“太陽能社區(qū)”光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

杜偉偉 ， 嚴(yán) 鑫

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

1 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景及意義

1.1 設(shè)計(jì)背景

21世紀(jì)是一個(gè)能源競爭激烈的世紀(jì)，一次性能源逐漸衰竭，尋找新的可替代能源是當(dāng)今世界各國亟待解決的課題。光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使得光伏應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏產(chǎn)品逐漸向民用化、集成化方向發(fā)展[1]。近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)和開發(fā)利用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)成為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。

2021年全國兩會(huì)上，“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報(bào)告，承諾2030年前，二氧化碳的排放達(dá)到峰值后逐步降低，企業(yè)、團(tuán)體通過植樹造林、節(jié)能減排等形式抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。本設(shè)計(jì)是將光伏發(fā)電結(jié)合電力用戶用電需要，探索在廣大城鎮(zhèn)和農(nóng)村的各種建筑物和公共設(shè)施上推廣分布式光伏系統(tǒng)，立足當(dāng)前，著眼未來，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的一個(gè)具體實(shí)踐。

1.2 設(shè)計(jì)意義

光伏發(fā)電成本的降低使“太陽能社區(qū)”推廣成為可能，國家的政策支持為“太陽能社區(qū)”推廣提供了有力保障，隨著光伏發(fā)電在社區(qū)的廣泛應(yīng)用，將大大提高我國綠色能源在電力能源乃至整個(gè)社會(huì)能源領(lǐng)域的占比，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。本設(shè)計(jì)對“太陽能社區(qū)”光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中的發(fā)配電系統(tǒng)圖、光伏組件選型及安裝、電能計(jì)量方式、儲(chǔ)能系統(tǒng)、并網(wǎng)條件等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，今后可以在社區(qū)廣泛推廣應(yīng)用，也可以應(yīng)用于學(xué)校、機(jī)關(guān)、工廠、大型商場、酒店等場所。

2 “太陽能社區(qū)”設(shè)計(jì)總體概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV System）是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏特效應(yīng)。系統(tǒng)主要部件包括太陽能電池、控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載。其特點(diǎn)是可靠性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行。

首先對黃岡市黃州區(qū)東門華府社區(qū)進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，掌握黃岡市普通社區(qū)的具體用電負(fù)荷和配電情況，測算東門華府社區(qū)太陽能電池安裝面積，進(jìn)行太陽能電池選型并計(jì)算社區(qū)光伏總發(fā)電容量。其中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了社區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電配電主接線圖，分別考慮了屋頂公共太陽能發(fā)電系統(tǒng)、每家每戶墻面和窗玻璃上安裝的太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的方式和計(jì)量方式，為“太陽能社區(qū)”應(yīng)用推廣提供較為全面的設(shè)備選型、安裝、系統(tǒng)電路圖等資料。

3 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)組成

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式是逐漸發(fā)展的，近年來光伏系統(tǒng)的應(yīng)用主要分為離網(wǎng)光伏運(yùn)行系統(tǒng)、集中式并網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和分布式并網(wǎng)系統(tǒng)四種類型[2]。本次的研究對象是居民小區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，因?yàn)樾^(qū)的用電負(fù)荷主要集中在晚上，而光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是白天發(fā)電，所以考慮到系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該采取發(fā)電自用、余電上網(wǎng)的運(yùn)行模式。因此，社區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用帶蓄電池儲(chǔ)能的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

3.2 光伏電池組件

3.2.1 光伏電池組件的選型

太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。單體太陽電池由于輸出電壓低，不能直接作為電源使用，必須將若干單體電池串、并聯(lián)連接和嚴(yán)密封裝成光伏電池組件[3]。目前，光伏系統(tǒng)大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池組件。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率低，但價(jià)格更便宜。綜合比較，屋頂和墻面采用多晶硅光伏電池。

