“整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電項目的典型設計方案和設計要點探討

張 敏，李愛武，計枚選

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100034)

0 引言

2021年6月20日，國家能源局綜合司下發(fā)了《關于報送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，明確提出了在屋頂資源豐富、消納能力較好的地區(qū)，應開發(fā)利用屋頂分布式光伏發(fā)電。

分布式光伏發(fā)電是可再生能源利用的重要途徑之一[1]。積極開展屋頂分布式光伏發(fā)電的規(guī)劃、建設和運營，加快可再生能源創(chuàng)新發(fā)展，建立有質量、有效益、可持續(xù)的高比例可再生能源體系是應對能源資源約束、改善生態(tài)環(huán)境的重要舉措，也是適應未來能源轉型形勢、實現(xiàn)低碳發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。當前，分布式光伏市場呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢[2]。“整縣推進”屋頂分布式光伏政策是實現(xiàn)碳達峰、碳中和與鄉(xiāng)村振興兩大國家重大戰(zhàn)略的重要舉措。與地面光伏發(fā)電項目不同，“整縣推進”模式下的屋頂分布式光伏發(fā)電項目更分散，因此設計方案是“整縣推進”屋頂分布式光伏發(fā)電項目建設中的關鍵點，需要結合項目所在地的場景、資源、屋頂形式，因地制宜，提供安全、可靠、經(jīng)濟性好的設計方案。

本文首先介紹了“整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電的4種典型應用場景，并詳細闡述了建設場址選擇原則、主要設備的選型原則、發(fā)電量分析原則、接入電網(wǎng)設計原則，以及智慧光伏運維方案；然后結合實際工程中的設計實踐，總結了屋頂分布式光伏發(fā)電項目設計要點，給出了可供探討的整套設計方案，以期助力屋頂分布式光伏發(fā)電的大力發(fā)展。

1 “整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電的典型應用場景

“整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電建設的4種典型應用場景為：黨政機關建筑屋頂、公共建筑屋頂、工商業(yè)廠房屋頂、農(nóng)村居民屋頂。

1)黨政機關建筑屋頂。主要包括市政府、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府、檔案館、博物館、圖書館，以及文化館等建筑物屋頂。

2)公共建筑屋頂。主要包括村委會、居委會、學校、醫(yī)院、衛(wèi)生所等建筑物屋頂，產(chǎn)權歸為當?shù)卣块T，此類場景的建筑物多為框架結構混凝土平屋頂，部分建筑物為彩鋼瓦屋頂。

3)工商業(yè)廠房屋頂。主要是指各商城、工廠、酒店、辦公樓等的屋頂，多為混凝土平屋頂。屋頂鋪設光伏組件后，光伏組件不僅能夠起到遮陰降溫的作用，用戶還能享受折扣低電價供電或者獲得屋頂租金。

4)農(nóng)村居民屋頂。各個地區(qū)的農(nóng)村居民屋頂造型不一，各有特色，并且村落周圍一般有樹木，對部分農(nóng)村居民屋頂會造成遮光影響，影響其進行屋頂分布式光伏發(fā)電建設；另外，部分居民屋頂進行分布式光伏發(fā)電建設時需要根據(jù)其具體情況采用特殊支架方案。

2 “整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電項目的典型設計方案

2.1 建設場址選擇原則

屋頂分布式光伏發(fā)電項目的建設場址選擇中，優(yōu)先選擇屋面彩鋼板形式為角馳型或直立鎖邊型彩鋼板、混凝土屋面防水良好，以及屋面突出物及遮擋物較少的屋頂；優(yōu)先選擇當?shù)貐^(qū)域太陽能資源條件好、建筑物產(chǎn)權清晰、使用壽命短、屋頂可利用面積較大、附近用電負荷較大、接入電網(wǎng)條件較好的屋頂區(qū)域。

2.2 主要設備的選型原則

2.2.1 光伏組件選型

光伏組件的選型基本原則是在保證所選產(chǎn)品安全、可靠的前提下，根據(jù)項目所在地的氣候特征、太陽輻射量、場地面積等因素，經(jīng)過技術經(jīng)濟性分析后，選擇出綜合指標最佳、最適合于該區(qū)域屋頂分布式光伏發(fā)電項目的光伏組件。

光伏發(fā)電系統(tǒng)效率會直接影響光伏電站的收益[3]，光伏組件選型時需綜合考慮光伏組件的光電轉換效率、技術成熟性、市場占有率、價格等因素。目前，根據(jù)接入電壓等級，屋頂分布式光伏發(fā)電項目通常選用72片封裝的450 Wp或540 Wp型PERC單晶硅光伏組件。

