太阳能光伏发电系统在黄河水院的应用

葛芸萍，刘金浦

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475001）

0 引言

环境污染加剧，传统石化能源日益枯竭，可再生能源的需求越来越紧迫。太阳能作为一种清洁能源，具有取材方便、成本低廉的优势，越来越受到人们的广泛关注。近年来，随着能源问题的进一步恶化和人们对环境问题认识的深入，越来越多的建筑开始使用清洁、节能的太阳能发电装置［1］。

黄河水利职业技术学院 （以下简称黄河水院）校园建筑有教学楼组团、实验实训楼组团、学生宿舍楼组团，建筑类型一般为多层既有建筑。各类楼群的坐向各异，屋顶面积45 000 m2。根据校园建筑特点，结合气象资料、太阳辐射资源分析，开发建设了2 MWp太阳能光伏发电工程。

1 黄河水院2MWp太阳能光伏发电工程系统设计

1．1 光伏发电工程技术方案选择

校园太阳能光伏系统就是建设太阳能光伏屋顶发电系统。该系统可分为并网光伏屋顶系统和离网光伏屋顶系统两大类。离网发电系统需要配备大容量的蓄电池来储能，这不仅增加了系统的投资，还要提供足够的空间和合适的环境来放置这些蓄电池［2～3］。综合考虑学院的实际情况，最终选择了光伏并网发电系统。

结合黄河水院已有建筑的特点及节能要求，校园太阳能光伏发电系统设计方案为，将光伏方阵直接铺设在建筑物屋面上，以充分接收太阳光，提高光伏发电系统的利用率。将所收集的太阳能电源升压至10 kV电压等级后，并入当地电力系统。

1．2 光伏发电工程系统原理

2 MWp太阳能光伏发电工程并网系统主要由光伏阵列，并网逆变设备，数据采集及监控系统，阵列架体，交、直流电力网络，交流配电柜组成。此外，为彰显效果，特设LED显示屏一块，以显示系统运行状况及相关数据。2 MWp太阳能光伏发电工程系统原理图如图1所示。

图1 光伏发电系统示意图Fig.1 Photovoltaic system

1．3 光伏发电工程系统设计

该太阳能光伏并网发电系统采用分块发电、集中并网的模式，即根据屋顶面积及方位的不同，将系统分成若干个小型光伏并网发电单元。各发电单元通过并网逆变装置使输出电压达到270 V，再经过变压器升压，将整个光伏并网系统接入10 kV的中压交流电网，进行并网发电。

经统计，黄河水院用电情况为：教学楼、校园照明用电814.805 kW+140.29 kW＝955.095 kW，食堂、学生公寓用电145.417 kW+946.6 kW＝1 092 kW；各系部实训楼用电3 675.581 kW。

依据黄河水院用电情况、校园建筑和现有电力变压器的位置情况，该太阳能光伏发电工程将学生宿舍楼、食堂、行政楼作为一个单元，在食堂的东侧7#变压器处设置一组光伏发电设备；教学楼作为一个单元，在一号教学楼内的4#变压器处设置一组光伏发电设备；各系部实训楼作为一个单元，在4#实训楼南侧3#箱式变压器处设置两组光伏发电设备。光伏发电单元系统原理如图2所示。

2 校园2MWp太阳能光伏发电工程系统设备设计

每组光伏发电设备包括：1套电池组件、1台干式变压器、1台并网逆变器、1个直流配电柜，1个防逆流控制柜和1个交流开关柜。

2．1 电池组件的安装设计

光伏电池组件安装在教学楼、办公楼、食堂、行政楼等建筑物的屋顶。根据屋顶面积和屋顶平面实际情况，本项目的电池组件采用235 Wp单晶硅电池组件，峰值功率为235 Wp。

在设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置倾角对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节［4］。该项目所在地的地理位置为北纬 34.82°、东经114°31′，屋顶光伏系统的组件支架倾角可设计为30°，以获取全年最大的太阳辐射量。

光伏方阵阵列间距垂直距离应不小于D。

式中：φ为纬度：34°N；H为光伏方阵阵列与可能被遮挡组件底边高度差，本设计中H＝0.7。

经计算，D＝1.5m。本方案阵列前后间距设计为1.5m。

2．2 直流汇流箱和直流配电柜

为了方便维护、提高可靠性，并减少光伏组件与逆变器之间连接线的长度，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置［5］。本系统采用GSL-7A10Q1-900W防雷汇流箱。该汇流箱可同时接入10路太阳能电池串列，每路电流可达7 A；接入最大光伏串列的开路电压值可达1000 V；保险丝的耐压值不小于DC1000V；配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能。

