基于校園屋頂的分布式光伏發電系統設計

吳奕奇,薛劍飛,王佳妮

(1.常州工程職業技術學院,江蘇 常州 213164;2.常州科教城現代工業中心,江蘇 常州 213100)

0 引 言

分布式光伏發電主要利用建筑物屋頂和農業設施屋頂以及家庭住宅屋頂等場地,倡導就近發電、就近并網、就近轉換、就近使用的原則,不僅能夠有效解決電力在升壓及長途運輸中的損耗問題[1],還能夠削減城市昂貴的高峰供電負荷。在目前城市可利用資源中,校園建筑作為教學活動場所,多采用集中式的布局,屋頂存在著大量的空置區域,如果將學校屋頂空置場地建成分布式光伏發電系統,不僅能夠節能創收,減輕電網的供電壓力,還能進一步推動綠色、智慧和面向未來的新校園建設。

1 項目概況

某高校位于常州市,位處北緯31.68°、東經119.94°,校園于2003年開始建設,2006年建設完成并投入使用,占地1 119.86畝,建筑面積36.05萬m2,現有全日制在校生11 000余人,其中可利用屋頂主要以6層以下低層建筑為主,包括教學樓、實訓樓、活動中心、圖書館等建筑物。各建筑物屋頂均為混凝土平面屋頂,已經做好防水層,屋面除了電梯機房和女兒墻外,個別屋面還有實驗室排風機,由于處于職教園區,建筑物附近無高層建筑遮擋物。

實訓樓屋面如圖1所示。

圖1 實訓樓屋面

2 系統類型和并網接入方案設計

2.1 系統類型的設計

該項目可供選擇的光伏發電系統類型有兩種,一種為集中式并網發電方案,是將幾棟樓分為若干個并網發電單元,通過匯流箱和直流柜進行匯流,電能輸送到就近設置的集中式逆變器轉換成380 V交流電,經升壓系統變成10 kV的交流高壓電,再并入學校10 kV母線中;第二種是分布式并網方案,各樓棟單元采用組串式逆變器,分散就近并網,以380 V電壓等級接入學校電網系統。考慮到各樓棟可利用面積、組件容量不同,而且集中并網需要進行配電系統改造,成本較高,而分布式發電系統中逆變器的單機容量小,安裝方便,不需要專門的配電室,也不需要匯流箱和直流配電柜,MPPT數量多,配置靈活,故選擇分布式光伏發電系統方案。

分布式光伏發電系統電氣主接線如圖2所示。

圖2 分布式光伏發電系統電氣主接線

2.2 并網接入方案設計

供電方式是由總配電間利用10 kV環網柜分配給各樓棟電能,然后利用降壓變壓器降為380 V分配至各樓層使用,本著就近分散接入,就地平衡消納的原則,參照國家電網《分布式光伏發電接入系統典型設計》中內容,組串式逆變器可以采用方案標號為XGF380-T-2中380 V單點接入配電室低壓母線接入方式和方案標號為XGF380-Z-Z1中380 V多點接入配電室低壓母線接入方式兩種。考慮到單點接入管理方便,安裝施工簡單,可以進行集中計量等優點,系統各樓棟發電單元集中采用單點接入配電室低壓母線接入方式進行并網接入。并網接入示意圖如圖3所示。

圖3 并網接入示意圖

3 系統容量設計

3.1 光伏組件排布影響因素分析

系統設計的容量在設計時需要考慮組件的傾角、排列方式、組件間距、陰影遮擋等因素。

(1)傾斜角選擇。組件按照最佳傾斜角安裝,可以使全年接收到的輻射量最大,但是由于場地限制,最佳傾角安裝會減少組件數量,減少系統容量,增加電站建設和施工成本。該項目中最佳傾斜角為22°～26°,為了避免傾角固定對屋面的破壞,同時經過測算,最終選擇“最經濟傾角”的設計方案,光伏組件采用平鋪方式。

(2)排列方式選擇。組件的排列方式為橫向排列和縱向排列,橫向排列可以減少近距離陰影遮擋對發電量的影響。該項目采用平鋪方式,可以不用考慮該問題,所以采用縱向排列每列放置兩塊組件的方式,同時為了維護方便,在兩排方陣之間預留80 cm的維修通道。

