工業類型建筑分布式光伏發電系統設計及消納分析

摘要： 通過PVsyst軟件分析了本項目各單體屋面光伏組件的分布情況，根據系統裝機容量確定系統逆變器配置及驗算容配比，對系統并網方案做了技術及經濟性比選，得出低壓并網方案更具優勢。對比分析園區工作日、休息日各時段耗電量，橫向分析全年總發電量及自發自用電量等數據，整體消納占比高達80%以上，經濟效益可觀且對節能減碳具有積極意義。關鍵詞： 分布式光伏發電; 系統設計; 發電量計算; 消納分析

中圖分類號： TU852文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）08-0011-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.08.003

0引言

能源短缺、環境污染和氣候短缺已成為困擾世界各國的難題，太陽能因蘊藏量大、清潔環保、分布廣泛等諸多優點被人類寄予厚望，我國制定和發布了《中華人民共和國可再生能源法》等一系列政策法規，高度重視太陽能光伏發電應用的發展。本文以某工業園區為例，采用廠房屋頂建設光伏發電系統，光伏系統所發電力供園區內負荷使用，多余電力并入公共電網，系統采用“自發自用，余電上網”的方式。分析10 kV高壓并網與0.4 kV低壓并網的差異，通過對園區用電特性、工作模式分析，嚴格計算光伏發電系統的消納情況，驗證項目可行性及經濟性。

1項目概況及用電特性

園區位于江西省贛州市章貢區，項目總用地面積171 992.00 m2，總建筑面積152 029.20 m2，最高建筑高度為31.90 m，最高建筑層數為7層。建筑功能主要為單高層廠房、單層倉庫、多層研發廠房、多層宿舍，以及多層食堂等。地上共13棟建筑以及門衛、垃圾收集點等配套，其中4棟生產廠房，2#廠房為單層戊類廠房，1#、3#廠房為單層丁類廠房，9#廠房為高層戊類廠房，4#廠房為多層研發戊類廠房，5#食堂為2層配套公建，6#～8#宿舍為多層配套宿舍，10#～13#為單層倉庫，其中10#倉庫為丙二類，11#、12#為甲二類倉庫，13#為戊類倉庫。

本項目為分期（共三期）開發項目，一、二期裝機總容量為5 350 kVA，因工藝設備供電可靠性要求較高，擬向當地供電局申請兩路獨立10 kV高壓專線供電，接入位于2#廠房首層的開閉所，由開閉所引至各變配電房高壓柜。1#變配電房設于1#廠房首層，內設1臺1 250 kVA變壓器供1#廠房用電;2#變配電房設于2#廠房首層，內設1臺1 600 kVA變壓器，供2#廠房及倉庫用電;3#變配電房設于3#廠房首層，內設1臺1 250 kVA變壓器，供3#廠房及倉庫用電;4#變配電房設于6#宿舍首層附近，內設1臺1 250 kVA變壓器，供宿舍、研發廠房、食堂等用電。

本項目1#～3#廠房生產用途分別為鈑金加工、噴涂、精工鋼構。根據生產部門提供工藝設備用電功率，鋁板生產車間設備總功率為1 375 kW，噴涂車間設備總功率為1 050 kW，鋼結構生產車間設備總功率為1 085 kW，污水和廢氣處理系統總功率為776 kW，鋁型材加工設備總功率為147 kW，同時配置其他照明、空調、消防設備等。工業園區工作日工作時間段為8∶00～17∶00、18∶00～3∶00，工作日休息時間段為0∶00～8∶00、12∶00～13∶00、17∶00～18∶00、23∶00～24∶00，節假日全天休息。

2裝機規模及發電量

本項目在1#廠房、2#廠房屋面鋪設光伏組件，屋面結構形式為彩鋼瓦屋面，為不破壞建筑原有的防水及結構，采用彩鋼瓦專用鋁合金夾具通過不銹鋼螺栓鎖緊的形式，使夾具與彩鋼瓦的瓦楞固定在一起，然后在夾具的上部安裝鋁合金導軌，光伏組件通過不銹鋼螺栓與鋁合金導軌固定在一起。光伏組件分布情況如表1所示。

