1 MWp屋頂光伏并網系統設計與分析

李思岑，杜 威，嚴中亮

（1.華南理工大學，廣東 廣州 510640；2.長治供電分公司，山西 長治 046011；3.呂梁供電公司，山西 呂梁 033000）

隨著煤炭和石油等化石能源的大量消耗，不可再生能源正面臨資源枯竭和環境惡化的雙重壓力。大規模開發和利用可再生能源已經成為未來各國能源戰略的重要組成部分。太陽能是最重要的可再生能源之一，由于它具有不需要燃料、不污染環境、運行費用少、維護簡單、可持續利用、無噪聲等優點，是未來能源開發的重點。在各類型太陽能電站中，以屋頂光伏為載體的分布式光伏發電系統已經成為光伏裝機容量增長的一個主要方向，也是我國“十二五”發展規劃中明確鼓勵發展的可再生能源發電方式。2010年，財政部等四部委聯合發布了《關于加強金太陽示范工程和太陽能光電建筑應用示范工程建設管理的通知》，2012年全國僅金太陽工程就批準1.709 GW的屋頂光伏裝機容量。

1 光伏系統總體設計方案

長治某醫院光伏發電系統建設于該醫院辦公樓及住宅樓屋頂，設計容量1 MWp，是經財政部批準立項的金太陽工程示范項目，為山西省首批、長治市首個太陽能示范工程。

1.1 地理條件

光伏電站位于山西省長治市城區，地處北緯31°54'，東經121°9'，地表平均海拔4.96 m，年日照時數1 800 h，年平均日照百分率62%，年平均太陽總輻射量為5 380 MJ/m2，屬太陽能資源較豐富的地區。

1.2 建筑條件

項目所選用的建筑為長治某醫院住宅樓、醫院主輔樓及住院部、車庫屋頂，總面積4 972.45 m2，各廠房建筑物均為坐北朝南，且東、西、南側均無明顯的高大近距離障礙物遮擋屋頂的光照，屋面承重符合要求，可在屋頂架設光伏組件。因此，項目充分利用醫院各類建筑屋頂空間，采取分塊發電、集中并網的方式建設大型太陽能并網光伏電站，所發電能主要滿足醫院自身負載，余量饋入電網。交流防雷配電柜接入0.4 kV配電網。當電網發生故障或變電站由于檢修臨時停電時，光伏電站自動跟蹤保護及時停機不發電，當電網恢復后，經運行人員確認可恢復并網發電。系統原理見圖1。

2 光伏系統結構

光伏發電系統由太陽能電池組件及其支架、方陣防雷接線箱、直流配電柜、光伏并網逆變器、配電保護系統和系統的通訊監控裝置組成[1]。

圖1 光伏電站原理圖

2.1 太陽能電池組件

選擇保定嘉盛光電科技有限公司的YL240P-29b和YL280P-35b兩種型號的240 Wp和280 Wp多晶硅組件，光電轉換效率為16%～17%。主要參數見表1。

系統共使用935塊280 Wp多晶硅標準光伏組件，每17塊組件串聯成一個陣列。使用了3 080塊240 Wp組件，每20塊組件串聯成一個陣列。

2.2 方陣支架

采用自行開發的便捷型太陽能支架，適用于太陽能光伏發電系統，采用有框組件安裝方式。對于行政樓等平面屋頂安裝傾角為5°；對于家屬樓等坡面屋頂直接在屋面平鋪，與屋面間沒有傾角。

表1 太陽能電池組件參數表

2.3 直流防雷匯流箱

匯流箱是光伏發電系統中的重要組成部分，其主要作用是按照一定的串并聯方式將光伏陣列連接到一起，以便對光伏陣列實施監控[2]。系統采用了2種匯流箱 KBT-PVG-10（10進 1出） 和KBT-PVG-12（12進1出），整個并網系統使用了21臺防雷匯流箱。

2.4 直流配電柜

直流配電柜采用南京冠亞電源設備有限公司生產的GD-16DA5Q1-1 000 V型產品。最大直流輸入電壓1 000 V，單回最大輸入電流160 A，具有過流、短路保護和漏電保護、防雷保護等功能。系統配置了3臺直流配電柜。1號、2號配電柜接入11回，3號配電柜接入10回。

2.5 并網逆變器

并網逆變器是連接光伏陣列模塊和電網的關鍵部件，它完成控制光伏陣列模塊運行于最大功率點和向電網注入正弦電流兩大任務[3]。系統選用南京冠亞電源設備有限責任公司生產GSG-250KTT-TV 2臺，額定功率250 kW，GSG-500KTT-TV 1臺，額定功率500 kW。光伏逆變器具有極性反接保護、短路保護、過載保護、接地保護、過/欠電壓保護、過/欠頻率保護、孤島保護、逆向功率保護等功能，裝置異常時能自動脫離系統。逆變器接入電網時，能自動同步。

