直流模块式屋顶光伏系统的设计与建设

中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 ■ 金安君 彭文博 刘大为 马铭远 徐越 许世森

一 引言

以屋顶光伏为主要载体的分布式光伏发电系统是未来光伏装机容量增长的一个主要方向，是各大发电集团公司希望介入的市场，同时也是我国“十二五”发展规划中明确鼓励发展的可再生能源发电方式。2012年仅金太阳工程即批准了1.709GW的屋顶光伏装机容量。

相对于目前已取得规模化增长的地面大型光伏发电系统，屋顶光伏系统在设计和建造上面临一些新的挑战：如可安装位置分散、面积不等、朝向和角度不同、阴影分布不均匀等。这些问题易造成光伏阵列电气参数失配和局部阴影引起的系统能量损失，同时不易实现全系统的最大功率点跟踪。

目前在地面大型光伏电站中广泛使用集中式拓扑结构，虽然结构简单并易于实现，但是其抗热斑和抗阴影能力差，对系统中各阵列的电气参数一致性要求高，同时难以实现良好的最大功率点跟踪功能，不适宜推广应用于分布式屋顶光伏系统。

图1 光伏系统电气结构示意图[1]

为克服上述屋顶光伏系统中存在的问题，提出了模块式光伏系统电气设计理念，其中包括交流模块结构[2]和直流模块式结构[3]，如图1。所谓交流模块式结构是指把光伏组件或小容量阵列与小功率并网逆变器集成在一起作为一个标准交流电压输出的光伏发电系统模块，直接并入交流母线。直流模块式结构是指将电气参数相对一致的光伏阵列与高增益DC/DC变换器集成为具有标准输出电压的直流模块，各直流模块通过直流母线并联后经逆变器集中逆变。模块式光伏系统极大的降低了热斑和阴影问题；每个模块独立运行，系统扩展能力强；每个模块独立MPPT控制，最大程度提高了系统的发电效率，这些特点使得模块式结构特别适合应用于屋顶光伏系统。但是相对于交流模块式结构，直流模块式系统的逆变器效率更高，而且可以集成储能单元。

本文涉及的光伏发电系统建设于北京市昌平区未来科技城华能集团人才创新创业基地实验楼A楼屋顶。项目将与该实验楼基建工程同步建设，设计容量为50kW。根据本项目的实际需要采用直流模块式设计，是目前国内报道的最大容量的使用直流模块式电气拓扑结构的屋顶光伏系统。

二 光伏阵列布置设计

1 气候条件

北京气候属暖温带半湿润半干旱季风气候。年平均气温，平原地区为11℃～13℃，拔海800m以下的山区为9℃～11℃，高寒山区在3℃～5℃。年极端最高气温一般在35℃～40℃之间[4]。

北京太阳辐射量全年平均为112～136千卡/cm2。北京年平均日照时数在2000～2800小时之间，大部分地区在2600小时左右。全年日照时数以春季最多，月日照在230～290小时；夏季正当雨季，日照时数减少，月日照在230小时左右；秋季日照时数虽没有春季多，但比夏季要多，月日照230～245小时；冬季是一年中日照时数最少季节，月日照不足200小时，一般在170～190小时[5]。表1通过PVsyst软件模拟了在北京市光照条件下，各种光伏阵列安装方式下单位面积光伏组件可接收的辐照资源。

表1 北京市太阳辐照资源（PVsyst）

2 光伏阵列布置

本光伏系统出于实验性考虑涵盖多种组件类型和跟踪方式，其中包括35kW 32¡固定倾角多晶硅光伏组件、3kW可调倾角多晶硅光伏组件、3kW平单轴跟踪多晶硅光伏组件、3kW 32¡倾角斜单轴多晶硅光伏组件、3kW 32¡固定倾角非晶/微晶叠层光伏组件和3kW双轴跟踪高倍聚光光伏组件。由于屋顶各种遮挡物较多，阴影分布和变化情况复杂，出于实验数据可比性的考虑，为了保证各测试阵列阴影条件相同，在光伏阵列布置时主要考虑的是减少阴影的发生而不是最大化利用屋顶面积。根据PVsyst模拟软件分析不同光伏阵列布置方式在不同季节的屋顶遮挡物阴影变化(图2)，综合屋顶利用率和组件利用率两方面的因素，确定光伏阵列在实验楼5层顶和6层顶的分布如图3所示。

图2 光伏阵列不同季节的阴影分析（PVsyst）

图3 光伏阵列布置模拟图（实验楼5层和6层顶）

三 直流模块式电气系统设计

1 光伏阵列输出参数

上文已经介绍本系统涵盖多种类型光伏阵列，各阵列输出性能如表2所示。由表中可见本光伏系统各阵列输出参数差别很大，使用传统集中式电气拓扑结构会造成极大的功率损耗，需要使用模块式系统结构集成所有阵列。