2.2.2 逆變器選型

逆變器選型的主要技術原則包括：1)性能可靠，效率高；2)要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍；3)具有保護功能；4)波形畸變小，功率因數(shù)高；5)具備監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能；6)具備低電壓穿越功能。

綜合考慮屋頂分布式光伏發(fā)電項目的并網(wǎng)要求、運行期的運營維護需求和設備安全性要求等方面，本文選擇組串式逆變器進行方案設計。目前，組串式逆變器已應用于國內(nèi)多個屋頂分布式光伏發(fā)電項目，主流應用是直流電壓為1000 V的50、60、80、100 kW組串式逆變器，以及直流電壓為1500 V的230、320 kW組串式逆變器。

實際設計時，應依據(jù)屋頂分布式光伏發(fā)電項目擬建設地和項目布置容量的具體情況選擇不同電壓等級和不同容量的組串式逆變器。在公共基礎設施的大型建筑物(構筑物)屋頂、新建工業(yè)廠房屋頂?shù)壬厦婵梢猿膳⒊善贾霉夥M件，此類光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量較大的應用場景中，為了節(jié)約建設成本，盡量選擇直流電壓等級為1500 V的較大容量的組串式逆變器，以使光伏發(fā)電系統(tǒng)獲得更高的收益。

在新建民用建筑一體化項目屋頂、社區(qū)屋頂、農(nóng)村戶用屋頂、停車棚頂?shù)鹊胤讲贾玫墓夥l(fā)電系統(tǒng)容量可能無法連片形成較大容量規(guī)模，在技術經(jīng)濟性和可行性上，這類屋頂分布式光伏發(fā)電項目會優(yōu)先選擇直流電壓等級為1000 V的較小容量的組串式逆變器，比如30、50、80、100 kW組串式逆變器。最終逆變器選型應根據(jù)屋頂分布式光伏發(fā)電項目現(xiàn)場的實際情況來確定。

2.3 布置方案

屋頂分布式光伏發(fā)電項目的典型應用形式主要有混凝土平屋頂結構和彩鋼瓦屋頂結構。不同屋頂結構的布置方案不同。

2.3.1 混凝土平屋頂結構

農(nóng)戶新建房、公共設施用房、工商業(yè)、學校等的屋頂多為混凝土平屋頂結構。混凝土平屋頂?shù)脑荚O計一般分為上人屋面與不上人屋面2種形式，初始設計為上人屋面的屋頂，在考慮屋頂壽命的前提下一般能夠滿足增加光伏發(fā)電單元的荷載要求；而通常針對不上人屋面，在屋頂分布式光伏發(fā)電項目的開發(fā)前期需對原屋面結構進行結構復核[4]。

2.3.2 彩鋼瓦屋頂結構

農(nóng)戶遮陽棚或配房、工商業(yè)車間廠房等的屋頂多為彩鋼瓦屋頂結構，需要根據(jù)原有設計圖紙校核屋面彩鋼瓦結構的荷載情況。

2.3.3 布置方案

屋頂布置光伏組件的支架傾角選擇需要綜合考慮當?shù)氐奶栞椛淞俊⑽菝鎯A角、前后排陰影遮擋、周圍障礙物遮擋等問題，應根據(jù)項目所在地，并結合不同應用場景來確定。

2.4 發(fā)電量分析原則

光伏電站的發(fā)電量取決于總太陽輻射量、光伏組件的光電轉換效率、設備效率(比如逆變器效率)及輸電線路損耗(比如：直流線路損耗、交流線路損耗、并網(wǎng)線路損耗等)，同時也受到其他多種因素的影響。整縣推進屋頂分布式光伏開發(fā)試點工作中，根據(jù)設備選型、屋頂結構形式等各種外部輸入條件的不同，4種典型應用場景下屋頂分布式光伏發(fā)電項目的系統(tǒng)效率和首年利用小時數(shù)會有所差異。以江蘇省某縣為例，其整縣推進屋頂分布式光伏開發(fā)試點工作方案中，4種典型應用場景對應的系統(tǒng)效率和首年利用小時數(shù)情況匯總如表1所示。

表1 江蘇省某縣的屋頂分布式光伏發(fā)電4種典型 應用場景對應的系統(tǒng)效率和首年利用小時數(shù) 情況匯總Table 1 Summary of system efficiency and first year utilization hours corresponding to four types of typical application scenarios of rooftop distributed PV power generation in a county of Jiangsu Province