項目點地理位置東經114°55′，北緯25°52′。查Meteonorm數據庫獲取江西省贛州市章貢區年總輻照度為1 270.50 kWh/m2，根據GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》劃定的等級，可知項目所在地屬于太陽能資源豐富地區，適合開發太陽能的利用，日照輻射量滿足［1］。

本項目共采用560 Wp 單晶硅光伏組件5 544塊，總裝機容量為3 104.64 kWp。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》第6.6.2條，光伏發電站發電量可按下式計算：

E_p=H_A×P_AZ／E_S×K

式中： E_P——光伏發電站發電量;

H_A——水平面太陽能總輻射量;

E_S——標準條件下的輻照度（常數=1 kWh/m²）;

P_AZ——光伏電站的安裝容量;

K——綜合效率系數。

綜合效率系數K包括：光伏組件類型修正系數、光伏方陣的傾角、方位角修正系數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數、光伏組件轉換效率修正系數［2］。

利用PVsyst軟件對本項目建設情況進行模擬，結果顯示系統效率約為85.6%，故理論發電量EP為337.64萬kWh。按GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》第5.2.9條，系統中多晶硅、單晶硅、薄膜電池組件自系統運行之日起，一年內的衰減率應分別低于2.5%、3%、5%，之后每年衰減應低于0.7%［3］，該項目首年衰減率為2%，之后每年衰減0.55%，經計算首年發電量330.89萬kWh，25 a累計發電量7 748.66萬kWh，25 a平均發電量309.95萬kWh。

3系統并網設計方案

本項目光伏組件裝機容量3 104.64 kWp，系統配置28臺100 kW逆變器，容配比R=3 104.64（kWp）/2 800（kW）=1.11。原變配電系統供電總容量為5 350 kVA，光伏發電系統可選10 kV或0.4 kV并網。

按照南方電網的要求，光伏并網點裝機容量不宜超過上級變壓器容量的25%;國家電網要求，光伏并網點裝機容量按照不超過對應受電總負荷80%的原則設置。分布式光伏并網應以簡化接入技術要求、節省項目總投資，提高經濟性為原則［4］。本項目高低壓接入條件均具備，就兩種并網方式進行探討。

3.1系統10 kV并網設計方案

太陽電池方陣將太陽能轉化為直流電能，通過并網逆變器采用最大功率跟蹤（MPPT）技術最大限度將直流電（DC）轉變成交流電（AC），輸出符合電網要求的交流電能，再經過交流升壓變壓器將0.4 kV升壓至10 kV、通過并網柜與電網連接。系統共設2個高壓并網點，通過2個2臺2 000 kVA升壓變壓器接入公共電網。主要設備包括光伏組件陣列、并網逆變器、交流匯流箱、升壓變壓器、高壓并網柜、交直流電纜等。10 kV并網方案拓撲圖如圖1所示。

3.2系統0.4 kV并網設計方案

太陽能光伏發電系統通過光伏組件轉化為直流電能，再通過并網型逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的符合國家電能質量要求的正弦波電流并入電網。光伏發電系統的接入考慮系統工程的安全性和經濟性，根據工程光伏發電系統裝機容量和周邊電網實際接線情況，本項目可采用低壓0.4 kV并網方案，光伏系統分別接入廠區內1#、2#、3#變壓器的0.4 kV低壓母線共3個并網點，實現最大程度的光伏發電自發自用，余電上網，實現發電就地消納，經濟效益最佳。主要設備包括光伏組件陣列、并網逆變器、交流匯流箱、低壓并網柜、交直流電纜等。0.4 kV并網方案拓撲圖如圖2所示。