2.6 數據采集與監控

系統配有完善的通信監控系統，全面檢測環境和系統的狀態，將光照強度、環境溫度、太陽能板溫度、風速等環境變量和系統的電壓、電流、相位、功率因素、頻率、發電量等系統變量通過RS485傳輸至控制中心，實現遠程監控[4]。

3 接入系統方案

根據國家能源局關于太陽能發電的相關政策，國家電網公司于2012年10月26日召開新聞發布會，明確了光伏電站接入系統的一系列原則和辦法。為鼓勵光伏產業發展，光伏電站實行自發自用、余量上網的結算模式，6 MW以下機組執行分布式電源的管理辦法。

3.1 醫院配電網現狀

醫院現為雙電源供電，目前，主供電源為10 kV 554線路，備供電源為10 kV 556線路。兩電源分別取自110 kV城東變電站10 kV I段、II段母線。醫院現有配電變壓器3臺，容量分別為630 kVA、250 kVA、250 kVA，其中630 kVA箱式配電變壓器供醫務樓，目前重載；2臺250 kVA配電變壓器供醫院家屬區居民用電，運行方式為1臺運行、1臺備用；另0.4 kV備用發電機（150 kW）1臺。

經統計，醫院經630 kVA箱式變壓器所帶的公用負荷正常工作日在350 kW至600 kW之間，節假日（含雙休日）負荷在150 kW至300 kW之間。250kVA變壓器所帶的負荷在100kW至200kW之間。醫院電氣主接線圖（現狀）見圖2。

圖2 醫院電氣主接線圖（現狀）

3.2 周邊電源點分析

醫院1MWp光電項目周圍主要電源點有110 kV城東變電站、10 kV景家莊開閉所。

110 kV城東變電站位于長治城區東部，在醫院東部，距醫院約2.5km，電壓等級為（110/35/10）kV，變壓器容量為2×40 MVA。110 kV、35 kV、10 kV均為單母分段接線方式。110 kV進出線2回，分別為康莊220 kVA站，石槽110 kV站；35 kV出線3回，10 kV出線16回。10 kV現已無備用間隔位置。

10 kV景家莊開閉所位于醫院西北部，距醫院約0.8 km，有備用間隔2回。

10 kV 556線路從城東110 kV站II段母線出線，為沿線用電客戶供電，線路為JKLYJ-240型絕緣導線，負載2300kW，目前醫院T接于此線路。

10 kV 554線路從城東110 kV站I段母線出線，為用戶專用供電線路，導線型號JKLYJ-185型絕緣導線，負載為3 300 kW，目前醫院T接于此線路。

10 kV 561電北KBI回線路從城東110 kV站II段母線出線，經醫院西側路口，導線型號JKLYJ-240型絕緣導線，負載為2 940 kW。

3.3 接入方案比較分析

光伏電站的安全、經濟運行需要一個優化合理的接入方案，方案制定不合理會造成安全隱患、管理困難、計量缺陷、光伏棄電、加重用戶投資負擔等問題。因此，作為電網公司來說，支持光伏產業的健康發展，首先應該做好接入系統方案的設計。

3.3.1 電壓等級的確定

根據機組容量，1 MWp光伏電站應從10 kV或380 V電壓等級并網。

3.3.2 并網點選擇

根據光伏電站的性質和周邊電源點情況，宜從用戶內部配電網并網或并網于周邊公用線路。

3.3.3 方案一

采用10 kV和380 V兩個電壓等級，在用戶內部配電網并網。接入方案見圖3。

圖3 方案一并網示意圖

光伏電站2×250 kW逆變器由AC380 V經升壓變壓器升壓至10 kV，經單回10 kV線路接入用戶10 kV箱式變電站10 kV母線，光伏電站500 kW逆變器由AC380 V經單回0.4 kV線路至用戶10 kV箱式變電站0.4 kV母線。

由于用戶630 kVA箱式變壓器為降壓變壓器，為防止光伏電站所發功率反送，在630 kVA變壓器低壓側開關處加防逆流裝置。

用戶箱式變壓器變高壓側的兩個負荷開關需要更換為斷路器，以便安裝繼電保護裝置。城東變電站10 kV 556、10 kV 554線路處口斷路器加裝方向保護。計量點安裝于10 kV 556線路和10 kV 554線路與用戶線路的T接點處。

3.3.4 方案二

采用10 kV和380 V兩個電壓等級，部分在用戶內部配電網并網，部分直接在公用線路上并網。接入方案見圖4。

圖4 方案二并網示意圖

光伏電站2×250 kW逆變器由AC 380 V經升壓變壓器升壓至10 kV，經單回10 kV線路接入公用線路10 kV 561線，光伏電站500 kW逆變器由AC 380 V經單回0.4 kV線路至用戶10 kV箱式變電站0.4 kV母線。

