60 kW楼宇光伏并网发电系统研究

张新娜

(昆明冶金高等专科学校电气与机械学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

太阳能具有储量巨大、环境污染低、可再生和无偿使用等特点，是替代传统能源，解决环境问题的一种重要新能源。因此，太阳能的开发利用受到世界各国广泛关注[1-2]。据欧盟联合研究中心2014年发表的“欧洲光伏研发路线图”研究报告预计，到2050年光伏发电产生的电量将达到能源供应总量的24%，本世纪末将占据能源供应统治地位[3]。

属于山地高原地形的云南，日照时间长，平均海拔高，空气稀薄，阳光透过率高。域内年太阳辐射总量大于 5 000 MJ/m2的地域占全省面积的90%；多数地区的年日照时数为 2 100～2 300 h，其中90多个州县超过 2 000 h[4]；是仅次于西藏和新疆的全国第三大太阳能资源丰富的省份。利用云南得天独厚的太阳能资源，并通过选用高性价比光伏组件建设小型光伏发电站，一方面可以解决楼顶空置问题，提高楼宇的附加值和利用率;另一方面可为用户提供部分能源，有效保障办公场所和生活电器设备的正常运转。

本文以昆明冶金高等专科学校电气与机械学院楼顶 60 kW 并网光伏发电系统为研究对象，计算分析该光伏系统的发电效率，通过运行参数研究，探讨影响该系统发电效率的各种因素；并对该系统中材料原件的选取和器件选型、电路设计及参数设置和光伏发电系统的安装等进行研究。本工作研究结果将为促进云南等边远地区及广大城镇的小型光伏发电系统的推广应用，提供理论支撑和智力支持。

1 项目简介

昆明冶金高等专科学校所在地，属低纬度亚热带——高原山地季风气候，受印度洋西南暖湿气流影响，日照长、霜期短，无霜期达 240 d 以上，发展太阳能具有良好的自然条件。本工作研究的 60 kW 并网光伏发电系统位于该校电气与机械学院楼顶天台，光伏电池安装面积达 480 m2。该系统采用分块发电、集中并网模式工作，采用优质高效多晶硅太阳能组件252块，每块 240 W；12个电池串为1列，每个电池串列按照21块电池组件串联进行设计，总功率为 60.48 kWp。

该发电系统为并网分布式光伏电站，所产生光生电流主要为全校教学设备、公共照明和生活小电器(如微波炉和饮水机等)供应电力。由于该系统所生成电力远不能满足所有设备和照明用电需要，只能作为公共电网的补充电源使用，因此该光伏发电系统中未设置储能装置。光伏电池将太阳光转换成直流电后，通过逆变器转换成 400 V 交流电，直接与学校内部的 380 V 局域电网进行连接。另外，由于本系统最大发电量不能满足学校教学办公等日常负载的耗电需求，而且所发的电量只供给所在教学楼中的本地负载，不足部分将从公共电网补充，但不会向其反向输电，因此不考虑升压变压器和防逆变装置等设备。当电网发生故障或变电站由于检修临时停电时，光伏电站将自动停机；当电网恢复，光伏电站会自动检测并立即恢复并网发电；在学校放假期间，光伏电站将人为停机。

2 光伏发电系统组成及相关参数分析

2.1 光伏电池组件选型分析

研究结果证实，虽然单晶硅太阳能光伏电池具有光电转换效率高的优点，且目前商业化单晶硅光伏电池的转换效率达到15%，且稳定性较好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是，由于所用原料——单晶硅的制备条件较为苛刻，造成单晶硅电池的生产制备成本较高。与单晶硅光伏电池相比，多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，虽然其转换效率略低于单晶硅，但是商业化多晶硅电池的转换效率也普遍能够达到14%～15%。另外，尽管多晶硅电池在使用寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低[5]。该 60 kW 并网光伏发电系统选用云南晶能科技有限公司生产的240 Wp型多晶硅太阳能光伏组件。表1给出了多晶硅光伏电池组件在标准测试条件下的电性能参数。

表1 240 Wp型电池在标准条件下的电性能参数Tab.1 Electrical performance parameters of 240 Wp battery under standard conditions

