屋頂光伏發電系統儲能并網的設計

徐浩然，李 潔

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古自治區 包頭 014010）

目前，在新型再生能源中較為重要的是太陽能，具有無污染、資源普遍性和永不衰竭等優勢，它可以充分滿足人類對大自然環保與可持續發展的需求，是重要的綠色能源之一。太陽能光伏發電主要有兩種工作模式：分別是離網和并網。過去，在偏遠地區大多處于無電狀態，一般采用離網發電，但近年來，受國家政策影響，其中光伏發電系統和新能源發電系統的行業和市場變化很大，開始漸漸向偏遠農村和城市發展，開啟并網發電，因此帶儲能的并網型發電是值得研究的課題。太陽能光伏發電系統的特點是間歇性與隨機性，可以在系統中配備儲能設備，通過運用儲能設備的快速調節能力，可以使電能質量得到提高與改善，同時還可以使系統的可靠性與穩定性得到增強，因此文章對一個屋頂光伏發電儲能的并網控制系統進行了設計。

1 設備與安裝的選擇

1.1 光伏電池

經計算，屋頂占用面積約為10 950 m2，文章所選用的單晶硅為300 Wp的光伏板，參數如表1：

表1 單晶硅300Wp光伏板參數

1.2 逆變器的選擇

組串式逆變器的性能特點為多路MPPT，運維中的損耗會比集中式逆變器低，運維成本會低于集中式逆變器，發電量在比集中式逆變器略高約2%。因此將選用的組串式逆變器是70 kW。逆變器技術參數如表2。

表2 70 kW組串式逆變器參數

所選逆變器要求具有110%的長期過載能力。此外，逆變器必須要實現自動調節功能，并且逆變器低電壓穿越必須要達到零電壓穿越。

1.3 光伏陣列設計

根據屋頂面積為10 950 m2，屋頂安裝傾斜角為16°，光伏陣列凈間距為1.331 m。共計安裝1 320塊光伏組件。

組串的計算依據電池組件在串聯過后，最佳工作狀態時候的電壓(Ump)應該處于MPPT的范圍之中，且Ump應該大于逆變器的輸入電壓的最小值，可以得到：

串聯數最小值：

依據組件在串聯過后的應該小于逆變器的輸入電壓的最大值，可以得到串聯數的最大值：

根據本次設計所選擇設備的參數，使用的為300 Wp的多晶硅電池，并且逆變器的MPPT的范圍是200-1000 V，即可以得到：

串聯數最小值：

串聯數最大值：

所選的逆變器為70 kW，由于太陽能電池方陣發出的全部功率數不允許超過逆變器的功率，計算可得并聯數為5。

經計算N不大于22。所以可以選擇22塊為一個光伏串

在選擇光伏組件、并網逆變器特性和屋面布局的基礎上，采用22個300 Wp組件串接為一條支線，每條支路容量為6.6 kW；由每3條支路形成一個組合，匯流到一個防雷直流匯流箱，由每4個匯流箱形成一個組合，接入到1臺70 kW逆變器，即每臺逆變器接入光伏組件個數242個，容量72.6 kW。

屋頂含有1 320塊太陽能板，經計算得本屋頂光伏總裝機容量為396 kWp，需要70 kW逆變器5臺，輸出到交流母線上，供給負荷、儲能原件和通過逆變器輸出到電網。圖1為光伏陣列排布圖。

2 并網

2.1 并網方式

光伏陣列、逆變器與輸配電系統共同組成了光伏并網系統，按照本次屋頂光伏的布局容量獲悉，設計須要光伏組件所串聯的方陣數量，同時接入匯流箱，而且將配電柜、70 kW的逆變器接入到配電系統，從而實現300 kW的并網發電。

2.2 部分電氣設備的選擇

2.2.1 匯流箱的選擇

從字面含義上面理解，匯流箱的作用就是匯聚電流，總的來說，將所選的光伏板根據計算的數量和規格串聯起來，進而形成各組的光伏串列，然后再將所選的多個光伏串列并聯起來，接入到光伏匯流箱中。它可以確保在光伏發電系統維修、檢測過程中方便地斷開線路，以及減少光電系統失效后受影響的地方。

