分布式光伏发电系统在建筑供配电中的应用

张 烨（上海建工四建集团有限公司，上海 201103）

发展清洁能源是“十四五”时期我国深入实施能源消费和供给革命的重要组成部分。《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》提出，到 2030 年非化石能源占一次能源消费比重应达到 20%，2050 年超过 50%。

2021 年 6 月 20 日国家能源局综合司下发了《关于报送整县（市、我）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，要求党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例≥50%；学校、医院、体育场馆等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例 ≥ 40%；工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例≥30%。

在此大背景下，研究分布式光伏在建筑及其配电系统中的应用，具有极为重要的现实意义。

1 光伏发电系统类型及构成

光伏发电系统，是利用半导体材料的光伏效应，将太阳辐射能转化为电能的一种发电系统。光伏发电系统主要分为离网光伏系统和并网光伏系统两大类。

离网光伏发电系统由太阳能光伏阵列、蓄电池组、充电控制器、逆变器、负载等组成。其工作原理是，太阳辐射能量经过光伏阵列首先被转换成直流电能，然后逆变器变换成合格的交流后给负载供电。同时将多余的电能经过充电控制器后以化学能的形式储存在储能装置中。这样在日照不足时，储存在电池中的能量就可经过电力逆变器、滤波和工频变压器升压后变成交流 220 V、50 Hz 的电能供交流负载使用。

并网光伏发电系统由光伏阵列、逆变器、负载和系统监控部分组成。其工作原理是，太阳辐射能量经过光伏阵列首先被转换成直流电能，进过逆变器逆变后向电网输出与电网电压相频一致的正弦交流电流。

以上两种光伏发电系统的最大我别就在于，并网光伏发电系统直接与电网相连接，因而光伏阵列的电量盈余与并联电网可以实行互补，省去了独立光伏发电系统中必需的蓄电池等储能元件，不仅降低了系统成本，而且保证了系统的可靠性。

太阳能发电的特点是白天发电，而负载往往却是全天候用电，因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少，目前工程上使用的储能元件主要是蓄电池。

2 光伏发电系统在建筑中应用型式

目前光伏发电系统在建筑中的应用主要为：光伏组件与建筑结合（BAPV）、光伏组件建筑一体化（BIPV）、非建筑场景，三种型式。

（1）光伏系统与建筑相结合，即 BAPV。是利用封装好的光伏组件安装在已有的建筑物的屋顶上，再通过与逆变器、蓄电池、控制器、负载、并网箱等装置相联组成完整的发电系统。光伏发电系统只是建筑物的附属物，不属于建筑物本体的组成部分。

（2）光伏组件建筑一体化（BIPV）。该型式是将光伏组件与建筑材料集成化，是光伏组件和建筑的结合，我别在于将光伏组件和建筑集成为不可分割的一部分，组件兼具发电、装饰和建材功能，不以发电性能作为唯一考量标准，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户等。

3 光伏发电系统在建筑供配电中应用

光伏发电系统与建筑物内的配电系统结合应用的方式型式较多现举其中最常见的型式说明如下。

（1）自发自用余电上网。光伏发电系统产生的电能经逆变器转换成交流电源后接入光伏并网箱（箱内设光伏发电计量表），然后接入建筑物内的总配电箱内，供建筑物内部的用电设备使用，如有多余的电量则通过配电箱的总进线输送至附近的电网系统，卖给电网公司。在总配电箱与电网系统连接处设置双向电度计量表。

（2）电量全额上网。光伏发电系统产生的电能经逆变器转换成交流电源后接入光伏并网箱（箱内设光伏发电计量表），然后接入建筑物与外部公共电网的连接点处。所发电量全部卖给电网公司。

4 某工程实例设计方案

4.1 设计方案

在某工程建筑物的屋顶面积为 1 200 m2，实际可利用面积约为 1 000 m2，为了响应国家低碳减排的能源政策，建设一套自发自用余电上网的光伏发电系统，组件采用的 540 Wp单晶硅组件，共计 260 块，安装容量约 140.6 kW。

光伏组件采用配重块＋支架型式安装，组件倾角 10°，组件每 18～20 块为一串，接入一台 110 kW 组串式逆变器，逆变器再接入并网柜内，然后通过并网柜接入原有低压配电柜。本光伏电站接入系统方案，按照就近接入，就地平衡消纳的原则进行设计，光伏电站拟以 400 V 电压等级出线接入电网。

