1 MWp屋顶光伏并网系统设计与分析

李思岑，杜 威，严中亮

（1.华南理工大学，广东 广州 510640；2.长治供电分公司，山西 长治 046011；3.吕梁供电公司，山西 吕梁 033000）

随着煤炭和石油等化石能源的大量消耗，不可再生能源正面临资源枯竭和环境恶化的双重压力。大规模开发和利用可再生能源已经成为未来各国能源战略的重要组成部分。太阳能是最重要的可再生能源之一，由于它具有不需要燃料、不污染环境、运行费用少、维护简单、可持续利用、无噪声等优点，是未来能源开发的重点。在各类型太阳能电站中，以屋顶光伏为载体的分布式光伏发电系统已经成为光伏装机容量增长的一个主要方向，也是我国“十二五”发展规划中明确鼓励发展的可再生能源发电方式。2010年，财政部等四部委联合发布了《关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知》，2012年全国仅金太阳工程就批准1.709 GW的屋顶光伏装机容量。

1 光伏系统总体设计方案

长治某医院光伏发电系统建设于该医院办公楼及住宅楼屋顶，设计容量1 MWp，是经财政部批准立项的金太阳工程示范项目，为山西省首批、长治市首个太阳能示范工程。

1.1 地理条件

光伏电站位于山西省长治市城区，地处北纬31°54'，东经121°9'，地表平均海拔4.96 m，年日照时数1 800 h，年平均日照百分率62%，年平均太阳总辐射量为5 380 MJ/m2，属太阳能资源较丰富的地区。

1.2 建筑条件

项目所选用的建筑为长治某医院住宅楼、医院主辅楼及住院部、车库屋顶，总面积4 972.45 m2，各厂房建筑物均为坐北朝南，且东、西、南侧均无明显的高大近距离障碍物遮挡屋顶的光照，屋面承重符合要求，可在屋顶架设光伏组件。因此，项目充分利用医院各类建筑屋顶空间，采取分块发电、集中并网的方式建设大型太阳能并网光伏电站，所发电能主要满足医院自身负载，余量馈入电网。交流防雷配电柜接入0.4 kV配电网。当电网发生故障或变电站由于检修临时停电时，光伏电站自动跟踪保护及时停机不发电，当电网恢复后，经运行人员确认可恢复并网发电。系统原理见图1。

2 光伏系统结构

光伏发电系统由太阳能电池组件及其支架、方阵防雷接线箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、配电保护系统和系统的通讯监控装置组成[1]。

图1 光伏电站原理图

2.1 太阳能电池组件

选择保定嘉盛光电科技有限公司的YL240P-29b和YL280P-35b两种型号的240 Wp和280 Wp多晶硅组件，光电转换效率为16%～17%。主要参数见表1。

系统共使用935块280 Wp多晶硅标准光伏组件，每17块组件串联成一个阵列。使用了3 080块240 Wp组件，每20块组件串联成一个阵列。

2.2 方阵支架

采用自行开发的便捷型太阳能支架，适用于太阳能光伏发电系统，采用有框组件安装方式。对于行政楼等平面屋顶安装倾角为5°；对于家属楼等坡面屋顶直接在屋面平铺，与屋面间没有倾角。

表1 太阳能电池组件参数表

2.3 直流防雷汇流箱

汇流箱是光伏发电系统中的重要组成部分，其主要作用是按照一定的串并联方式将光伏阵列连接到一起，以便对光伏阵列实施监控[2]。系统采用了2种汇流箱 KBT-PVG-10（10进 1出） 和KBT-PVG-12（12进1出），整个并网系统使用了21台防雷汇流箱。

2.4 直流配电柜

直流配电柜采用南京冠亚电源设备有限公司生产的GD-16DA5Q1-1 000 V型产品。最大直流输入电压1 000 V，单回最大输入电流160 A，具有过流、短路保护和漏电保护、防雷保护等功能。系统配置了3台直流配电柜。1号、2号配电柜接入11回，3号配电柜接入10回。

2.5 并网逆变器

并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大任务[3]。系统选用南京冠亚电源设备有限责任公司生产GSG-250KTT-TV 2台，额定功率250 kW，GSG-500KTT-TV 1台，额定功率500 kW。光伏逆变器具有极性反接保护、短路保护、过载保护、接地保护、过/欠电压保护、过/欠频率保护、孤岛保护、逆向功率保护等功能，装置异常时能自动脱离系统。逆变器接入电网时，能自动同步。

