某屋顶光伏电站的设计与运行情况分析

冯相赛

(上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241)

某屋顶光伏电站的设计与运行情况分析

冯相赛

(上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241)

针对上海地区某企业厂房建筑屋顶光伏电站的设计与运行情况，利用PVSYST光伏模拟软件分析了上海地区光伏电站最佳倾角，从光伏组件安装方式、电气接线设计等方面分析了该光伏电站从最初的方案设计到最终的并网运行情况。从屋顶光伏电站的运行数据来看，该屋顶电站总体上发电稳定，与最初的设计方案基本一致，达到了预期的设计效果。针对光伏电站运行过程中所出现的电气设备问题，经过现场检测分析，找出了光伏电站运行过程中出现故障的原因并及时采取了相应的对策，保证光伏电站系统的正常运行。

屋顶光伏；电站建设；运行情况；故障处理

太阳能作为一种清洁的可再生能源在世界各地得到广泛应用[1]。太阳能光伏电站的建设一方面可以减少煤电对环境的污染问题[2,3]，另一方面可以有效解决煤电、火电等传统发电模式分配不均的问题，分布式光伏电站所产生的电能供用户就地消纳，减少电力输送环节，降低电网的调度负担[4,5]。

我国的光伏电站根据各地的具体情况，电站模式也不尽相同。西部以及山地丘陵地区，地广人稀，多以地面光伏电站为主，中东部以及城市地区，人口稠密，土地资源稀缺，多以屋顶光伏电站为主。近年来，上海市根据自身的特点指定了明确的光伏电站补贴措施，大力推进屋顶分布式光伏电站的建设，取得了一定的成效。文章以上海市某建筑屋顶光伏电站为例介绍上海地区的屋顶光伏电站的方案设计及运行情况，在总结屋顶光伏电站建设经验的同时，为上海地区乃至全国范围内其它屋顶光伏电站的建设提供借鉴及参考。

1 项目概况

本项目位于上海市浦东某园区内，项目分为A、B两个区域，每个区域分别有6幢建筑的屋顶可供安装太阳能光伏系统，建筑主体为门式钢架结构。屋顶坡度为5°，屋面无其它附属设施，比较适宜铺设光伏发电系统。

1.1 日照情况

上海地区处于东经120°52’至122°12’，北纬30°40’至31°53’之间的区域，平均海拔高度为3.7 m。上海日照条件充足，年累计日照时数为1 909 h，根据气象站1995-2007年数据统计，上海市多年平均太阳总辐射量为4 542 MJ/m2，太阳总辐射历年变化情况如图1所示。

图1 上海市太阳总辐射量统计

1.2 最佳倾角模拟

由于不同地区太阳的方位角各不相同，而光伏电站要获得最佳发电量就要精确计算光伏电站所处位置的光伏组件最佳倾角。PVSYST光伏模拟软件被广泛用来模拟光伏电站的发电情况。为了便于对比，选用峰值功率为300 W的单个光伏组件对不同倾角光伏系统的年发电量进行模拟，PVSYST模拟参数为：300 Wp的多晶硅标准光伏组件，组件有效面积为1.6 m2，系统为自然通风状态，通过设定PVSYST相应模快中的不同组件倾角得出不同倾角下的年发电量如图2所示。

图2 不同倾角对光伏系统发电量的影响

从不同倾角对光伏系统发电量的影响模拟结果来看，在上海地区，光伏电站组件的最佳倾角易设定在22°左右时，光伏电站的年发电量最优。在该光伏电站的方案设计时主要参考该最佳倾角以及实际屋顶的坡度进行光伏系统的布置。

2 方案设计

依据上海地区的日照情况，结合本项目屋面的具体结构及方位，从光伏组件安装排布、电气系统设计布置、经济效益等方面优化设计出符合本项目的最佳方案。

2.1 组件固定方式

屋顶光伏电站首要考虑的因素就是屋顶的结构问题，不同的屋顶结构需要不同的光伏支架及固定技术。常见的屋面结构有混凝士结构屋顶和彩钢瓦结构屋顶，混凝土屋面一般比较平整，配以适当的水泥压块即可，而彩钢瓦的形式多样决定了彩钢瓦屋顶光伏系统固定方式的多样性。本项目的屋顶均为彩钢瓦屋顶，根据建筑的具体结构形式，对建筑结构的受力情况进行校核，分析屋顶是否能够承受屋顶光伏系统的附加重量，确保屋顶光伏电站在不破坏屋顶原有结构的同时，有足够高的安全可靠性能。

本项目所有屋面的彩钢瓦结构形式如图3所示。

图3 屋顶彩钢瓦结构形式

根据该种彩钢瓦的具体结构形式，采用相应的夹具对屋面上的光伏板进行固定，固定方式如图4所示。

图4 屋顶光伏系统固定方式

该种光伏组件的固定方式采用夹具通过螺栓与彩钢屋面固定，可以避免对屋面原有结构造成破坏，影响屋顶的防水功能。

2.2 电气连接

本项目的光伏发电系统由多晶硅组件、并网逆变器、升压变压器、交流高低配电柜、并网配电系统、自动化系统和其他辅助配套设备组成。组件采用255 Wp的高效率多晶硅太阳能组件，逆变器采用500 kW的光伏逆变器，各子系统直流电经逆变器逆变为三相交流电之后接入10 kV开关站。系统电气一次系统接线示意图见图5。