直流汇流箱和直流汇流柜接线前，要确认所有开关均处于“断开”状态，接地端子可靠接地，然后再正确接线。否则，有发生触电、火灾、损害设备的危险。

2．3 逆变器

图2 光伏发电单元系统原理图Fig.2 Photovoltaic unit system principle

光伏并网逆变电源能将光伏组件发出的直流电逆变成符合相关电网入网要求的交流电，是并网发电系统的核心控制设备。它担负着系统的DC／AC转换任务，准确控制转换电压、频率、相位、谐波含量等重要指标，同时还负责光伏并网发电系统各部分与公共电网的协调运行，并在系统出现异常情况时，对系统进行保护。本系统采用GSG-500KTT-LV光伏并网逆变电源。

2．3．1 逆变电源结构

逆变电源电路结构框图如图3所示。

图3 逆变电源结构图Fig.3 DC-AC structure

逆变器设置有高性能滤波电路，使得逆变器的交流输出电能质量很高，不会对电网质量造成污染。在输出功率≥50%额定功率、电网波动＜5%时，所选用的逆变器的交流输出电流总谐波分量 （THD）＜3%。本系统所选用的逆变器为并网型逆变器，在运行过程中，实时采集交流电网的电压信号，通过闭环控制，使逆变器的交流输出相位与电网保持一致。

2．3．2 接线与运行

该逆变器采用桥接件接线方法，即将导线对接到具有相同线标的桥接端子上。本设备有两个通道的直流输入，每个通道可接8路光伏输入。其接线步骤为：（1）断开直流侧断路器，保证直流侧接线不带电；（2）用万用表测量光伏阵列的开路电压（不超过900 V）；（3）确认正负极接线端后，将光伏阵列的正极连到直流输入的“+”上，将负极连到直流输入的“-”上。

在交流电网接线时，应断开交流一侧断路器，保证交流一侧不带电接线。光伏并网逆变电源的并网过程都是自动的，无需人为干预和控制。系统检测到是否满足并网发电条件的同时，也会检测光伏阵列是否有足够的能量。当满足条件后，就会进入并网发电模式。在并网发电过程中，逆变电源一直以最大功率点跟踪（MMPT）方式工作，使光伏阵列输出的能量最大。若太阳光较弱、发电量很小，逆变电源就进入待机模式。当光伏阵列电压大于470V时，逆变电源会自动切换到并网发电状态。

3 校园2 MWp太阳能光伏发电工程经济效益分析

3．1 技术经济分析

校园2 MWp太阳能光伏发电系统效率为78%。本系统预计年发电量为217.86万kWh，费效比为1.36元／kWh。系统总投资5 336.47万元，其中：政府补贴政策为补贴16.9元／W，共补贴3 387.6万元，其余1 948.87万元为学院自筹。

通过财务指标计算和分析，本项目税后财务内部收益率为13.84%，投资回收期为7.64年（含建设期），投资利润率1.32%。这说明项目有一定的盈利能力，经济上可行。

3．2 节能效益分析

光伏发电既不直接消耗资源，又不释放污染物、废料，也不产生温室气体，破坏大气环境，因此，有利于保护周围环境。

目前，我国发电耗煤为平均390 g标煤／kWh。本光伏电站预计年发电量217.86万kWh，年可节约标煤849.65 t。若该电站使用寿命按25年计，总计可节约标煤2 1241.35t。若火电站发电1 kWh排放CO21.4 kg，该光伏电站每年减排二氧化碳3 050.04 t；25年减排二氧化碳 7 6251 t。

4 结语

黄河水院2 MWp太阳能光伏发电工程属示范性建设项目，与相同发电量的火电厂相比，该项目每年可为电网节约标煤849.65 t。在其经济使用寿命25年使用期内，将光电转换效率衰减因素计算在内，该类光伏发电项目总共节省标煤21 241.35 t，共减排温室气体CO2约76 251 t。通过该示范工程建设，可以提高人们对太阳能发电的认识，为高校校园开发利用建筑物的空间积累经验，为高新技术开发、推广起到示范引领作用。

［1］胡阿芹，孟棋．我国太阳能光伏发电产业发展研究［J］．湖北社会科学，2011（4）:92-95．

［2］柴玉梅，王峰．某15MW太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析［J］．节能，2010（9）:24-26．

［3］郑文英，周威．太阳能光伏发电技术在建筑中的应用［J］．变频器世界， 2011（5）:34-37．

［4］赵书安．太阳能光伏发电及应用技术［M］．南京:东南大学出版社，2011:106．

［5］赵春江．太阳能光伏发电系统的技术发展［J］．创新与技术，2011:56-63．