2.2 60 kW光伏系统相关参数计算分析

1) 工作效率计算。通常，并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网3部分组成。但是，鉴于本文所研究光伏发电系统并未接入10 kV高压输电线路的公共电网，因此，该光伏发电系统的工作效率只考虑前2部分。

光伏阵列效率(η1)：卢军[6]研究表明，光伏阵列在能量转换过程中的损失包括组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度以及直流线路损失等，这将使光伏阵列损失15%工作效率。

逆变器转换效率(η2)：即逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，所配置逆变器的最大效率为98.6%，见表2。

表2 光伏并网逆变器参数Tab.2 Parameters of PV grid-connected inverter

因此，本文所研究光伏发电系统的总效率约为：

η总=η1×η2= 85%×98.6% ≈ 83.8%

可见，所研究光伏发电系统具有较高的工作效率。

2)太阳能光伏组件串联方案分析。本文所研究光伏发电系统总计配置了252块240 Wp型高效多晶硅光伏电池，总功率为60.48 kWp，并将252块电池做成1个光伏并网发电单元，通过逆变器检测公用电网的电压、电流和频率等数据，控制实现给本地负载供电。设计安装时，将每21块多晶硅光伏电池作为1组串连在一起，作为1列光伏发电组件，252块电池分成12个串联光伏组件后，并联接入1台额定输出功率为100 kW的并网逆变器。其电缆线路示意图如图1所示。

图1 光伏电池布置和电缆线路示意Fig.1 The schematic of PV cell layout and cable line

根据串联电压计算公式[6]，每个240 Wp光伏电池的工作电压为 30 V，串联电压为V串=21×30 V=630 V，所选配 Growatt 100 kW 型光伏并网逆变器满载最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)时的最大电压是820 V，这表明上述串联方案是合理的；以每个240 Wp光伏电池的开路电压为43.3 V代替上述工作电压，则串联电压为V串=21×43.4 V=911.4 V，这表明在这种情况下，虽然串联光伏电池的电压没超过所匹配逆变器的最大直流电压 1 000 V，但是却已经超出逆变器满载MPPT时的最大电压820 V。这说明该串联方式有待改进，以保障光伏发电系统运行的绝对安全。因此，当一个项目的光伏电池组件容量较小时，可以考虑将光伏电池组件串联后直接接入并网逆变器，这样可以在保证发电系统安全运行的前提下，大大降低建设成本。

3)光伏电池组件阵列间距分析。根据本光伏发电系统所布置场所的空间结构，电池组件分别被安装在A、B两片楼顶区域，如图2所示。

图2 光伏组件安装效果图Fig.2 The sketch of installation effect of PV modules

从A区的实际安装(图3)可以看出，A区光伏电池组件为单排设计，23列×4片共计92片。除了考虑楼顶存在的复杂消防管网和女儿墙挡墙等结构影响增加支架高度外，不存在前后电池组件相互遮挡问题。而B区安装了10排光伏组件，每组2列×4片，共计160片240 Wp光伏电池(图4)，这就势必存在各排组件之间相互影响采光的问题。因此在进行光伏组件摆放设计时，为了避免阵列之间遮阴，影响光伏电池的有效发电，光伏电池组件阵列间距D应满足以下条件：

图3 A区光伏电池组件安装图Fig.3 The installation diagram in A area of PV cell modules图4 B区光伏电池组件安装图Fig.4 The installation diagram in Barea of PV cell modules

D≥ 0.707H/tan[arcsin(0.648cosΦ- 0.399sinΦ)]

其中Φ为当地纬度(北半球为正，南半球为负，取昆明市中心约25 °)，H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差。由表1可知，单个光伏电池的宽为992 mm；组件安装的夹角为 25 °，组件间的风道间隙为20 mm。则B区单排所安装光伏电池板的前排最高点与后排组件最低位置的高度差H= (2 × 992 mm+20 mm) × sin25°≈ 838 mm。在该设计中，根据上式求得：0.707H/tan[arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)]≈ 1 386 mm 。而根据图1，各排光伏组件之间预留间距为D= 1 315 mm。考虑到楼顶平台的空间有限，这基本满足各排光伏电池之间的采光需要。