表2 光伏阵列输出参数

2 负载与储能

根据实验楼电气总设计方的要求，本光伏系统电力首先直供实验楼A楼部分负载用电。其中卫生间照明3kW，公共区域照明8kW，电梯厅照明5kW，以及烘手器15kW和加热器30kW。

表3 负载清单

为平衡电源与负载间的失配，本系统中同时配备有蓄电储能单元。蓄电储能单元设计容量为48V×6000Ah，可存储光伏系统多余电量，使得光伏阵列可以充分发挥发电能力，利于发电数据的对比分析。由于在逆变器输出功率不足时负载会自动切换至市电为负载供电，因此本光伏系统不考虑连续阴雨天的供电量[6]，极大减小了对蓄电池的需求。同时，智能微网分布式光伏发电系统是未来屋顶光伏发展的主流，蓄能单元是其中必不可少的组成部分，本系统中集成蓄能单元也是为未来光伏系统智能化研究准备条件。

3 直流模块式电气系统设计

由于本系统不但具有输出性能多样化的光伏阵列，同时集成有蓄能单元，还需要考虑未来向智能微网方向升级，直流模块式拓扑结构是该屋顶光伏系统的不二之选。

图4是本系统的电气拓扑结构简图。光伏阵列根据其类型分为3kW或5kW两种单元，每一单元与某公司XW MPPT 60 150或XW MPPT 80 600型号DC/DC变换器集成构成48V输出的直流发电模块并入直流母线。需要指出的是，该直流模块不但具有稳压功能，减小系统热斑效应的同时提高了系统的兼容性，而且各直流模块可进行独立的MPPT控制，保证光伏系统时刻处于最大输出状态。

在直流母线的另一端接有集中逆变系统。该逆变系统由6台某公司XW6048型可切换式逆变器构成(图中简化为3台)。每2台组成一相电的输出，共分3组组成三相逆变系统。此外，所谓可切换式包含两层含义：一是在直流侧(光伏组件和蓄电池)能量不足时，逆变器可以在20ms内切换至用户侧电网为负载供电；二是当直流侧能量盈余时，逆变器可以由向负载独立供电切换为低压用户侧并网。

图4 屋顶光伏系统电气拓扑结构简图

整个系统的配电过程遵循一定的优先级策略：

(1)光伏组件的输出功率优先通过逆变器独立供应负载；

(2)当光伏组件功率不足时由蓄电池对负载供电，放电深度定为30%；

(3)当光伏系统直流侧功率不足时逆变器会切换至市电给负载供电，切换间隔小于20ms；

(4)当负载负荷不足时，光伏组件电力由蓄电池存储；

(5)当负载负荷不足且蓄电池满时，光伏组件输出能量通过逆变器在实验楼低压用户侧并网。实验楼市电接入端接有逆功率继电器。

综上所述，该系统可以根据电源与负载的变化按一定规律智能配电，具有一定的智能微网[7]概念。未来根据实验数据的积累和对光伏系统运行规律理解的加深，可加入短时间(10分钟量级)的光伏功率预测功能，逐渐向智能微网方向发展。

四 结语

本文介绍了一个建设中的直流模块式屋顶光伏系统的总体设计。设计方案借鉴了智能微网的设计理念，以直流模块式光伏系统电气拓扑结构为核心，使用带有最大功率点跟踪功能的充放电控制器成功实现了不同输出特性的实验光伏阵列的高效集成，同时减少了复杂屋面条件下的热斑风险。此外本光伏系统还配有蓄电储能单元和可切换式逆变器，可根据光伏方阵输出功率、负载负荷以及用户侧电网负荷，实时对光伏能源进行智能配电，既可以进行独立供电也可以用户侧并网，可确保光伏组件发出全部电量，同时可提高用户侧电网的稳定性。

本项目设计瞄准未来屋顶光伏系统的技术发展趋势，能为华能集团开展太阳能发电技术研究、人才培养创造较好的条件。

[1] 张兴, 曹仁贤. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制. 机械工业出版社, 2010, 61－67.

[2] Kleinkauf W, Sachau J, Hempel H. Developments in inverters for photovoltaic systems. 11th E.C. photovoltaic Solar Energy Conference, Montreux, Switzerland, 1992.

[3] 刘邦银, 梁超辉, 段善旭. 直流模块式建筑集成光伏系统的拓扑研究, 中国电机工程学报, 2008, 28, 99－104.

[4] http://www.weather. com.cn/beijing/sdqh/.

[5] http: //www.lwq.gov.cn/cms/pages/2023983 8706760000/attachments/2621.htm.

[6] 李钟实. 太阳能光伏发电系统设计施工与维护, 人民邮电出版社, 2010, 95－98.

[7] 刘广斌, 智能微网系统设计, 硅谷, 2012(4)73－74.