論佛山寶捷光伏電站布局及接入系統規范化

包黨泉

（廣東四維電力工程有限公司，廣東 江門 529300）

1 項目背景簡述

佛山市寶捷精密機械有限公司3.5 MW屋頂分布式光伏發電項目位于廣東省佛山市三水區創新西路寶捷精密機械有限公司屋頂，地理位置：東經112.998°，北緯23.239°，運行環境年平均氣溫21.9℃，年降水量1682.8mm，年平均日照1 721.7 h，項目安裝光伏組件最大標稱容量為3 306.6 kWp，采用275 Wp多晶硅電池組件（1 650 mm×991 mm×35 mm）12 024塊，安裝于廠區的廠房彩鋼瓦屋面上，彩鋼瓦屋面光伏組件沿屋面平鋪。10 kV光伏并網系統由太陽能光伏組件、逆變器（共配置41臺70 kW并網逆變器及2臺50 kW并網逆變器）、匯流箱（10臺）、升壓變壓器（2臺1 250 kVA及1臺800 kVA）、10 kV并網柜、監控系統等主要設備組成。光伏系統電氣結構示意圖如圖1所示。

2 光伏電站布局

佛山市寶捷精密機械有限公司屋頂一共被分成5個車間區域，光伏系統采取自發自用、余電上網模式，在用戶側并網，用戶側優先使用光伏系統電能，光伏系統多余電量輸送到公共電網。在原有并網點，10 kV冶創金屬配電站將原有一套10 kV單向關口計量表改為雙向計量表，用以計量上網電量；在新建戶外箱式高壓室內新增一套10 kV雙向計量表，用以計量光伏發電電量；由供電部門安裝計量裝置。在5個車間屋頂的一次設備的布局設計中，主要考慮光伏陣列的傾角和間距問題，優化光伏陣列的排布，在有限的空間內獲得年最優輻照量即目標函數為最大的平均發電率，再根據陣列的排布優化設計合理的直流匯流箱和逆變器排布，節省電纜用量并降低工程造價[1]。

針對佛山寶捷屋頂分布式光伏發電效率的問題，根據光伏陣列的空間位置，對屋頂分布式光伏多晶硅電池組件位置、朝向、傾角進行優化設計，提高屋頂分布式光伏組串所接受的年輻照度，增加屋頂分布式光伏電站年發電量。如圖2所示，假設屋頂所有的多晶硅電池組件具有同一物理屬性，其多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm保持不變，且組件與屋頂平行水平放置。

顯然，多晶硅電池組件的傾角γ和朝向角θ決定了其單位法向量所在的位置，其數學表達式為：

太陽光照射在光伏發電板的方向角vs由其所在的太陽方位角α和太陽高度角β決定，其數學表達式為：

太陽方位角α和太陽高度角β可以由太陽赤緯角φ和時間角δ計算得出，其數學表達式為：

式中：μ為佛山寶捷光伏電站所在的緯度。

故不考慮光伏發電板互相遮擋時，假定單塊光伏組件在2022年第N天（N的最大值為365）的t時刻的輻照度為EN.t，則其數學表達式為：

式中：GN.t為第N天的t時刻太陽光照強度；S為單塊光伏組件受光照的面積；η為方向角vs與多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm的夾角。

但在實際的工程項目中，不得不考慮光伏發電板的間距帶來遮擋問題的影響，假如光伏發電板的間距較大，使得前后光伏發電板互不遮擋，即太陽光過前排光伏陣列的頂點時投射在后排光伏陣列的最低點邊緣，此時雖然單塊的輻照度具備最大值，但在屋頂有限的面積內光伏發電板前后的間距過大會導致屋頂排布的光伏發電板數量減少，其年平均發電量并不一定具有極大值；而前后間距過窄則會導致遮擋的部分陰影面積過大，單塊光伏組件發電效率低。因此要進一步考慮前后光伏發電板的遮擋問題，如圖3所示，第i塊光伏發電板下邊緣的中點坐標為p（xi，yi，zi），與第i+1塊光伏發電板遮擋部分的陰影的4個角坐標為：