3.2.2 光伏電池組件的安裝

為了保證系統(tǒng)有足夠高的效率，電池板必須按一定的傾角安裝。要先確定太陽能電池最佳傾角，這個(gè)傾角可以保證在中午12點(diǎn)左右的時(shí)候，太陽光基本直射電池板板面，以此來提高輻照強(qiáng)度，輻照強(qiáng)度越大則電池板的效率越高。查得黃岡地區(qū)該角度為71°，因此太陽能電池方陣的傾斜角為19°。

在屋頂安裝光伏電池方陣時(shí)，要考慮的是光伏陣列的最小間距。因?yàn)槿绻疥嚽懊嬗袠淠净蚪ㄖ锏日趽跷飼r(shí)，其陰影會(huì)擋住方陣的陽光，先計(jì)算遮擋物陰影的長度，以確定方陣與遮擋物之間的最小距離，最后確定相鄰兩排方陣之間最小距離[4]。

3.3 太陽能控制器

1）直充保護(hù)。直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時(shí)候用大電流和相對高的電壓對蓄電池充電，但是，當(dāng)充電時(shí)蓄電池端電壓高于保護(hù)值時(shí)，應(yīng)停止直充，否則會(huì)造成過充電，對蓄電池是有損害的。

2）均充控制。直充結(jié)束后，蓄電池一般會(huì)被充放電控制器靜置一段時(shí)間，讓其電壓自然下落，當(dāng)下落到“恢復(fù)電壓”值時(shí)，會(huì)進(jìn)入均充狀態(tài)，使所有的電池端電壓具有均勻一致性。

3）浮充控制。均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時(shí)間，使其端電壓自然下落，當(dāng)下落至“維護(hù)電壓”點(diǎn)時(shí)，就進(jìn)入浮充狀態(tài)，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點(diǎn)，一股一股地來，以免電池溫度持續(xù)升高。這對蓄電池來說是很有好處的，因?yàn)殡姵貎?nèi)部溫度對充放電的影響很大。

4）過放保護(hù)。電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時(shí)就可能會(huì)造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量明顯減少。

4 “太陽能社區(qū)”系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方案設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)方案：

大規(guī)模光伏電站接入增加之后，電網(wǎng)勢必需要儲(chǔ)能來提高它的接納能力。因此，我國現(xiàn)在需要完善的儲(chǔ)能接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而推動(dòng)大容量儲(chǔ)能技術(shù)及儲(chǔ)能接入的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，國內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)主要分為交流側(cè)和直流側(cè)并入兩種并網(wǎng)方式。

1）交流側(cè)并入是將儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)逆變器之后接于并網(wǎng)系統(tǒng)的交流側(cè)，光伏組件和儲(chǔ)能系統(tǒng)分別經(jīng)逆變器接入到系統(tǒng)的交流側(cè)。經(jīng)過統(tǒng)一的調(diào)度和控制，繼而以平滑光伏組件的輸出，并最終將電能安全平穩(wěn)地送入電網(wǎng)。因?yàn)閮?chǔ)能接入技術(shù)較少應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，而對光伏組件及儲(chǔ)能進(jìn)行交流側(cè)的協(xié)調(diào)控制的技術(shù)相對復(fù)雜，目前還處于研發(fā)階段，尚無法提出完善的控制策略。所以現(xiàn)在對儲(chǔ)能的控制由電網(wǎng)調(diào)度來完成，但是，這種接入方式需要的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量較大，而且成本較高，基本用于兆瓦級(jí)以上光伏電站。

2）直流側(cè)并入是指儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過光伏控制器接入到系統(tǒng)直流側(cè)，然后經(jīng)逆變器最終并入電網(wǎng)。光伏組件產(chǎn)生的電能存入儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能會(huì)將電能穩(wěn)定地送入電網(wǎng)。電能經(jīng)光伏控制器后，平穩(wěn)地為儲(chǔ)能充電，并以功率可控的形式按需送入電網(wǎng)。這種接入方式具有更高的靈活性，因?yàn)閮?chǔ)能對系統(tǒng)輸出的平滑程度由儲(chǔ)能的接入比例決定，它所需電池的容量較低，而且不需復(fù)雜的控制，在分布式系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用[5]。