由于光伏組件的光電轉換效率存在衰減，呈逐年遞減狀態(tài)，因此隨著時間的推移，屋頂分布式光伏發(fā)電項目的實際年發(fā)電量將不斷減少。因此，應按照工信部發(fā)布的《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件(2021年本)》，并結合光伏組件廠家提供的光伏組件衰減參數(shù)，按照“首年衰減率不超過2%，以后每年衰減0.55%”的原則進行屋頂分布式光伏發(fā)電項目實際發(fā)電量的計算。

2.5 接入電網(wǎng)原則

分布式發(fā)電通常遵循“因地制宜、清潔低碳、安全高效、分散布局、就近利用”的原則。因此在屋頂分布式光伏發(fā)電項目的實際設計中，對于單個并網(wǎng)點，接入電網(wǎng)的電壓等級應在滿足安全性、靈活性、經(jīng)濟性原則的前提下，根據(jù)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量、交流導線載流量、上一級變壓器及線路可接納上網(wǎng)的能力，以及當?shù)嘏潆娋W(wǎng)現(xiàn)狀進行綜合比選后確定[5]。

根據(jù)相關標準和要求，分布式電源裝機容量為8 kW及以下可接入220 V電網(wǎng)，8～400 kW可接入380 V電網(wǎng)，400 kW～6 MW可接入10 kV電網(wǎng)；且若新增光伏發(fā)電系統(tǒng)在變壓器低壓側并網(wǎng)時，每臺變壓器低壓側最多設計1個并網(wǎng)點。每個屋頂分布式光伏發(fā)電項目的最終并網(wǎng)電壓等級應結合屋頂分布式光伏發(fā)電項目周邊的電網(wǎng)實際條件和項目裝機容量，通過技術經(jīng)濟性比選論證后確定。

2.6 智慧光伏運維方案

分布式光伏電站具有數(shù)量多、容量小、復雜程度高等特點，各種類型的分布式光伏電站集中管理，必須搭建統(tǒng)一的智慧光伏運維平臺，以實時了解電站的運行情況，包括每塊光伏組件和每串光伏組串的運行狀態(tài)、性能表現(xiàn)，可精準定位電站故障位置并識別故障類型，做到整體可視、電站資產(chǎn)智慧運營及智能運維。

針對整縣推進屋頂分布式光伏開發(fā)試點工作中光伏電站數(shù)量多且較為分散的特點，可利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、數(shù)字孿生等新興技術，針對全縣建設一套多層級、多維度的智慧光伏運維平臺，在實現(xiàn)全縣的屋頂分布式光伏電站三維可視化運維的同時，整合光伏組件、逆變器等設備的運行狀態(tài)等各種信息。可利用數(shù)字化、人工智能(AI)、智能I-V診斷等技術，實現(xiàn)屋頂分布式光伏電站的在線“體檢”和運維，提高整縣能源的整體利用效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置、靈活調(diào)控，以及新能源高效、低碳、智能化的發(fā)展目的。

3 “整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電項目的設計要點

3.1 復核屋頂荷載和建筑物周邊條件

應遵循JGJ 203—2010《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應用技術規(guī)范》第4章第4.1.3條的規(guī)定，“在既有建筑上增設或改造光伏系統(tǒng)，必須進行建筑結構安全等復核工作。”根據(jù)GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》第3.1.1條強制性條文第2款的規(guī)定，“使用用途或環(huán)境改變”需進行屋面可靠性鑒定。因此，所有用于建設分布式光伏發(fā)電項目的屋面均需復核屋頂荷載，以確認屋頂?shù)某休d能力可達到安裝分布式光伏發(fā)電項目的要求，并進行可靠性鑒定。

另外，需查看屋頂所屬建筑物周邊是否有高層建筑物，少量的陰影遮擋會導致光伏電站輸出功率下降，因此在光伏組件的排布設計階段必須進行陰影分析，以保證光伏電站在09:00～15:00時間段(當?shù)卣嫣枙r)無任何的陰影遮擋。

除了復核屋頂荷載和陰影遮擋之外，當應用場景為工業(yè)廠房屋頂時，還需要考察廠房內(nèi)的設備情況，排查廠房內(nèi)是否存在導致廠房的電壓不穩(wěn)定、電流諧波超標的設備，以避免對光伏電站的設備產(chǎn)生影響。

3.2 自發(fā)自用的用電負荷比例計算

實際屋頂分布式光伏發(fā)電項目中，采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”方式的較多，此時需要進行負荷消納分析及綜合電價計算。