4)组件安装方式及基础设计分析。赵颖[7]的测试结果表明，光伏电池组件的安装角度为24.9°时，获得的光伏发电功率最大，效率最高。本文所研究光伏发电系统中光伏发电组件的安装角度为25°，与赵颖的测试值非常接近，表明原设计中光伏组件安装角度是合理的。另外，赵颖认为其分析结果证实，北半球安装角度符合的规律为夏季当地纬度减去大约15°，冬季为当地纬度加上大约15°。昆明地区的纬度为北纬25°02′11″，这一数值与安装角度基本相同，而昆明也处于北半球，这与上述结论并不相符，笔者认为可能是昆明接近北回归线的缘故，而且光伏电池安装角度与安装地点所处纬度有密切关联。

另外，考虑到光伏电池组件安装楼顶的管线布置、承重以及防水等因素，原设计对组件安装采取平面屋顶上预制水泥基础，并在此基础上设计组件支架的安装形式[8]，如图5所示，此安装方式适合载荷量较大的平面屋顶，地面框架使用优质的铝合金导轨和预埋螺栓固定，支撑件为不锈钢材质，具有防锈、防腐功能，高强度低质量，且无需打孔，安装快捷方便无需二次加工，所有材料加工完成后热镀锌防腐，支架可根据实际情况采用水泥墩或水泥压块连接在屋顶。原设计在每列光伏电池板之间留有 20 mm 的通风间隙，有利于减小空气流通的阻力，增强整体组件的抗风能力，同时有利于光伏电池组件的通风降温，减少温度对电池光电转换效率的影响，提高光伏发电效率。

图5 水泥基础及支架安装效果图Fig.5 The installation sketch of cement foundation and support

2.3 辅助系统设计分析

光伏发电站要与公共电网或局域低压电网并网，并能够稳定运行，除了产生光电流的核心组件光伏电池外，还需要各种器件和系统辅助，如并网逆变器、数据采集系统和环境检测系统等。

1)逆变器。逆变器是将光伏组件所产生的直流电转换为与所安装地区电网要求一致的交流电并将其馈入电网的关键设备。该光伏发电系统所采用的是 GroWatt 100 kW 型并网逆变器。图6展示的是 60 kW 光伏发电系统电路结构图，可以看出，在逆变器的2个直流输入端均分别配置了MPPT，以确保即使在不同的PV 输入条件下，也可获得最大的功率。直流电进入逆变器之后，通过三电平逆变电路转化为交流电，再通过五芯端子接入学校内部使用的400 V低压电网。

图6 60 kW光伏发电系统电路结构图Fig.6 The circuit structure of 60 kW PV power generation system

GroWatt100 kW 具有低电压穿越、功率可调、转换效率高(98%)、使用寿命长(利用膜电容有效提高其寿命)、直流电压输入范围最高可达 1 000 V、MPPT电路配置灵活(单路/双路)和安全且易于维护(具有直流关断开关)等优异特性。该类型逆变器能够提供运行记录显示和参数配置功能，用户可通过LCD显示控制板进行相应的查看和操作；同时具备极性反接保护、短路保护、对地绝缘监测、逆变器输出电压监测、逆变器输出频率监测、剩余电流保护、交流输出电流的直流分量监测、反孤岛保护和环境温度监测等保护功能。当PV输入过载、网侧电压过低、内部温度过高和达到逆变器LCD液晶显示器上设置的功率限制时，该逆变器的降额功能将会被激活，用以防止逆变器过载或某些潜在故障，如，当PV电池板输入功率超过设定的最大功率输入值时，逆变器将降低到功率的最大限制值并保持输出功率在额定值；当电网电压过低时，逆变器会通过降额使得输出电流在规定的范围之内；过高的环境温度，较差的空气流通或风扇故障均可导致功率模块的温度过高，超温降额可保护逆变器和功率模块。

2)数据采集器。本文所研究 60 kW 光伏发电数据采集监测系统如图7所示。数据采集器不仅可以监测单台设备，还可以通过RS485总线方式监测大规模光伏电站中的多台设备，设备的数量可高达30台，并且可以根据需求对设备数量进行扩展。在统一的通讯协议支持下，数据采集器可监测的设备包括：逆变器、环境监测仪以及光伏汇流箱等。作为终端显示设备，数据采集器可监测光伏系统当前运行状况，存储历史信息于内置的存储器或Micro SD中。逆变器与数据采集器之间的通讯连接只能通过RS485方式。如果逆变器数量超过1台，逆变器之间的连接通过RS485菊花链方式。作为中间设备，数据采集器将采集到的光伏发电系统信息传递给装有SolarInfo Insight软件的上位机。数据采集器可通过RS232、USB或网线连接至上位机。数据采集器提供多种标准接口，方便根据已有设备选择最佳通讯监控方案，从而节省成本。