(3)陰影遮擋分析。組件方陣的陰影主要來自兩個方面,一個是方陣前后陰影遮擋,該項目為平鋪方式,方陣陰影遮擋忽略;另一種陰影遮擋為障礙物的遮擋,項目中障礙物主要為女兒墻、電梯房、排風機等障礙物,因此對障礙物在水平面各方向上所產生的陰影長度進行計算分析,從而保證光伏方陣在9∶00～16∶00不被遮擋。障礙物陰影遮擋示意圖如圖4所示,其中α為太陽高度角,β為太陽方位角,H為障礙物高度。

圖4 障礙物陰影遮擋示意圖

3.2 光伏組件型號選擇

目前,國內光伏市場上以晶硅光伏組件為主流,晶硅組件又分為單晶硅組件和多晶硅組件,兩種組件在性能和價格上比較接近。多晶硅組件在價格上要比單晶組件稍低[2],因此從控制工程造價方面考慮,該項目選用260 Wp的多晶硅光伏組件。光伏組件技術參數如表1所示。

表1 光伏組件技術參數

3.3 光伏組件排布設計及容量確定

光伏組件擬選用260 Wp組件,結合各影響因素分析,確定該項目布置5 120塊光伏組件,光伏方陣裝機容量為1.33 MWp。實訓樓光伏組件平面布置圖如圖5所示,其中陰影部分為各遮擋物陰影覆蓋范圍,為了降低對方陣整體發電量影響,該區域內未布置光伏組件。

圖5 實訓樓光伏組件平面布置圖

4 光伏組件串并聯設計

在并網光伏發電系統中,電池組件的串并聯匹配主要依據所配逆變器的最大直流輸入電壓和逆變器正常工作電壓輸入范圍,即MPPT電壓輸入范圍來確定[3]。要求組件串的最大開路電壓不能超過逆變器的最大直流輸入電壓,組件串的最大工作電壓范圍不能超出逆變器的MPPT電壓的范圍,因此,如果要設計光伏組件串并聯數量,必須先選擇逆變器型號,然后進行串并聯計算。

4.1 光伏逆變器型號選擇

該項目中光伏組件安裝于教學樓屋面,屋面較為分散,且采用分區并網,組串式逆變器能發揮其優勢,故選用組串式逆變器。逆變器技術參數如表2所示。

表2 逆變器技術參數

4.2 光伏組件串并聯計算

光伏組件串的串聯數量N主要是根據國家標準GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中式6.4.2-1和式6.4.2-2進行計算:

(1)

(2)

式中:Kv——光伏組件的開路電壓溫度系數;

t——光伏組件晝間環境極限低溫;

t′——工作狀態下光伏組件電池極限高溫;

Udcmax——逆變器和光伏組件允許的最大系統電壓,取兩者小值(直流);UMPPTmax——逆變器MPPT電壓最大值;

UMPPTmin——逆變器MPPT電壓最小值;

Uoc——光伏組件的開路電壓;

Upm——光伏組件最佳工作電壓。

工程選用260 W型多晶硅組件,其組件開路電壓為37.9 V,工作電壓為30.8 V,電壓溫度系數-0.35%/K,該地區極限最低溫度為-12 ℃,極限最高溫度為40 ℃(根據全國各個城市極端最高溫與極端最低溫匯總數據)。將數據代入式(1)、式(2)得出N≤1 000/37.9/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.36(塊),N≥450/30.8/[1+(40-25)×(-0.35%)]=15.42(塊),N≤820/30.8/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.57(塊)。

綜合考慮該地區低溫以及從節約光伏支架、光伏接線要求出發,確定該工程組串為20塊一串。經驗算,光伏組串在-12 ℃的開路電壓為941.78 V、工作電壓為765.35 V,光伏組串在60 ℃的工作電壓為594.59 V,滿足逆變器輸入電壓的要求。每20個光伏組件1串,組成一個小的發電單元,單個逆變器功率為30 kW,1串功率為5.2 kW,故最終確定單臺逆變器并聯數量為6路,按照6進1方式接入組串式逆變器,交流逆變后接入并網配電柜,最終分區就近以380 V接入電網系統,逆變器共需要配置46臺。

5 輔助設備及系統設計

5.1 光伏陣列安裝設計

光伏支架采用安裝簡單、成本低的固定傾角支架,材質為制造工藝成熟、承載力強的熱鍍鋅鋼材。由于屋面類型為混凝土屋面,屋面已經做好防水,所以選擇混凝土塊配重基礎固定方式,有效地避免或者破壞屋頂防水層等結構。