图5 电气一次系统接线示意图

本项目装机总容量为4.76 MWp，属于大型光伏并网发电系统，组件与逆变器之间、各个建筑光伏系统之间的电缆较多，给施工及后期运维带来一定的难度，为了减少太阳能电池组件与逆变器之间的连线方便以后的维护，在太阳能光伏组件与逆变器之间配置直流汇流装置和光伏电缆转接箱。

为了提高光伏系统的可靠性、更好地掌握光伏系统的发电情况，完善的电气二次系统是必不可少的。本项目配置一套自动化监控系统，全面监控逆变器及升压变压器等电气设备的运行情况。系统可以采集高低压侧的三相电流、电压、功率、开关状态逆变器输出功率等信息，同时可以采集各支路的发电量和电子设备的运行数据，方便运维人员及时掌握电站各设备的运行情况。

2.3 效益分析

利用PVSYST光伏软件，结合上海当地的日照强度、日照时长、系统的组件倾角等参数，模拟出该光伏电站25年的发电量如表1所示。

由表1可以看出，25年间的年均发电量为431.1万kWh。根据光伏电站的发电情况，结合国家及上海市对光伏发电的补贴，预计25年累计收入9 494.2万元，而该项目的总投入成本约4 000万，从经济测算层面来看，该项目的运行能够带来巨大的经济效益。

表1 光伏电站25年发电情况预测

另一方面，本项目为社会所提供的电力为清洁能源的电力，与相同发电量的火电相比，每年可节约标煤1 690.46 t，每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化硫排放量约36.29 t，二氧化碳约3 521.67 t，氮氧化物16.35 t，烟尘减排量约286.11 t，同时还可以节约大量淡水资源，本项目的实施能够为上海地区的环境保护作出一定的贡献。

3 光伏电站的运行情况

通过调试运行及项目验收，本项目完工后的工程现场如图6所示。

图6 屋面光伏电站现场示图

该屋顶光伏系统电站自运行以来，整体运行情况良好。该光伏电站最近一段时间的发电数据如图7所示。

图7 光伏电站日发电数据

从光伏电站的发电数据可以看出，光伏电站的发电量与天气有密切的关系，根据上海市气象局的信息显示，2016年上海市的梅雨期为6月15日至7月12日，在梅雨期内，多为阴雨天气，降水较多，从图7的发电数据可以看出，梅雨期导致光伏电站发电量普遍偏低，光伏电站的发电量随着天气的变化而产生较大的波动。上海地区在七月份出梅之后，天气逐渐转晴，光伏电站日发电量趋于稳定且居于发电峰值，每天的发电量接近30 000 kWh，光伏发电性能优良。

4 存在的问题及解决方案

在光伏电站的运行过程中，出现发电量突然减少的情况，二期的单个逆变器的发电量不足一期单个逆变器发电量的50%，经现场检测发现光伏电站发电量减少的原因是二期中的一个光伏电缆转接箱中的空气开关跳开所致。

经检测，该空气开关的跳闸是由于光伏系统转接箱缺少有效的通风散热措施造成夏季环境温度过高以及个别空开质量瑕疵所致，经维护人员更换空开之后，光伏电站恢复正常状态运行。针对该种故障情况，建议在以后的光伏电站建设当中采用具有散热结构的转接箱，保证转接箱内的空开的环境温度不会过高，减少光伏电站意外情况的发生，保障光伏电站的顺利运行。

5 结语

文章以上海地区某屋顶光伏电站为背景，介绍了屋顶光伏电站的设计与建设运行情况。利用光伏模拟软件PVSYST对屋顶光伏电站的安装角度进行了优化，介绍了屋面光伏电站电气设计，分析了该屋面光伏电站的经济效益及社会效益，

针对运行过程中出现的问题，经过现场检测确认，找出了其中产生故障的原因并进行了及时处理，使该屋顶光伏电站在短时间内恢复了正常的工作状态。

本项目的建设在满足园区企业白天用电的同时，将多余电量销售给电力公司，在有效利用建筑屋顶的同时，为业主带来丰硕的社会和经济效益。该屋面光伏电站的介绍为今后上海地区乃至全国各地屋顶光伏电站的建设提供一定的借鉴。

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(本文编辑：严 加)

Design and Operation Situation Analysis of Rooftop PV Power Station

FENG Xiang-sai

(Shanghai Solar Energy Research Center, Shanghai 200241, China)

For the designing and running condition of PV power station which was built on roof of the industrial plant in Shanghai, photovolatic software of PVSYST was used to analyze optimum tilt angle of the station on the built roof. The process of the PV power station construction was analyzed from the initial design to final grid-connection operation, including the installation method and electrical wiring design. The operation data of the PV power station shows that the station power generation is stable, in accordance with the original design scheme, that is to say, the desired design target was achieved. Through the scene test analysis, electrical equipment problems arising in the process of running were found out and corresponding contermeasure were taken timely, ensuring normal operation of the PV power station. This analysis on the design and running condition of the rooftop PV power plant can provide certain reference to related engineering and technical personnel.

roof PV; power station construction; operation condition; fault treatment

10.11973/dlyny201606018

冯相赛(1985)，男，博士，工程师，从事光伏应用技术研究与应用。

TU18

B

2095-1256(2016)06-0750-04

2016-10-23