于26。為了減少線纜用量，降低損耗，同時考慮到光伏組件串聯應便于支架設計及方陣排布，在滿足上述條件的情況下應選取最大值，則光伏組件串聯數量取26。

所選逆變器額定功率10 kW，光伏組件最大功率380 Wp，光伏組件串聯數量26，代入式（3）得光伏組串并聯數量取整數1[6]。

通過計算分析，本項目光伏方陣由26 塊光伏組件，串聯接入逆變器。

2.4 安裝方式設計

根據照附著物不同，分布式光伏主要分為鋼筋混凝土屋頂分布式光伏、鋼結構彩鋼板分布式光伏、瓦屋頂分布式光伏、停車棚分布式光伏及BIPV 分布式光伏，需要根據不同附著物及位置來確定適合的光伏陣列安裝形式及方位角、傾角等[7]。

混凝土屋頂通常按最佳傾角安裝，彩鋼板屋頂一般沿屋面平鋪。按最佳傾角安裝對太陽能輻照利用率最高，沿屋面平鋪安裝則裝機容量較大，可根據項目特征優化安裝方案。鋼筋混凝土屋頂光伏陣列選擇安裝形式主要有固定式水泥基礎和配重式水泥基礎。固定式通過鋼筋與屋頂梁連接，基礎比較牢固，但需將原屋面防水保溫層局部切割，露出結構層，將化學植筋與原屋頂結構層固定后制作鋼筋籠和水泥基礎，再將破壞的防水保溫部分修復，施工周期長且造價高。配重式采用預支水泥塊作為配重物，不破壞原屋面防水保溫層，施工周期短且經濟可行[8]。

由于項目位于北半球，設置光伏組件方向朝向正南，可獲得最高發電量。則根據地理位置設置光伏組件方陣方位角為0°，即面對正南方向。

以PVsyst 軟件提供的項目地太陽輻射數據為基礎，結合當地緯度及光伏組件方陣方位角，進行專業軟件模擬。如圖1所示，傾角為37 °時斜面輻射與水平輻射的比值最大為1.17，相對于最優化的損失比為0.0%，光伏組件接受的全年輻照值最大[9]。

圖1：項目所在地光伏組件最佳傾角及方位角

本項目為鋼筋混凝土結構屋頂，采用配重水泥塊的安裝方式，根據地理位置設置方位角為0°，傾角為37°，實現發電量、可靠性、成本的均衡。

2.5 儲能系統選型

光伏發電系統異常時儲能系統可作為備用供電，其儲能容量的多少取決于負載的需求。根據不同的儲能原理主要可分為電化學儲能、機械儲能和電磁儲能[10]。電化學儲能是各類儲能技術中最有前途的儲能方式之，具有可靠性好、模塊化程度高等特點，常被用于對供電質量要求較高的負荷區域的配電網絡中。其中磷酸鐵鋰電池因其電壓輸出高、工作溫度范圍寬、放電倍率高、可靠性以及經濟性引人注目，發展前景廣闊。

當太陽光照持續低于平均值時，蓄電池需保證負載仍可正常工。因此開展蓄電池容量設計時需考慮當沒有外部電源供給時負載可保持正常運行狀態的天數，即自給天數。通常將其設置為安裝處最大連續陰雨天數，同時考慮負載對電源的需求強度。若對要求不嚴格，設計時一般設置3 ～5 天自給天數。

初步蓄電系統容量可由負載日平均用電量與自給天數相乘來確定。系統處于自給天數時，不可使蓄電系統將電量耗盡，則上式還需除以其最大放電深度。通常情況下，深循環及淺循環蓄電池放電深度分別為80%、50%[11]。則蓄電系統容量計算公式如下：

負載日平均用電量為40 kWh，所選逆變器效率為98%，額定輸入電壓為600 V，代入式（5），得負載日平均用電量68.03 Ah。

一般戶用對電源要求不高，可根據天氣情況靈活調整用電，設置自給天數3 天，且使用深循環電池，放電深度為80%代入式（4），得蓄電系統容量255.11 Ah。

擬選用600V/100 Ah 單體蓄電池，代入式（6），得蓄電池串聯個數為1。

代入式（7），得蓄電池并聯個數為2.55，取整數3。

所以該系統需要使用600V/100 Ah 的蓄電池3 個并聯，形成儲能系統。

2.6 系統接入方案

當采用單點并網方式時，應考慮安全、經濟、便捷等因素，兼顧裝機容量、設備及線路可接納能力、配電網情況等條件[12]。其中，裝機容量可作為分布式電源并網電壓等級的主要確定依據。小于等于8 kW 的系統可接入220 V 電壓，380 V 電壓適合8 ～400 kW 系統，10 kV 電壓適合400 kW ～6 MW 系統。單個并網點單相接入適用于裝機容量在8 kW 及以下場合，三相接入則適用于裝機容量不大于400 kW[13]。

依據“就近分散接入、就地平衡消納”準則，參考電網及分布式電源規劃，進行光伏電站接入系統方案設計[14]。采用XGF380-Z-1 方案三相接入的方式將分布式光伏系統接入線路，與380 V 用戶配電箱連接[15]。如圖2所示為一次系統接線圖。

圖2：一次系統接線圖

3 結論

按照“就近并網、本地消耗”原則，進行10kW 小型戶用分布式并網光伏發電系統設計。通過詳細對比分析備選方案，綜合考慮后確定采用固定方式安裝26 塊380Wp 光伏組件（26 塊組件串聯，方陣最佳傾角37°，方位角0°）、1 臺10kW 組串逆變器、1 臺交流配電箱、1 臺并離網控制器、1 套磷酸鋰鐵儲能系統組成戶用分布式并網光伏系統。光伏陣列接入逆變器，逆變器與儲能系統和并離網控制器連接，控制器接入交流配電箱后接入電網。光伏陣列直流輸出經逆變器轉換成交流電，再經交流配電箱接入三相低壓交流電網。系統通過并離網控制器確保逆變器及時準確地完成并網離網狀態轉換。當電網停電時，切換到離網狀態，通過備電模式給離網負載供電；當電網恢復時，逆變器切回到并網工作。磷酸鋰鐵儲能電池適用于戶用家庭屋頂電站并網或離網狀態，可以根據業務場景需求進行電能的存儲和釋放。通過XGF380-Z-1 方案，采用三相接入的方式將系統接入線路。有效實現所發電量自發自用，余電上網。