3.3兩種并網方案比選

本文對高低壓兩種并網方案進行分析對比。高低壓并網方案對比如表2所示。

對比兩種并網方案，10 kV高壓并網較0.4 kV低壓并網工程復雜，需要在變電所內增加設置匯流設備室、變壓器室等機房，存在較大的實施難度。由于10 kV高壓并網為升壓后并入10 kV公共母線再經變壓器轉化為用電設備所需的電能，高壓并網存在升壓變壓器，消耗的無功占比較低壓并網大，此過程存在較多的損耗，不利于光伏發電系統的就地消納。經測算，10 kV高壓并網較0.4 kV低壓并網成本增加18%，按照“就近接入、就地消納”原則，本項目最終采用0.4 kV低壓并網方案。

4消納分析

基于園區工作日、休息日各時段耗電量，查Meteonorm數據庫獲取江西省贛州市章貢區每月月輻照度，1月份月輻照度最低為57.10 kWh/m2，7月份月輻照度最高為171.10 kWh/m2，累計年總輻照度為1 270.50 kWh/mm2，模擬光伏出力情況，園區日負荷曲線，分析就地消納情況。其中以1月、7月為例，分析工作日及休息日的消納情況。1月工作日平均消納情況如圖3所示。7月工作日平均消納情況如圖4所示。1月休息日平均消納情況如圖5所示。7月休息日平均消納情況如圖6所示。

同理，由月輻照度，光伏出力情況，園區日負荷曲線模擬1—12月其余月份光伏發電及消納情況。光伏系統月發電量及就地消納統計如表3所示。

光伏系統節能減排效益如表4所示。

該光伏系統年總發電量達330.89萬kWh，其中自發自用電量285.94萬kWh，剩余44.95萬kWh上網，消納比例達86.42%，具有較高的經濟性。

本項目不僅經濟效益可觀，在節省燃煤、減少CO2、SO2、NOx、煙塵、灰渣等污染物排放效果上，也起到積極的示范作用。按照發電耗煤平均326 g標煤/kWh，可計算1—25 a節能減排效益。

5結語

分布式光伏發電對優化能源結構、推動節能減排、實現經濟可持續發展具有重要意義，本項目在實現經濟效益的同時，對江西乃至贛州地區的環境保護和節能減排做出重要貢獻，在能源利用上升級，打造成綠色生態工廠，并起到很好的標桿示范作用。

綜上所述，本項目具有良好的經濟收益，有助于企業完成節能降耗指標，每年能給企業帶來穩定的經濟收益，具有較高可行性。本項目建設于太陽能資源較豐富的贛州市，具備良好的前期基礎條件和技術支撐，符合國家節能減排發展新能源的政策，有利于保護贛州優良的生態環境，調整能源消費結構，對新能源產業發展和完成“十三五”節能減排目標任務具有積極的意義。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.光伏發電站設計規范：GB 50797—2012［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.光伏發電接入配電網設計規范：GB/T 50865—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［3］國家能源局.光伏發電系統效能規范：NB/T 10394—2020［S］.北京：中國水利水電出版社，2020.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑節能與可再生能源利用通用規范：GB 55015—2021［S］.北京：中國建筑出版傳媒有限公司，2021.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家市場監督管理總局.建筑光伏系統應用技術標準：GB/T 51368—2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019.

［6］中國氣象局.太陽能資源評估方法：GB/T 37526—2019［S］.北京：中國標準出版社，2019.

收稿日期： 20240313

Design and Consumption Analysis of Distributed Photovoltaic

Power Generation System for Industrial Buildings

GUAN Baofeng

（Shenzhen Yizhou Architects amp; Engineers Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： Through PVsyst software，the distribution of photovoltaic modules on the single roof of this project is analyzed，and the inverter configuration and checking capacity ratio of the system are determined according to the installed capacity of the system.The grid-connected scheme of the system is technically and economically necessary，and it is concluded that the low-voltage grid-connected scheme has more advantages.Comparative analysis of the park’s power consumption in working days and rest days，horizontal analysis of the annual total power generation and spontaneous self-use electricity consumption and other data，the overall consumption accounted for more than 80%，with considerable economic benefits and significance for energy saving and carbon reduction.

Key words： distributed photovoltaic power generation; system design; calculation of power generation; consumption analysis