基于校园屋顶的分布式光伏发电系统设计

吴奕奇,薛剑飞,王佳妮

(1.常州工程职业技术学院,江苏 常州 213164;2.常州科教城现代工业中心,江苏 常州 213100)

0 引 言

分布式光伏发电主要利用建筑物屋顶和农业设施屋顶以及家庭住宅屋顶等场地,倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则,不仅能够有效解决电力在升压及长途运输中的损耗问题[1],还能够削减城市昂贵的高峰供电负荷。在目前城市可利用资源中,校园建筑作为教学活动场所,多采用集中式的布局,屋顶存在着大量的空置区域,如果将学校屋顶空置场地建成分布式光伏发电系统,不仅能够节能创收,减轻电网的供电压力,还能进一步推动绿色、智慧和面向未来的新校园建设。

1 项目概况

某高校位于常州市,位处北纬31.68°、东经119.94°,校园于2003年开始建设,2006年建设完成并投入使用,占地1 119.86亩,建筑面积36.05万m2,现有全日制在校生11 000余人,其中可利用屋顶主要以6层以下低层建筑为主,包括教学楼、实训楼、活动中心、图书馆等建筑物。各建筑物屋顶均为混凝土平面屋顶,已经做好防水层,屋面除了电梯机房和女儿墙外,个别屋面还有实验室排风机,由于处于职教园区,建筑物附近无高层建筑遮挡物。

实训楼屋面如图1所示。

图1 实训楼屋面

2 系统类型和并网接入方案设计

2.1 系统类型的设计

该项目可供选择的光伏发电系统类型有两种,一种为集中式并网发电方案,是将几栋楼分为若干个并网发电单元,通过汇流箱和直流柜进行汇流,电能输送到就近设置的集中式逆变器转换成380 V交流电,经升压系统变成10 kV的交流高压电,再并入学校10 kV母线中;第二种是分布式并网方案,各楼栋单元采用组串式逆变器,分散就近并网,以380 V电压等级接入学校电网系统。考虑到各楼栋可利用面积、组件容量不同,而且集中并网需要进行配电系统改造,成本较高,而分布式发电系统中逆变器的单机容量小,安装方便,不需要专门的配电室,也不需要汇流箱和直流配电柜,MPPT数量多,配置灵活,故选择分布式光伏发电系统方案。

分布式光伏发电系统电气主接线如图2所示。

图2 分布式光伏发电系统电气主接线

2.2 并网接入方案设计

供电方式是由总配电间利用10 kV环网柜分配给各楼栋电能,然后利用降压变压器降为380 V分配至各楼层使用,本着就近分散接入,就地平衡消纳的原则,参照国家电网《分布式光伏发电接入系统典型设计》中内容,组串式逆变器可以采用方案标号为XGF380-T-2中380 V单点接入配电室低压母线接入方式和方案标号为XGF380-Z-Z1中380 V多点接入配电室低压母线接入方式两种。考虑到单点接入管理方便,安装施工简单,可以进行集中计量等优点,系统各楼栋发电单元集中采用单点接入配电室低压母线接入方式进行并网接入。并网接入示意图如图3所示。

图3 并网接入示意图

3 系统容量设计

3.1 光伏组件排布影响因素分析

系统设计的容量在设计时需要考虑组件的倾角、排列方式、组件间距、阴影遮挡等因素。

(1)倾斜角选择。组件按照最佳倾斜角安装,可以使全年接收到的辐射量最大,但是由于场地限制,最佳倾角安装会减少组件数量,减少系统容量,增加电站建设和施工成本。该项目中最佳倾斜角为22°～26°,为了避免倾角固定对屋面的破坏,同时经过测算,最终选择“最经济倾角”的设计方案,光伏组件采用平铺方式。

(2)排列方式选择。组件的排列方式为横向排列和纵向排列,横向排列可以减少近距离阴影遮挡对发电量的影响。该项目采用平铺方式,可以不用考虑该问题,所以采用纵向排列每列放置两块组件的方式,同时为了维护方便,在两排方阵之间预留80 cm的维修通道。