本次設計選用的是組串式匯流箱，它能夠減少逆變器連接線路的后端動力電纜，加強系統的穩定性，同時也能提高電能質量，易于維護系統，本次設計選擇了民電的三進一出直流匯流箱。

2.2.2 蓄電池的選擇

蓄電池總體來說，大抵分為鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池等。本次設計選用鋰離子電池。

鋰離子電池的基本組成結構，大致由正極、負極、電解液和薄膜材料等，其中也包括了部分的輔助器具，如正負極材料導線，鋰離子電池保安閥門，調整溫度用的PTC(正溫度控制接頭)，以及鋰離子電池外殼等。而鋰離子電池的品種也十分多，其基本過程原理也都大同小異。當鋰離子電池全部裝滿后，這樣，就可以使鋰離子與正極分離 ，由離子溶液通過隔離層與電解液調整溫度，然后再注入到鋰離子電池的負極材料中，放電進程則為相反過程。對于電池的隔絕層，電池的電解質膜因為PP/PE/PP構成的三層圓柱電池具有熔融溫度較低，并且材料須具備較高的抗擊穿的特性，它在其中起到了電池熱保險的作用，而在鋰離子電池中，通常使用PE、PP等高分子聚烯微多孔膜等復合膜。電池罩的硬件部件必須具有正常的抗爆炸性和快速切斷電源的能力，而電池的外殼通常是由鋼材和鋁合金制成。

文章用經典的液態鋰離子電池舉例說明，說明了鋰電池的充放電機理，當電池以多層石墨作為陰極材料時，以LiCoO2為正極材質時，當電池充電時，Li+從LiCoO2發生分離，同時釋放一個電子，使C3+被氧化，形成為C4+，Li+穿過隔離膜和電解質，然后把各種元素轉移到石墨上，使其嵌入到負電極材料的多層石墨中，在石墨的表面上生成一個電子，形成LixC6。與此相對的是，蓄電池的放電，脫離石墨，經過電解質溶液和隔膜后，最后鑲嵌到正極材料LiCoO2。

3 經濟效益

3.1 屋頂光伏站的優勢

目前國家鼎力開展新能源發電，國內的光伏發電產業正在逐漸成熟完善，受到光伏組件和逆變器的價格下調，屋頂式光伏發電的安裝成本也因此而降低。

屋頂光伏具備很大的發展前景，同時可以很好地順應光伏行業的發展趨勢，做到對電能的自己產，自己用，自己上網，有效地使電能在傳輸過程中，產生的損耗得到降低，使用電的研發成本得到節約，并且還可以從中獲取收益。

3.2 光伏發電量收益

本設計在屋頂安裝光伏容量396 kWp，經測量占用屋頂的總面積約10 950 m2，尺寸1650×992×35 mm，地址選為包頭市。

通過下面的公式可計算系統發電量：

式中，L是屋頂光伏年發電量，Q是光伏板傾斜面的年總體輻射量，W是屋頂光伏裝機容量，η是屋頂光伏系統總效率，H是峰值小時數，因而，經計算得出首年發電量：

由于現階段的光伏系統技術不完善，一般為10年利用率約為90%，25年利用率約為80%，故經計算得，25年的平均年發電量大約為53.91萬kWh。

經查詢得知內蒙古自治區的最新光伏上網電價上調至0.2829元/kWh，而如果將屋頂光伏每年發出的電量全部用來接入電網，則平均每年獲利大致為15.25萬元。

4 結束語

文章簡略介紹了光伏板、逆變器的選擇，儲能電池的充放電原理及選擇鋰離子電池，同時計算了發電量及產生的經濟收益。當然，文章還有些許細節沒做到位，有所欠缺，例如，怎樣能更好地提高太陽能電池的能量轉化利用率，怎樣能夠使儲能效率最大化，如何能使所用的成本最低，怎樣做到最經濟、實惠等等，在今后的學習中，這些都是需要完善和改進的方向。