式中：l、ω分別為光伏發電板的底邊長與等斜高；n為光伏發電板數量。

其陰影部分的面積為S′，其數學表達式為：

所以第i塊光伏組件實際的輻照度為：

本文暫不考慮環境因素、并網條件、逆變器最大功率追蹤算法、線路載流量等因素帶來的影響，優化目標為寶捷光伏發電項目全年最大平均發電率，以此為目標函數，其數學表達式為：

對上述表達式采用粒子群搜索收斂法進行迭代求解，可以得出最優的傾角和朝向組合，朝向為南偏東65°，傾角為32°，間距的平均值為（4±0.6）m。

3 接入系統規范設計

光伏電站自動化監控系統采用分層分布式結構，系統分為站控層和間隔層，監控網絡設對時網，站控層采用單以太網，連接主機/操作員站、遠動工作站等。在站控層設置遠動工作站，并配置調度數據網接入設備；間隔層采用單以太網，按間隔配置，實現就地監控功能，連接本間隔單元的智能I/O設備等[2]。

3.1 調度自動化系統設計

光伏電站從計算機網絡上直接獲得站內全部運行數據，包括但不限于并網設備狀態、并網點電壓、電流、有功功率、無功功率、發電量、事故總信號等。與調度端的主站進行通信，將其所需的各個遙測、遙信和電能信息傳給調度端，同時也可接收調度端發來的各種信息，并具有通道監視功能。尤其是并網點開關，具備三遙功能，并將所測結果移交至當地供電公司調度控制中心。

3.2 繼電保護裝置設計

光伏電站在10 kV線路保護方面，配置10 kV微機型保護測控一體化裝置一套，具有時限電流速斷、過流、零序保護功能；另外，10 kV并網柜設低頻、低壓解列裝置一套，具有低頻、低壓解列功能，低頻≤49.5 Hz動作，動作時間0.3 s，低壓解列≤0.8Ue動作，動作出口時間1.8 s。

在10 kV箱式變壓器保護方面，配置10 kV箱變高壓柜，采用微機保護測控一體化裝置，保護具有帶方向的電流速斷、過流及零序保護，同時需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能；10 kV箱變低壓柜采用微機保護測控一體化裝置，保護具有帶方向的電流速斷、過流、零序保護及非電量保護，同時需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能。

在逆變器保護配置方面，逆變器是并網光伏發電系統的重要電力電子設備，由其自控裝置實時調整逆變器的輸出，保證并網光伏發電系統與公共電網的同步運行。逆變器具備極性反接保護、短路保護、孤島效應保護、過熱保護、過載保護、接地保護、低頻低壓保護等功能，一旦發生并網電網交流電壓或頻率異常，逆變器的自控裝置將按整定時間動作，將光伏發電系統與電網斷開，自控裝置將關閉（停）逆變器，主動防止孤島效應，能夠保障設備和人身安全，防止事故范圍擴大。

3.3 電能質量監測系統設計

光伏電站配置電能質量在線監測裝置一臺，在線監測可實現對供用電雙方電能質量的連續監督，能反映各種電能質量指標特征及其隨時間變化的規律，精確描述實際的電能質量問題，從而提供對電能質量進行綜合治理的依據。電能質量在線監測裝置安裝在二次艙的公用屏內。

3.4 計量系統設計

關口點電能表：采用帶雙RS485口的多功能雙向電子式電能表，有功0.5S級，無功2.0級，雙表配置；CT：精度為0.2S級，變比為300/5；PT：精度為0.2級，變比為10/0.1。關口計量點設置在電力設施產權分界點，本項目設在計量柜（即G02柜），包括兩個電能表和一個負荷管理終端，所有電能表均以RS485通信接口接入負荷管理終端。全站計量儀表安裝在相應的10 kV開關柜上，可通過負荷管理終端實現數據采集，接入計量自動化系統。

4 結語

本文以佛山寶捷3.5 MW屋頂分布式光伏發電項目為基礎，探討了屋頂有限面積內多晶硅電池組件在位置、朝向、傾角等因素影響下的空間布局最優組合，所提數學方法在工程實際應用上具有一定的參考意義。接入系統設計方面，從調度自動化、繼電保護、電能質量、計量四個方面提出解決方案，大大地縮短了屋頂分布式光伏電站并網的整體流程，在使光伏并網工作更加規范化的同時，對今后新能源并網工程的有序快速發展能夠起到一定的引導作用。