(3)阴影遮挡分析。组件方阵的阴影主要来自两个方面,一个是方阵前后阴影遮挡,该项目为平铺方式,方阵阴影遮挡忽略;另一种阴影遮挡为障碍物的遮挡,项目中障碍物主要为女儿墙、电梯房、排风机等障碍物,因此对障碍物在水平面各方向上所产生的阴影长度进行计算分析,从而保证光伏方阵在9∶00～16∶00不被遮挡。障碍物阴影遮挡示意图如图4所示,其中α为太阳高度角,β为太阳方位角,H为障碍物高度。

图4 障碍物阴影遮挡示意图

3.2 光伏组件型号选择

目前,国内光伏市场上以晶硅光伏组件为主流,晶硅组件又分为单晶硅组件和多晶硅组件,两种组件在性能和价格上比较接近。多晶硅组件在价格上要比单晶组件稍低[2],因此从控制工程造价方面考虑,该项目选用260 Wp的多晶硅光伏组件。光伏组件技术参数如表1所示。

表1 光伏组件技术参数

3.3 光伏组件排布设计及容量确定

光伏组件拟选用260 Wp组件,结合各影响因素分析,确定该项目布置5 120块光伏组件,光伏方阵装机容量为1.33 MWp。实训楼光伏组件平面布置图如图5所示,其中阴影部分为各遮挡物阴影覆盖范围,为了降低对方阵整体发电量影响,该区域内未布置光伏组件。

图5 实训楼光伏组件平面布置图

4 光伏组件串并联设计

在并网光伏发电系统中,电池组件的串并联匹配主要依据所配逆变器的最大直流输入电压和逆变器正常工作电压输入范围,即MPPT电压输入范围来确定[3]。要求组件串的最大开路电压不能超过逆变器的最大直流输入电压,组件串的最大工作电压范围不能超出逆变器的MPPT电压的范围,因此,如果要设计光伏组件串并联数量,必须先选择逆变器型号,然后进行串并联计算。

4.1 光伏逆变器型号选择

该项目中光伏组件安装于教学楼屋面,屋面较为分散,且采用分区并网,组串式逆变器能发挥其优势,故选用组串式逆变器。逆变器技术参数如表2所示。

表2 逆变器技术参数

4.2 光伏组件串并联计算

光伏组件串的串联数量N主要是根据国家标准GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中式6.4.2-1和式6.4.2-2进行计算:

(1)

(2)

式中:Kv——光伏组件的开路电压温度系数;

t——光伏组件昼间环境极限低温;

t′——工作状态下光伏组件电池极限高温;

Udcmax——逆变器和光伏组件允许的最大系统电压,取两者小值(直流);UMPPTmax——逆变器MPPT电压最大值;

UMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值;

Uoc——光伏组件的开路电压;

Upm——光伏组件最佳工作电压。

工程选用260 W型多晶硅组件,其组件开路电压为37.9 V,工作电压为30.8 V,电压温度系数-0.35%/K,该地区极限最低温度为-12 ℃,极限最高温度为40 ℃(根据全国各个城市极端最高温与极端最低温汇总数据)。将数据代入式(1)、式(2)得出N≤1 000/37.9/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.36(块),N≥450/30.8/[1+(40-25)×(-0.35%)]=15.42(块),N≤820/30.8/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.57(块)。

综合考虑该地区低温以及从节约光伏支架、光伏接线要求出发,确定该工程组串为20块一串。经验算,光伏组串在-12 ℃的开路电压为941.78 V、工作电压为765.35 V,光伏组串在60 ℃的工作电压为594.59 V,满足逆变器输入电压的要求。每20个光伏组件1串,组成一个小的发电单元,单个逆变器功率为30 kW,1串功率为5.2 kW,故最终确定单台逆变器并联数量为6路,按照6进1方式接入组串式逆变器,交流逆变后接入并网配电柜,最终分区就近以380 V接入电网系统,逆变器共需要配置46台。

5 辅助设备及系统设计

5.1 光伏阵列安装设计

光伏支架采用安装简单、成本低的固定倾角支架,材质为制造工艺成熟、承载力强的热镀锌钢材。由于屋面类型为混凝土屋面,屋面已经做好防水,所以选择混凝土块配重基础固定方式,有效地避免或者破坏屋顶防水层等结构。