4.2 400 V 并网主要电气设备

4.2.1 光伏组件

单面单晶硅 540 Wp 光伏组件

峰值功率： 540 Wp

峰值电压： 41.65 V

峰值电流： 12.97 A

开路电压： 49.5 V

短路电流： 13.85 A

组件效率： 21.1%

4.2.2 组串式逆变器

MPPT电压范围：250-1 000 V

输入组串路数：20

MPPT数量：4

额定输出功率：110 kW

最大有功功率： 121 kW

额定输出电压：400 V

最大输出电流：174.7 A

最大效率：98.60%～99.01%

中国效率：98.30%～98.52%

4.2.3 400 V 并网开关柜

根据电网相关要求，配置 3＋N 断路器，配置隔离开关、浪涌保护器、计量表。出线断路器具有易操作、明显开断指示、开断故障电流能力的功能。同时具备失压跳闸、过压跳闸及检有压合闸功能，失压跳闸定值宜整定为 20% Un、10 s，过压跳闸定值宜整定为 135% Un，检有压定值宜整定为大于85% Un。出线断路器应符合Q/GDW1972—2013 《分布式光伏并网专用低压断路器技术规范》、Q/GDW1973—2013《分布式光伏并网专用低压断路器检测规范》的要求。电能量计量表精度要求不低于有功 0.5 S 级，无功 2.0 级，并且要求有关电流互感器的精度不低于 0.5 S 级。

4.3 防雷、接地及过电压保护设计

4.3.1 光伏阵列部分

对于屋顶光伏电站来说，光伏阵列的最高点是组件的铝合金边框，更容易遭受雷击，但它也是良好的导电体。因此可以直接利用铝合金边框作为接闪器与光伏支架连接，组成等电位网，进而与屋顶原有的防雷接地网焊接，形成环形避雷网。具体的设计步骤如下：

4.3.2 组件与横梁连接

将每块光伏组件的接地孔通过 1 根 1 mm×4 mm 的黄绿接地线与支架横梁单独连接。

4.3.3 横梁之间焊接光伏支架横梁纵向间采用 -40 mm×4 mm 镀锌扁钢焊接起来，焊接部位应进行防锈处理，每两根扁钢间距≤25 m。

4.3.4 等电位网与防雷接地网连接

为了将雷电顺利引向大地，还需要将屋顶等电位网与建筑物的防雷接地网连接，利用建筑物原有的接地线引导雷电流。根据 GB50797—2012《光伏发电站设计规范》规定，“光伏方阵接地应连续、可靠，接地电阻应＜4 Ω。”据此，光伏电站建设时，应实测建筑物的防雷接地电阻，若防雷接地电阻＜4 Ω，则用 -40 mm×4 mm 镀锌扁钢将屋顶等电位网焊接至防雷接地网，组成环形避雷网。

若建筑物接地电阻＞4 Ω，则应组建独立的防雷接地网，满足接地电阻＜4 Ω 的要求。

沿建筑物墙体敷设引下线，引下线两端分别连接屋顶等电位网和人工环形接地体，接地体由多个接地极通过 φ 10圆钢焊接组成，以避免跨步电压的产生，接地极由水平接地装置与垂直接地装置焊接而成。

在材料选择和工程施工时需要注意以下技术要求。

（1）引下线技术要求。①引下线宜采用圆钢或扁钢，优先选用圆钢，圆钢直径 ≥8 mm；扁钢截面积≥48 mm2，厚度 ≥4 mm，采用热镀锌防腐措施。②建筑物周长＞25 m 或高度 ≥40 m 时，宜沿着建筑物均匀布置多根引下线，且其间距 ≤25 m。③采用多根引下线时，为了便于检测接地电阻和检查引下线的连接情况，宜在各引下线距地面高 0.3～1.8 m 处设断接卡。④防直击雷的专设引下线距建筑物出入口或者人行道边沿不宜＜3 m。

（2）接地装置技术要求。①埋于土壤中的垂直接地装置宜采用热镀锌，角钢、钢管或圆钢；水平接地装置宜采用热镀锌扁钢或圆钢。角钢截面积≥290 mm2，厚度≥4 mm；圆钢直径≥10 mm；扁钢截面积≥100 mm2，厚度 ≥4 mm；钢管壁厚≥3.5 mm。②垂直接地装置的长度宜为 2.5 m，垂直接地装置及水平接地装置的间距宜为5 m，当受地方限制时可适当减小。③接地装置在土壤中 的埋设深度 ≥0.5 m，并宜敷设在冻土层以下，其距墙或建筑物基础 ≥1 m。

（3）光伏发电系统过电压保护。为防止光伏线路上侵入波雷电压，在组串式逆变器及并网柜内逐级装设避雷器。10 kV 及以下电气设备以避雷器标称放电电流 5 kV 时雷电过电压残压为基础进行绝缘配合，满足 GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规范要求。

