屋顶光伏发电系统储能并网的设计

徐浩然，李 洁

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古自治区 包头 014010）

目前，在新型再生能源中较为重要的是太阳能，具有无污染、资源普遍性和永不衰竭等优势，它可以充分满足人类对大自然环保与可持续发展的需求，是重要的绿色能源之一。太阳能光伏发电主要有两种工作模式：分别是离网和并网。过去，在偏远地区大多处于无电状态，一般采用离网发电，但近年来，受国家政策影响，其中光伏发电系统和新能源发电系统的行业和市场变化很大，开始渐渐向偏远农村和城市发展，开启并网发电，因此带储能的并网型发电是值得研究的课题。太阳能光伏发电系统的特点是间歇性与随机性，可以在系统中配备储能设备，通过运用储能设备的快速调节能力，可以使电能质量得到提高与改善，同时还可以使系统的可靠性与稳定性得到增强，因此文章对一个屋顶光伏发电储能的并网控制系统进行了设计。

1 设备与安装的选择

1.1 光伏电池

经计算，屋顶占用面积约为10 950 m2，文章所选用的单晶硅为300 Wp的光伏板，参数如表1：

表1 单晶硅300Wp光伏板参数

1.2 逆变器的选择

组串式逆变器的性能特点为多路MPPT，运维中的损耗会比集中式逆变器低，运维成本会低于集中式逆变器，发电量在比集中式逆变器略高约2%。因此将选用的组串式逆变器是70 kW。逆变器技术参数如表2。

表2 70 kW组串式逆变器参数

所选逆变器要求具有110%的长期过载能力。此外，逆变器必须要实现自动调节功能，并且逆变器低电压穿越必须要达到零电压穿越。

1.3 光伏阵列设计

根据屋顶面积为10 950 m2，屋顶安装倾斜角为16°，光伏阵列净间距为1.331 m。共计安装1 320块光伏组件。

组串的计算依据电池组件在串联过后，最佳工作状态时候的电压(Ump)应该处于MPPT的范围之中，且Ump应该大于逆变器的输入电压的最小值，可以得到：

串联数最小值：

依据组件在串联过后的应该小于逆变器的输入电压的最大值，可以得到串联数的最大值：

根据本次设计所选择设备的参数，使用的为300 Wp的多晶硅电池，并且逆变器的MPPT的范围是200-1000 V，即可以得到：

串联数最小值：

串联数最大值：

所选的逆变器为70 kW，由于太阳能电池方阵发出的全部功率数不允许超过逆变器的功率，计算可得并联数为5。

经计算N不大于22。所以可以选择22块为一个光伏串

在选择光伏组件、并网逆变器特性和屋面布局的基础上，采用22个300 Wp组件串接为一条支线，每条支路容量为6.6 kW；由每3条支路形成一个组合，汇流到一个防雷直流汇流箱，由每4个汇流箱形成一个组合，接入到1台70 kW逆变器，即每台逆变器接入光伏组件个数242个，容量72.6 kW。

屋顶含有1 320块太阳能板，经计算得本屋顶光伏总装机容量为396 kWp，需要70 kW逆变器5台，输出到交流母线上，供给负荷、储能原件和通过逆变器输出到电网。图1为光伏阵列排布图。

2 并网

2.1 并网方式

光伏阵列、逆变器与输配电系统共同组成了光伏并网系统，按照本次屋顶光伏的布局容量获悉，设计须要光伏组件所串联的方阵数量，同时接入汇流箱，而且将配电柜、70 kW的逆变器接入到配电系统，从而实现300 kW的并网发电。

2.2 部分电气设备的选择

2.2.1 汇流箱的选择

从字面含义上面理解，汇流箱的作用就是汇聚电流，总的来说，将所选的光伏板根据计算的数量和规格串联起来，进而形成各组的光伏串列，然后再将所选的多个光伏串列并联起来，接入到光伏汇流箱中。它可以确保在光伏发电系统维修、检测过程中方便地断开线路，以及减少光电系统失效后受影响的地方。