在此10 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中將以直流側(cè)接入的方式設(shè)計(jì)儲(chǔ)能接入方案。將儲(chǔ)能看成一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，儲(chǔ)能電池可以平穩(wěn)地充放電，電壓的波動(dòng)范圍相對較小，可抑制由于光照等引起的功率波動(dòng)。

當(dāng)光伏組件發(fā)出的功率大于電網(wǎng)需要的功率時(shí)，電能除了送入電網(wǎng)，多余的還能給儲(chǔ)能電池充電。在光照不足時(shí)，光伏組件發(fā)出的功率無法滿足電網(wǎng)的需求，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)將放電。由于光照變化等原因，光伏組件出現(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)，鋰電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流變化的時(shí)間幾乎為零，所以并網(wǎng)系統(tǒng)仍可平穩(wěn)地輸出功率，若儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量過低，無法向電網(wǎng)持續(xù)提供電能時(shí)，系統(tǒng)將停止光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電。

4.2 并網(wǎng)條件

4.2.1 電能質(zhì)量

光伏系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量都應(yīng)該受控并且要滿足要求、符合標(biāo)準(zhǔn)，其中主要包括電壓偏差、頻率、諧波和功率因數(shù)等幾個(gè)參量。當(dāng)出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)的越限狀況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確檢測到這些偏差并及時(shí)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)安全斷開。

1）電壓偏差。為了保證當(dāng)?shù)亟涣髫?fù)載正常工作，光伏系統(tǒng)中逆變器的輸出電壓要與電網(wǎng)相匹配。正常運(yùn)行時(shí)，光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)接口處的電壓允許偏差應(yīng)符合GB/T 12325—2008標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即10 kV及以下三相電壓的允許偏差值為額定電壓的±7%，220 V單相電壓的允許偏差值為額定電壓的-10%～+7%。

2）頻率。光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連接時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)與電網(wǎng)同步運(yùn)行。電網(wǎng)的額定頻率為50 Hz，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差應(yīng)符合GB/T 15945—2008標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即允許偏差為±0.5 Hz。

3）諧波和波形畸變。低的電流諧波和電壓諧波水平是所希望的；較高的諧波可能會(huì)對所連接的設(shè)備產(chǎn)生有害影響。諧波電壓和電流的允許水平應(yīng)取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負(fù)載/設(shè)備，以及電網(wǎng)的現(xiàn)行規(guī)定。光伏系統(tǒng)的輸出要有較低的電流畸變，以避免對與電網(wǎng)連接的設(shè)備造成不利影響。

4）功率因數(shù)。當(dāng)光伏系統(tǒng)中的逆變器輸出大于其額定輸出的50%時(shí)，平均功率因數(shù)應(yīng)該不小于0.9（超前或滯后）。

4.2.2 防孤島效應(yīng)

當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入的電網(wǎng)失壓時(shí)，必須在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，防止孤島效應(yīng)的出現(xiàn)。因此，應(yīng)設(shè)置至少各一種主動(dòng)和被動(dòng)防孤島效應(yīng)保護(hù)。

主動(dòng)防孤島效應(yīng)的保護(hù)方式主要有頻率偏離、無功功率變動(dòng)、有功功率變動(dòng)、電流脈沖注入引起阻抗變動(dòng)等。被動(dòng)防孤島效應(yīng)的保護(hù)方式主要有電壓相位跳動(dòng)、頻率變化、三次電壓諧波變動(dòng)率等。

當(dāng)電網(wǎng)失壓時(shí)，防孤島效應(yīng)的保護(hù)應(yīng)該在2 s內(nèi)動(dòng)作，將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開不應(yīng)包括用于監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)的主控電路和監(jiān)測電路。