由于用戶630 kVA箱式變壓器為降壓變壓器，為防止光伏電站所發功率反送，在630 kVA變壓器低壓側開關處加防逆流裝置。

需在10 kV用戶并網線路的斷路器上加裝繼電保護裝置，城東變電站10 kV 561線路處斷路器加裝方向保護。計量點安裝于10 kV 561線路與用戶線路的T接點處。

3.3.5 方案三

采用380 V電壓等級，在用戶內部配電網并網。接入方案如圖5所示。

光伏電站2×250 kW逆變器和500 kW逆變器均由AC380 V經各自的一回0.4 kV線路至用戶10 kV箱式變電站0.4 kV母線。

由于用戶630 kVA箱式變壓器為降壓變壓器，為防止光伏電站所發功率反送，在630 kVA變壓器低壓側開關處加防逆流裝置。

計量點安裝于10 kV 556線路和10 kV 554線路與用戶線路的T接點處，并在用戶箱式變壓器高壓側的兩個斷路器（更換后）處加裝兩套雙向計量表計。這兩個表計的下網電量反映了醫務樓使用的系統提供的工商業電量數值，在T接點處計量的下網電量反映了醫院整個使用的系統電量的數值，兩者相減即為醫院家屬樓使用的系統電量的數值。

圖5 方案三并網示意圖

3.3.6 方案四

采用10 kV電壓等級，在用戶內部配電網并網。接入方案見圖6。

圖6 方案四并網示意圖

光伏電站2×250 kW逆變器由AC 380 V經500 kVA升壓變壓器升壓至10 kV，經單回10 kV線路接入用戶箱變10 kV母線，光伏電站500 kW逆變器經另1臺500 kVA升壓變壓器升壓至10 kV，經單回10kV線路接入用戶箱變10kV母線。

用戶箱式變壓器高壓側的兩個負荷開關需要更換為斷路器，以便安裝保護裝置。城東變電站10 kV556、10 kV554線路處斷路器加裝方向保護。

表2 各并網方案綜合比較表

3.3.7 各方案綜合比較

確定并網方案需要從政策、技術、經濟、管理等各方面進行綜合比較分析，表2中從并網電壓等級、結算模式、電站棄電、并網投資、計量、并網繼電保護等多方面對四個方案進行了比較分析。

從符合國家節能減排的能源政策的角度出發，應盡量實現用戶光伏電站的自發自用，因此方案二不可取，同時，應盡量避免光伏電站大量棄電，因此方案三不可取。方案的取舍重點在方案一和方案四之間。

方案一和方案四的區別主要在于500 kW的逆變器送出電力方案一直接于630 kVA箱式變壓器低壓側，供公用負荷，而方案四是經500 kVA升壓變壓器升壓后接于630 kVA箱式變壓器高壓側，經箱式變壓器降壓后再供公用負荷使用。

方案一的缺點是存在節假日棄電現象。由于醫院的公用負荷在不斷變化中，而光伏電站所發電力受到季節、天氣、溫度等多方面的影響，因此丟棄的電量只能進行估算。經測算，電站的發電效率系數為0.797 1，500 kW逆變器所送電力實際最大值為400 kW,結合4.1中所述的負荷統計結果，在工作日，基本沒有棄電現象，而節假日棄電占比可達1/3，全年丟棄電量約3.6萬kW·h。

方案四的缺點是存在先升壓后降壓的主變損耗，經測算，升壓變壓器加降壓變壓器的總損耗為2.6%，按500 kW逆變器全年送出電量660 MW·h計算，全年多損電量1.7萬kW·h。由于電站的運行年限將達25 a，因此，綜合比較，方案四的經濟性優于方案一。接入系統方案最終選擇為方案四。

4 結束語

光伏發電提供了解決能源短缺問題的有效途徑，屋頂光伏并網電站由于不占用土地、不污染環境、具有建筑節能效果等優點備受青睞。1 MWp屋頂光伏電站設計中應注意光伏電站功能的完備性和各環節的參數匹配。光伏電站的接入系統方案對光伏電站的順利并網和經濟穩定運行具有至關重要的作用，在接入系統方案的設計中應考慮技術、效益、政策落實等多方面的因素，既能滿足電網安全性的要求，又能最大限度地發揮光伏電站的效能，還能夠節省電網和用戶的投資。

［1］ 王斯成.光伏建筑與光伏建筑設計［M］.北京：國家發改委能源研究所，2009：20-24.

［2］ 楊貴恒，強生澤，張穎超，等.太陽能光伏發電系統及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2011：217-218.

［3］ 趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2003.

［4］ 賴江軼.太陽能發電監測系統的設計與實現［M］.北京：北京郵電大學，2010：17-23.