本次设计选用的是组串式汇流箱，它能够减少逆变器连接线路的后端动力电缆，加强系统的稳定性，同时也能提高电能质量，易于维护系统，本次设计选择了民电的三进一出直流汇流箱。

2.2.2 蓄电池的选择

蓄电池总体来说，大抵分为锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池等。本次设计选用锂离子电池。

锂离子电池的基本组成结构，大致由正极、负极、电解液和薄膜材料等，其中也包括了部分的辅助器具，如正负极材料导线，锂离子电池保安阀门，调整温度用的PTC(正温度控制接头)，以及锂离子电池外壳等。而锂离子电池的品种也十分多，其基本过程原理也都大同小异。当锂离子电池全部装满后，这样，就可以使锂离子与正极分离 ，由离子溶液通过隔离层与电解液调整温度，然后再注入到锂离子电池的负极材料中，放电进程则为相反过程。对于电池的隔绝层，电池的电解质膜因为PP/PE/PP构成的三层圆柱电池具有熔融温度较低，并且材料须具备较高的抗击穿的特性，它在其中起到了电池热保险的作用，而在锂离子电池中，通常使用PE、PP等高分子聚烯微多孔膜等复合膜。电池罩的硬件部件必须具有正常的抗爆炸性和快速切断电源的能力，而电池的外壳通常是由钢材和铝合金制成。

文章用经典的液态锂离子电池举例说明，说明了锂电池的充放电机理，当电池以多层石墨作为阴极材料时，以LiCoO2为正极材质时，当电池充电时，Li+从LiCoO2发生分离，同时释放一个电子，使C3+被氧化，形成为C4+，Li+穿过隔离膜和电解质，然后把各种元素转移到石墨上，使其嵌入到负电极材料的多层石墨中，在石墨的表面上生成一个电子，形成LixC6。与此相对的是，蓄电池的放电，脱离石墨，经过电解质溶液和隔膜后，最后镶嵌到正极材料LiCoO2。

3 经济效益

3.1 屋顶光伏站的优势

目前国家鼎力开展新能源发电，国内的光伏发电产业正在逐渐成熟完善，受到光伏组件和逆变器的价格下调，屋顶式光伏发电的安装成本也因此而降低。

屋顶光伏具备很大的发展前景，同时可以很好地顺应光伏行业的发展趋势，做到对电能的自己产，自己用，自己上网，有效地使电能在传输过程中，产生的损耗得到降低，使用电的研发成本得到节约，并且还可以从中获取收益。

3.2 光伏发电量收益

本设计在屋顶安装光伏容量396 kWp，经测量占用屋顶的总面积约10 950 m2，尺寸1650×992×35 mm，地址选为包头市。

通过下面的公式可计算系统发电量：

式中，L是屋顶光伏年发电量，Q是光伏板倾斜面的年总体辐射量，W是屋顶光伏装机容量，η是屋顶光伏系统总效率，H是峰值小时数，因而，经计算得出首年发电量：

由于现阶段的光伏系统技术不完善，一般为10年利用率约为90%，25年利用率约为80%，故经计算得，25年的平均年发电量大约为53.91万kWh。

经查询得知内蒙古自治区的最新光伏上网电价上调至0.2829元/kWh，而如果将屋顶光伏每年发出的电量全部用来接入电网，则平均每年获利大致为15.25万元。

4 结束语

文章简略介绍了光伏板、逆变器的选择，储能电池的充放电原理及选择锂离子电池，同时计算了发电量及产生的经济收益。当然，文章还有些许细节没做到位，有所欠缺，例如，怎样能更好地提高太阳能电池的能量转化利用率，怎样能够使储能效率最大化，如何能使所用的成本最低，怎样做到最经济、实惠等等，在今后的学习中，这些都是需要完善和改进的方向。