1)項目負荷現(xiàn)狀及用電量情況。分析屋頂分布式光伏發(fā)電項目的負荷現(xiàn)狀及用電量情況，統(tǒng)計分析項目接入的電氣接線和電負荷現(xiàn)狀，匯總整理最近1年全年的峰、谷、平用電量數(shù)據(jù)。

2)計算光伏發(fā)電的綜合電價。首先了解屋頂分布式光伏發(fā)電項目供電區(qū)域的主要用電時間段及節(jié)假日等情況，根據(jù)現(xiàn)有月度用電量情況及用電時間段等信息計算出月度每小時的用電量情況，從而得到全年12個月的日代表性負荷曲線；以典型月的典型日的用戶用電負荷及光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量情況為例，可得到典型日全天的負荷用電量曲線與其發(fā)電量曲線示意圖；然后用“自用電率=自用電量/光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量”計算得出典型日的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量；最終可計算得到屋頂分布式光伏發(fā)電項目的負荷消納比例和綜合電價。

3.3 接入電網(wǎng)設計

屋頂分布式光伏發(fā)電項目一般采用“全部自發(fā)自用”“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”或“完全上網(wǎng)”3種結算模式。其中，后2種結算模式涉及到接入電網(wǎng)設計。

接入電網(wǎng)設計的要點主要為：

1)屋頂分布式光伏發(fā)電項目首次現(xiàn)場踏勘時，一般需要結合現(xiàn)有配電圖紙勘察光伏電力接入電網(wǎng)的可能性和可能方式。

2)對于接入公共電網(wǎng)，需要在并網(wǎng)柜內(nèi)或者產(chǎn)權分界點處裝設光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計量表，計量表規(guī)格和裝設位置需滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司的要求。

3)通信方式根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)區(qū)域發(fā)展的差異，在滿足當?shù)仉娋W(wǎng)公司要求的前提下，設計中可盡量采用智能化實現(xiàn)方式，以實現(xiàn)降低項目投資的目的。

3.4 光儲充一體化設計方案

大量屋頂分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)后，由于電網(wǎng)末端容量受限等問題，可能引發(fā)潮流方向改變、局部電壓越限、繼電保護誤動等諸多不利影響。針對不同應用場景提供個性化的光儲充一體化方案，可實現(xiàn)新增屋頂分布式光伏發(fā)電與用電負荷基本平衡，從而降低電網(wǎng)容量壓力，在極大地節(jié)省了電網(wǎng)增容費用的同時，還可以提高屋頂分布式光伏發(fā)電項目在不同應用場景下的供電可靠性與經(jīng)濟性。

3.5 不同設計階段的要求

屋頂分布式光伏發(fā)電項目的設計中存在很多需要注意的問題[6]，不同設計階段的工作重點有所差異。

1)前期勘測設計階段：需提前發(fā)給業(yè)主方收資清單，收集房屋產(chǎn)權信息，以及總圖、建筑結構、電氣等相關專業(yè)圖紙和資料；在此階段可同時利用無人機等設備進行資料收集。

2)編制初步方案階段：需在進行屋頂荷載復核或具備屋頂加固方案后，根據(jù)無人機拍攝圖片和現(xiàn)場踏勘收集的資料，有針對性的給出可研或初步設計方案，主要包括項目所在地的光照資源狀況、總圖布置容量、發(fā)電量、電氣接入方案，以及項目收益率等。

3)施工圖設計階段：建議根據(jù)接入電網(wǎng)的批復結果及前期方案的評審意見進行深入設計，保證圖紙質量和深度滿足施工要求。其中，光伏組件的總圖布置、支架的安裝方式、電纜截面選型和電纜敷設方式是重點設計內(nèi)容。

4)竣工圖設計階段：依據(jù)現(xiàn)場施工、安裝中出現(xiàn)的設計變更、工作聯(lián)系單等有效文件，在施工圖基礎上進行竣工圖設計工作。

4 結論

本文介紹了“整縣推進”模式下屋頂分布式光伏發(fā)電的4種典型應用場景，詳細闡述了建設場址選擇原則、主要設備的選型原則、發(fā)電量分析原則、接入電網(wǎng)設計原則，以及智慧光伏運維方案；總結了屋頂分布式光伏發(fā)電項目的設計要點，并給出了整套設計方案。未來光伏發(fā)電項目的設計人員需要在實際的項目經(jīng)驗基礎上，不斷總結、探索出新型的個性化設計方案，探索屋頂分布式光伏發(fā)電新的開發(fā)模式，以助力國家“雙碳”目標的實現(xiàn)。