图7 60 kW光伏发电数据采集监测系统 Fig.7 The data acquisition and monitoring system of 60 kW PV power generation

3)环境监控器。本文所研究60 kW光伏发电系统配有1台监控装置，如图8所示。该装置对光伏系统中的逆变器和汇流箱的运行数据和工作状态进行监控和定时存储1次电站所有运行数据，可与汇流箱通讯，监控每路光伏组串的电流和电压，实时显示电站当前的发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图；可实现随时查看每台逆变器的运行参数，采用声光报警方式提示设备出现故障，查看故障原因及故障时间等功能。另外，该装置具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向和环境温度。

为保证光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击等外在因素导致器件损坏，该光伏发电系统还装备了1套防雷接地装置,地线采用的是40扁钢[3]。直流侧防雷做到了支架接地良好，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置有效避免雷击损坏设备。逆变器交流输出经交流防雷柜(内含防雷保护装置)接入电网，所有的机柜要有良好的接地，很好地保护了交流侧设备。另外，如图8所示，环境监测器等辅助装置也做到了有效防雷。

图8 60 kW光伏发电环境监控系统Fig.8 The monitoring system of 60 kW PV power generation environment

4)其余电路。图6所示的60 kW光伏发电系统电路结构图中，还有滤波器、电抗器、控制电路和保护回路等。包含输出滤波器的输出电路，可以减小逆变电路所输出的交流电中的谐波对负载的影响。电抗器可以保证输出的电流不会变动太大。控制电路的作用是产生一系列控制脉冲来控制功率开关器的导通和关断，同逆变电路一起完成逆变功能，本电路中由DSP器件和CPLD组成。DSP是数字信号处理器，对逆变器、MPPT和断路器等设备参数进行数据采集处理，通过复杂可编程逻辑器件CPLD进行控制，提高优化并网运行的各项参数。

3 系统主要存在的问题

根据上述分析可以看出，本文所研究的60 kW光伏发电系统整体设计较为合理，在昆明充沛的太阳光照条件以及合理的光伏组件排列和各项辅助系统的作用下，能够高效生成光照电流供学校教学和办公使用。但是，该光伏发电系统存在一处非常严重的设计缺陷，即未有效考虑系统逆流问题。如前所述，虽然该光伏发电系统发电能力有限，产生的电力远不能满足学校教学和办公设备需要。但是，实际运行过程中不可避免有光伏发电量大于负载用电量的情况存在；而且该光伏发电系统中也未设计储能装置。因此，防逆功率装置的缺失同时又无蓄电池存在的情况下，任何造成光伏发电大于负载用电的情况，均能够给该光伏发电大系统带来非常致命损伤。因此，对于具有一定规模的校园、工业园区等建筑顶部的分布式光伏发电系统，应当考虑安装储能装置，以保证系统运行及设备和建筑物的安全。

4 结 语

本文通过对光伏发电系统工作效率的计算，以及串联方案和组件性价比等因素的综合分析，给出了楼宇光伏发电系统组件的确定标准；通过对电池组件陈列距离、安装方式和辅助系统器件等数据分析，确定了楼宇光伏发电系统的合理化设计安装方案；并指出楼宇小型光伏发电系统的主要问题在于储能装置的普遍缺失。天气因素是影响楼宇光伏发电系统的主要因素，逆变器是保障电压稳定实现光伏发电并网的关键器件。另外，本工作所研究的太阳能发电系统安装位置为学校教学楼顶，因此，除了上述部分满足教学与办公设备用电之外，还具备为电气、电力自动化专业学生提供现场教学的实训实践功能：一是可以直观地向学生展示太阳能发电系统的各组成装置及其功能；二是可以利用该装置指导学生设计开发不同规格、不同功率和功能的建筑物用小型太阳能发电装置。