5.2 并網柜的選擇

并網柜主要用于分布式發電系統與交流電網的并網連接和控制,在接入380 V電壓等級電網時,并網點和公共連接點的斷路器應該具備短路速斷、延時保護功能和分勵脫扣、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能。該項目采用380 V電壓等級并網,且逆變器46臺,所以采用12臺380 V光伏并網柜,每臺電柜4進1出,單臺輸入電流等級為100 A。

5.3 防雷、接地保護設計

為了保證該工程光伏并網發電系統安全可靠,防止因雷擊、電涌等外在因素導致系統器件損壞等發生,系統防雷接地裝置必不可少[4]。

(1)防雷。屋頂防雷主要依靠在屋頂上設置避雷裝置,直流和交流側分別采用組串式逆變器自帶的防雷保護裝置,可有效地避免雷擊和電網電涌導致設備的損壞,同時發電單元外輪廓的鋁合金外框做為防止直擊雷過電壓保護接閃器,其各構件間應可靠連接后,與地下的主接地網相連,組成一個立體的防雷體系。

(2)接地。保護接地、工作接地、過電壓保護接地使用同一個接地網。接地電阻按不大于4 Ω考慮。為保證人身安全,所有電氣設備都裝設接地裝置,并將電氣設備外殼接地。

5.4 電氣二次系統設計

(1)電站監控系統。為了實時監測光伏發電系統的運行狀態和工作參數,以及現場的環境情況,光伏系統就地配置數據采集系統和環境監測儀,就地將數據采集后通過光纜通道送至綜合自動化計算機監控系統,并利用監控系統,通過光纜通信上傳光伏電站各種信息量及接收調度命令。

(2)繼電保護及安全自動裝置。本站保護配置采用兩種方式,一種并網逆變器保護,并網逆變器為制造廠成套供貨設備,設備中包含有欠電壓保護、過電壓保護、低頻保護、孤島保護、短路保護等功能。第二種是并網點斷路器保護,并網點斷路器采用有欠壓保護功能的斷路器,確保電網電壓過低、失電或缺相時能斷開光伏區。

(3)計量系統。光伏電站發電量計量點配置于光伏電站并網柜內,按照《電測量及電能計量裝置設計技術規程》的有關規定,電能計量裝置采用380 V三相四線雙向電能計量表,準確級要求:有功-0.2S級,無功-2級。

6 光伏電站發電上網電量計算與分析

(1)計算公式選擇。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中規定,光伏電站年發電量Ep為

(3)

式中:HA——水平面太陽能總輻照量;

Es——標準條件下的輻照度;

PAZ——組件安裝容量;

K——綜合效率系。

(2)系統效率修正系數的確定。影響電站總效率的關鍵因素主要是系統效率。系統效率主要考慮的因素有逆變器的效率損失,變壓器的效率損失,灰塵及雨雪遮擋損失、光伏組件串并聯不匹配損失、交直流部分線路損失、其他雜項損失。依據太陽能資源及水文氣象條件,電站總效率的修正系數如表3所示,系統效率80.03%。

表3 電站總效率的修正系數

(3)水平面太陽能總輻照量確定。根據光伏仿真設計軟件PVSYST和根據Meteonorm 6.1氣象軟件進行數據仿真,計算得到常州地區水平面年平均日照輻射量1 295.4 kWh/m2,由于組件為屋面平鋪安裝,0°傾斜面年輻射量為1 295.4 kWh/m2,光伏電站區域各月太陽總輻射量如圖6所示。

圖6 光伏電站區域各月太陽總輻射量

(4)發電量計算分析。該項目1.33 MWp初始年發電量約137.88萬kWh,光伏組件光電轉換效率逐年衰減,整個光伏發電系統25年壽命期內平均年有效利用小時數也隨之逐年降低,該項目所采用晶體硅光伏組件首年衰減不超過2.5%,其后每年衰減不超過0.8%,25年內總衰減不超過20%。因此,第N年發電量=初始年發電量×(1-N×組件衰減率)。

該項目20年平均發電量126.25 萬kWh,總發電量2 533.15 萬kWh。每年平均發電量如表4所示。

表4 每年平均發電量

7 結 語

作為分布式發電系統的重要載體,校園屋頂特別是綜合性大學校園屋頂具有很大的開發空間。對校園屋頂進行分布式電站設計時,要以教學使用和學生安全為前提,要詳細分析校園的供電方式、用電特點、建筑物特點、學生安全等情況,在系統類型、并網方式、組件排布固定、設備安裝擺放、安全文明施工等方面進行合理規劃設計。