2.6 数据采集与监控

系统配有完善的通信监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因素、频率、发电量等系统变量通过RS485传输至控制中心，实现远程监控[4]。

3 接入系统方案

根据国家能源局关于太阳能发电的相关政策，国家电网公司于2012年10月26日召开新闻发布会，明确了光伏电站接入系统的一系列原则和办法。为鼓励光伏产业发展，光伏电站实行自发自用、余量上网的结算模式，6 MW以下机组执行分布式电源的管理办法。

3.1 医院配电网现状

医院现为双电源供电，目前，主供电源为10 kV 554线路，备供电源为10 kV 556线路。两电源分别取自110 kV城东变电站10 kV I段、II段母线。医院现有配电变压器3台，容量分别为630 kVA、250 kVA、250 kVA，其中630 kVA箱式配电变压器供医务楼，目前重载；2台250 kVA配电变压器供医院家属区居民用电，运行方式为1台运行、1台备用；另0.4 kV备用发电机（150 kW）1台。

经统计，医院经630 kVA箱式变压器所带的公用负荷正常工作日在350 kW至600 kW之间，节假日（含双休日）负荷在150 kW至300 kW之间。250kVA变压器所带的负荷在100kW至200kW之间。医院电气主接线图（现状）见图2。

图2 医院电气主接线图（现状）

3.2 周边电源点分析

医院1MWp光电项目周围主要电源点有110 kV城东变电站、10 kV景家庄开闭所。

110 kV城东变电站位于长治城区东部，在医院东部，距医院约2.5km，电压等级为（110/35/10）kV，变压器容量为2×40 MVA。110 kV、35 kV、10 kV均为单母分段接线方式。110 kV进出线2回，分别为康庄220 kVA站，石槽110 kV站；35 kV出线3回，10 kV出线16回。10 kV现已无备用间隔位置。

10 kV景家庄开闭所位于医院西北部，距医院约0.8 km，有备用间隔2回。

10 kV 556线路从城东110 kV站II段母线出线，为沿线用电客户供电，线路为JKLYJ-240型绝缘导线，负载2300kW，目前医院T接于此线路。

10 kV 554线路从城东110 kV站I段母线出线，为用户专用供电线路，导线型号JKLYJ-185型绝缘导线，负载为3 300 kW，目前医院T接于此线路。

10 kV 561电北KBI回线路从城东110 kV站II段母线出线，经医院西侧路口，导线型号JKLYJ-240型绝缘导线，负载为2 940 kW。

3.3 接入方案比较分析

光伏电站的安全、经济运行需要一个优化合理的接入方案，方案制定不合理会造成安全隐患、管理困难、计量缺陷、光伏弃电、加重用户投资负担等问题。因此，作为电网公司来说，支持光伏产业的健康发展，首先应该做好接入系统方案的设计。

3.3.1 电压等级的确定

根据机组容量，1 MWp光伏电站应从10 kV或380 V电压等级并网。

3.3.2 并网点选择

根据光伏电站的性质和周边电源点情况，宜从用户内部配电网并网或并网于周边公用线路。

3.3.3 方案一

采用10 kV和380 V两个电压等级，在用户内部配电网并网。接入方案见图3。

图3 方案一并网示意图

光伏电站2×250 kW逆变器由AC380 V经升压变压器升压至10 kV，经单回10 kV线路接入用户10 kV箱式变电站10 kV母线，光伏电站500 kW逆变器由AC380 V经单回0.4 kV线路至用户10 kV箱式变电站0.4 kV母线。

由于用户630 kVA箱式变压器为降压变压器，为防止光伏电站所发功率反送，在630 kVA变压器低压侧开关处加防逆流装置。

用户箱式变压器变高压侧的两个负荷开关需要更换为断路器，以便安装继电保护装置。城东变电站10 kV 556、10 kV 554线路处口断路器加装方向保护。计量点安装于10 kV 556线路和10 kV 554线路与用户线路的T接点处。

3.3.4 方案二

采用10 kV和380 V两个电压等级，部分在用户内部配电网并网，部分直接在公用线路上并网。接入方案见图4。

图4 方案二并网示意图

光伏电站2×250 kW逆变器由AC 380 V经升压变压器升压至10 kV，经单回10 kV线路接入公用线路10 kV 561线，光伏电站500 kW逆变器由AC 380 V经单回0.4 kV线路至用户10 kV箱式变电站0.4 kV母线。