5.2 并网柜的选择

并网柜主要用于分布式发电系统与交流电网的并网连接和控制,在接入380 V电压等级电网时,并网点和公共连接点的断路器应该具备短路速断、延时保护功能和分励脱扣、失压跳闸及低压闭锁合闸等功能。该项目采用380 V电压等级并网,且逆变器46台,所以采用12台380 V光伏并网柜,每台电柜4进1出,单台输入电流等级为100 A。

5.3 防雷、接地保护设计

为了保证该工程光伏并网发电系统安全可靠,防止因雷击、电涌等外在因素导致系统器件损坏等发生,系统防雷接地装置必不可少[4]。

(1)防雷。屋顶防雷主要依靠在屋顶上设置避雷装置,直流和交流侧分别采用组串式逆变器自带的防雷保护装置,可有效地避免雷击和电网电涌导致设备的损坏,同时发电单元外轮廓的铝合金外框做为防止直击雷过电压保护接闪器,其各构件间应可靠连接后,与地下的主接地网相连,组成一个立体的防雷体系。

(2)接地。保护接地、工作接地、过电压保护接地使用同一个接地网。接地电阻按不大于4 Ω考虑。为保证人身安全,所有电气设备都装设接地装置,并将电气设备外壳接地。

5.4 电气二次系统设计

(1)电站监控系统。为了实时监测光伏发电系统的运行状态和工作参数,以及现场的环境情况,光伏系统就地配置数据采集系统和环境监测仪,就地将数据采集后通过光缆通道送至综合自动化计算机监控系统,并利用监控系统,通过光缆通信上传光伏电站各种信息量及接收调度命令。

(2)继电保护及安全自动装置。本站保护配置采用两种方式,一种并网逆变器保护,并网逆变器为制造厂成套供货设备,设备中包含有欠电压保护、过电压保护、低频保护、孤岛保护、短路保护等功能。第二种是并网点断路器保护,并网点断路器采用有欠压保护功能的断路器,确保电网电压过低、失电或缺相时能断开光伏区。

(3)计量系统。光伏电站发电量计量点配置于光伏电站并网柜内,按照《电测量及电能计量装置设计技术规程》的有关规定,电能计量装置采用380 V三相四线双向电能计量表,准确级要求:有功-0.2S级,无功-2级。

6 光伏电站发电上网电量计算与分析

(1)计算公式选择。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中规定,光伏电站年发电量Ep为

(3)

式中:HA——水平面太阳能总辐照量;

Es——标准条件下的辐照度;

PAZ——组件安装容量;

K——综合效率系。

(2)系统效率修正系数的确定。影响电站总效率的关键因素主要是系统效率。系统效率主要考虑的因素有逆变器的效率损失,变压器的效率损失,灰尘及雨雪遮挡损失、光伏组件串并联不匹配损失、交直流部分线路损失、其他杂项损失。依据太阳能资源及水文气象条件,电站总效率的修正系数如表3所示,系统效率80.03%。

表3 电站总效率的修正系数

(3)水平面太阳能总辐照量确定。根据光伏仿真设计软件PVSYST和根据Meteonorm 6.1气象软件进行数据仿真,计算得到常州地区水平面年平均日照辐射量1 295.4 kWh/m2,由于组件为屋面平铺安装,0°倾斜面年辐射量为1 295.4 kWh/m2,光伏电站区域各月太阳总辐射量如图6所示。

图6 光伏电站区域各月太阳总辐射量

(4)发电量计算分析。该项目1.33 MWp初始年发电量约137.88万kWh,光伏组件光电转换效率逐年衰减,整个光伏发电系统25年寿命期内平均年有效利用小时数也随之逐年降低,该项目所采用晶体硅光伏组件首年衰减不超过2.5%,其后每年衰减不超过0.8%,25年内总衰减不超过20%。因此,第N年发电量=初始年发电量×(1-N×组件衰减率)。

该项目20年平均发电量126.25 万kWh,总发电量2 533.15 万kWh。每年平均发电量如表4所示。

表4 每年平均发电量

7 结 语

作为分布式发电系统的重要载体,校园屋顶特别是综合性大学校园屋顶具有很大的开发空间。对校园屋顶进行分布式电站设计时,要以教学使用和学生安全为前提,要详细分析校园的供电方式、用电特点、建筑物特点、学生安全等情况,在系统类型、并网方式、组件排布固定、设备安装摆放、安全文明施工等方面进行合理规划设计。