在供电设计中考虑了多级防雷保护措施，太阳能电池板支架体和铠装电缆中的金属护铠各自接地。

4.4 电缆设施

4.4.1 电缆敷设及构筑物

根据建筑物内配电室位置，直流线缆至逆变器的路由，为了减少土建部分施工，线缆通过屋面桥架进行敷设并汇总至配电室内并网柜，最终接入建筑物现有的低压配电柜。

4.4.2 电缆选型

根据 GB 50217－2018《电力工程电缆设计规范》及《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》对电缆选型的要求，工程对光伏发电站内光伏发电我域电缆均采用 A 类阻燃电缆，对特别重要的回路，如消防系统、站用直流系统、事故照明系统采用耐火电缆。

对 1 kV 及以下动力、控制电缆采用交联聚乙烯绝缘电缆或光伏专用电缆。计算机网络电缆采用网络五类线。

4.4.3 电缆防火措施

本工程电缆防火主要采用以下措施：

采用阻燃和耐火电缆；在电缆穿墙的孔洞处采用阻火包或有机防护堵料，并在洞两侧的电缆表层涂防火涂料；

采用架空桥架敷设方式时，当电缆通过高温、易燃场所时采用带盖板的耐火槽盒；

电缆沟、建筑物中电缆引至电气柜、盘或控制屏、台的开孔部位，电缆贯穿墙、楼板的孔洞处，均应采取防火封堵处理。

4.5 电气二次保护

线路保护主要利用并网点的断路器来实现基本的保护。断路器需具备短路瞬时、长延时保护功能和和欠压脱扣、自复式过欠压保护器，线路发生短路故障时，线路保护能快速动作，瞬时跳开断路器，满足全线故障时快速可靠切除故障的要求。

本工程模式为自发自用余量上网，通过电能量采集终端将并网点发电量上传至电网管理部门以及用户的控制中心。智能监控系统可通过逆变器配置的 4G 通讯棒无线传输光伏电站内的各类信息，用户可通过手机下载逆变器厂家提供的APP 实现对光伏电站的实时监控。

4.6 光伏发电量估算

根据 SolarGIS 数据和 Meteonorm 数据分析，本光伏电站站址处，10°倾角上总辐射量年平均值为 1 575 kwh/m2。

根据气象行业标准GB/T 37526—2019《太阳能资源评估方法》以及 GB/T31155—2014《太阳能资源等级总辐射》给出的划分方法，可判定本工程处太阳能资源很丰富的（B）我域，有很高的开发利用价值。光伏电站总体效率暂按 82% 考虑，据此统计电站 25 a 的发电量收益如表1 所示。

表1 电站 25 a 的发电量收益

由表一可知：25 a 总发电量为 402.14 万 KWh，节约电费累计收益 38.79 万元，电费收益 301.61 万元，项目发电量2 860.20 kWh·MW﹣1。25 a 年均发电量为 16.09 万 KWh，电费收益 12.06 万元，项目发电量 114.08 kWh·MW﹣1。

4.7 光伏投资回收年限计算

本光伏电站所在建筑物用电属于商业用电，采用峰、谷、平电价模式，白天为用电高峰期，用电量较大。根据前期核算光伏发电建成后自用电比列可达 80%，上网电量比列约为 20%。电费折算总体综合电价为 0.69 元/kWh。

根据工程竣工决算，本电站单瓦静态投资约为 3.45元，整个工程造价约为 48.51 万元，根据发电量计算表可以看出，本电站建成后的第 4 a 的光伏发电所得的电费累计收益为 51.61 万元，由此可见本光伏电站投资回收年限很短，具有很高的投资回报率。

通过本实例工程可见，利用建筑物屋顶建设光伏电站，并结合建筑物现有的配电系统的使用，不仅能实现节能减排，还能实现很高的经济效益，值得进一步深入研究并大力推广。

5 结 语

我国人口众多，建筑体量大，随着节能减排、绿色建筑概念的深入，以及公众对节能减排的需求，国家及地方对安装光伏鼓励政策逐步出台，利用建筑物屋顶资源建设光伏电站会得到进一步的推广应用。

随着新技术、新材料、新工艺的不断涌现，光伏发电系统的建设成本会逐年降低，投资回报率会进一步提高。

光伏发电系统与建筑物内供配电中系统的结合应用也会因其投资少、回报率高、占地少、对电网也能起到“削峰填谷”的补充作用，使得光伏发电与建筑配电相结合的应用具有巨大的应用空间。