由于用户630 kVA箱式变压器为降压变压器，为防止光伏电站所发功率反送，在630 kVA变压器低压侧开关处加防逆流装置。

需在10 kV用户并网线路的断路器上加装继电保护装置，城东变电站10 kV 561线路处断路器加装方向保护。计量点安装于10 kV 561线路与用户线路的T接点处。

3.3.5 方案三

采用380 V电压等级，在用户内部配电网并网。接入方案如图5所示。

光伏电站2×250 kW逆变器和500 kW逆变器均由AC380 V经各自的一回0.4 kV线路至用户10 kV箱式变电站0.4 kV母线。

由于用户630 kVA箱式变压器为降压变压器，为防止光伏电站所发功率反送，在630 kVA变压器低压侧开关处加防逆流装置。

计量点安装于10 kV 556线路和10 kV 554线路与用户线路的T接点处，并在用户箱式变压器高压侧的两个断路器（更换后）处加装两套双向计量表计。这两个表计的下网电量反映了医务楼使用的系统提供的工商业电量数值，在T接点处计量的下网电量反映了医院整个使用的系统电量的数值，两者相减即为医院家属楼使用的系统电量的数值。

图5 方案三并网示意图

3.3.6 方案四

采用10 kV电压等级，在用户内部配电网并网。接入方案见图6。

图6 方案四并网示意图

光伏电站2×250 kW逆变器由AC 380 V经500 kVA升压变压器升压至10 kV，经单回10 kV线路接入用户箱变10 kV母线，光伏电站500 kW逆变器经另1台500 kVA升压变压器升压至10 kV，经单回10kV线路接入用户箱变10kV母线。

用户箱式变压器高压侧的两个负荷开关需要更换为断路器，以便安装保护装置。城东变电站10 kV556、10 kV554线路处断路器加装方向保护。

表2 各并网方案综合比较表

3.3.7 各方案综合比较

确定并网方案需要从政策、技术、经济、管理等各方面进行综合比较分析，表2中从并网电压等级、结算模式、电站弃电、并网投资、计量、并网继电保护等多方面对四个方案进行了比较分析。

从符合国家节能减排的能源政策的角度出发，应尽量实现用户光伏电站的自发自用，因此方案二不可取，同时，应尽量避免光伏电站大量弃电，因此方案三不可取。方案的取舍重点在方案一和方案四之间。

方案一和方案四的区别主要在于500 kW的逆变器送出电力方案一直接于630 kVA箱式变压器低压侧，供公用负荷，而方案四是经500 kVA升压变压器升压后接于630 kVA箱式变压器高压侧，经箱式变压器降压后再供公用负荷使用。

方案一的缺点是存在节假日弃电现象。由于医院的公用负荷在不断变化中，而光伏电站所发电力受到季节、天气、温度等多方面的影响，因此丢弃的电量只能进行估算。经测算，电站的发电效率系数为0.797 1，500 kW逆变器所送电力实际最大值为400 kW,结合4.1中所述的负荷统计结果，在工作日，基本没有弃电现象，而节假日弃电占比可达1/3，全年丢弃电量约3.6万kW·h。

方案四的缺点是存在先升压后降压的主变损耗，经测算，升压变压器加降压变压器的总损耗为2.6%，按500 kW逆变器全年送出电量660 MW·h计算，全年多损电量1.7万kW·h。由于电站的运行年限将达25 a，因此，综合比较，方案四的经济性优于方案一。接入系统方案最终选择为方案四。

4 结束语

光伏发电提供了解决能源短缺问题的有效途径，屋顶光伏并网电站由于不占用土地、不污染环境、具有建筑节能效果等优点备受青睐。1 MWp屋顶光伏电站设计中应注意光伏电站功能的完备性和各环节的参数匹配。光伏电站的接入系统方案对光伏电站的顺利并网和经济稳定运行具有至关重要的作用，在接入系统方案的设计中应考虑技术、效益、政策落实等多方面的因素，既能满足电网安全性的要求，又能最大限度地发挥光伏电站的效能，还能够节省电网和用户的投资。

［1］ 王斯成.光伏建筑与光伏建筑设计［M］.北京：国家发改委能源研究所，2009：20-24.

［2］ 杨贵恒，强生泽，张颖超，等.太阳能光伏发电系统及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2011：217-218.

［3］ 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2003.

［4］ 赖江轶.太阳能发电监测系统的设计与实现［M］.北京：北京邮电大学，2010：17-23.