由于超限狀態(tài)而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)停止向電網(wǎng)送電后，在電網(wǎng)的電壓和頻率恢復(fù)到正常范圍后的20 s到5 min時(shí)間內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)不應(yīng)向電網(wǎng)送電。光伏發(fā)電（即靜止式發(fā)電）的啟動(dòng)和再并網(wǎng)是通過逐步調(diào)節(jié)電氣量，從無負(fù)荷狀態(tài)到帶負(fù)荷狀態(tài)。

在電網(wǎng)短路時(shí)，逆變器檢測的過電流應(yīng)不大于額定電流的150%，此時(shí)短路保護(hù)動(dòng)作，并在0.1 s以內(nèi)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，短路電流不應(yīng)該超過任何斷路器的開斷電流和容量。

4.3 配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.3.1社區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式

為了保證社區(qū)供電的可靠性，以及對后續(xù)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供技術(shù)支持和實(shí)驗(yàn)條件支撐，故本方案中擬用帶有蓄電池的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示，其具體優(yōu)勢如下：

圖1 太陽能社區(qū)分布式并網(wǎng)運(yùn)行方式

1）分布式安裝，就近就地分散發(fā)供電，進(jìn)入和退出電網(wǎng)靈活，既有利于增強(qiáng)電力系統(tǒng)抵御不利環(huán)境的能力，又有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，并可降低線路損耗。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定，與電網(wǎng)一起工作，使所有用電器在太陽能發(fā)電較少的情況下，直接轉(zhuǎn)用市電，兩個(gè)系統(tǒng)互為補(bǔ)充，安全可靠。

3）兩種運(yùn)行方式，系統(tǒng)可以運(yùn)行在兩種的運(yùn)行方式中，當(dāng)市電正常時(shí)候，光伏電池對負(fù)載供電；當(dāng)市電停電時(shí)候，斷開市電，由蓄電池組和光伏電池對負(fù)載供電。

4）當(dāng)社區(qū)太陽能電池晴天發(fā)的電大于晚上用電量時(shí)，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能設(shè)備，這樣就可以減少電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送的電能，從而節(jié)約用電成本。

5）由于不受蓄電池容量的限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電力可以全部得到利用。

6）可起調(diào)峰作用。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是世界各發(fā)達(dá)國家在光伏應(yīng)用領(lǐng)域競相發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，是世界太陽能光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢，市場巨大，前景可觀。

4.3.2 社區(qū)用電計(jì)量方式

1）公共設(shè)施用電計(jì)量。為便于計(jì)量，社區(qū)所有公共設(shè)施用的電能匯集到配電房，然后需要在電網(wǎng)與公共設(shè)備、屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共設(shè)備之間各安裝一個(gè)單向電能表，用來計(jì)量公共設(shè)施分別使用了多少太陽能發(fā)的電和公共電網(wǎng)的電量，最后由社區(qū)物業(yè)中心繳納電費(fèi)。

2）各家庭用電計(jì)量。本方案中家庭用電擬采用“上網(wǎng)電價(jià)”的方式計(jì)量，將光伏系統(tǒng)輸出端連接在進(jìn)戶電表之前，為便于統(tǒng)計(jì)用電量，采用具有雙向計(jì)量功能的電能表。那么在整個(gè)系統(tǒng)接線中，首先每個(gè)家庭需要安裝一個(gè)雙向的電能表，用它來計(jì)量每家使用電網(wǎng)的電量以及墻面光伏電池的多余電能賣給電網(wǎng)的電量，然后在屋頂光伏線路與電網(wǎng)之間安裝一個(gè)單向電表，用來計(jì)量屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)賣給電網(wǎng)的電量。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段，我國在光伏發(fā)電民用方面還處于初級(jí)應(yīng)用階段，缺乏成套的政策來規(guī)范這方面的建設(shè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)計(jì)2030年以后光伏發(fā)電成本會(huì)大幅降低。當(dāng)前，光伏發(fā)電民用化已經(jīng)成為可能，而本次設(shè)計(jì)正是以“太陽能社區(qū)”光伏微電網(wǎng)的建設(shè)來體現(xiàn)這種民用化，為以后太陽能光伏系統(tǒng)在社區(qū)推廣提供思路和借鑒。