摘要：當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用日趨成熟，本文對民用建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成、設(shè)計要點、并網(wǎng)方案進(jìn)行了研究，結(jié)合某小區(qū)的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計分析了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)優(yōu)勢和效益，提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的可行性的設(shè)計方法，進(jìn)行電氣設(shè)計和并網(wǎng)設(shè)計，旨在為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)設(shè)計；分布式光伏系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；儲能

1引言

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特原理而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。無論從世界還是從中國來看，常規(guī)能源都是很有限的。中國的一次能源儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的百分之十。太陽能，取之不盡，且具有清潔性、安全性、相對的廣泛性、長壽命性和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。在《新能源法》及配套政策的支持下，我國光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)和成本均已形成一定的國際競爭力。

2013發(fā)布的《光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，明確鼓勵了建設(shè)各類分布式光伏。發(fā)電系統(tǒng)，但我國民用建筑光伏系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用才剛剛起步，民用建筑光伏系統(tǒng)的電氣設(shè)計經(jīng)驗尚且不足，阻礙了分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，使民用建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計如何更好的結(jié)合我國國情已經(jīng)成為了研究的重要點，隨著由國家推動建設(shè)綠色環(huán)保型建筑的步伐不斷進(jìn)步，分布式光伏系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的“中國化"指日可待，這必將在減少污染物排放、建設(shè)環(huán)保節(jié)約型社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)中發(fā)揮巨大作用。本文對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合某住宅小區(qū)的電氣設(shè)計和并網(wǎng)設(shè)計，進(jìn)行在用建筑中的應(yīng)用研究。

2系統(tǒng)組成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備。其運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成，交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。如何將其應(yīng)用在民用建筑上，需從光伏方陣、儲能裝置和逆變器。

2.1光伏方陣

光伏方陣(PV Array)又稱光伏陣列，是由若干個光伏組件或光伏板在機(jī)械和電氣上按一定方式組裝在一起并且具有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元。其基本發(fā)電單元是光伏電池，工程上往往將若干 個光伏電池串并聯(lián)后封裝成光伏組件來提高功率，再按照不同的需要進(jìn)行串并聯(lián)和線路設(shè)計就組成了滿足不同設(shè)計要求的光伏方陣。在實際應(yīng)用中，光伏方陣常出現(xiàn)熱板效應(yīng)，當(dāng)某個電池出現(xiàn)故障導(dǎo)致輸出功率大幅減小時，此時該電池相當(dāng)于一個電阻，消耗其它光伏電池產(chǎn)生的能，熱功率加大從而溫度上升。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要在光伏電池的串聯(lián)線路上安裝旁路二及管作為電流能夠繞過障礙電池的備用通路，接入住宅小區(qū)需要做繼電保護(hù)和計量設(shè)計。

2.2儲能裝置

光伏發(fā)電的特性具有不穩(wěn)定性，作為民用建筑使用，從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度分析，不加儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對線路潮流、系統(tǒng)保護(hù)、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電能質(zhì)量和運(yùn)行調(diào)度等方面產(chǎn)生不利影響，目前解決光伏電站對電網(wǎng)影響的途徑是提高電網(wǎng)活躍性或為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置。常見的儲能裝置有蓄電池、超導(dǎo)磁和超電容等幾種方式，其中蓄電池能夠為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能供應(yīng)，故蓄電池成為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的儲能裝置。

2.3逆變器

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大主要部件之一，光伏逆變器的核心任務(wù)是跟隨光伏陣列的大輸出功率，并將其能以小的變換損耗、好的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。根據(jù)功率等級、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場合不同，一般可分為集中型逆變器、組串型逆變器和微型逆變器三種類型。其中集中型逆變器具有初始投資小、運(yùn)維穩(wěn)定方便、單機(jī)功率大等特點，是目前大部分中大型光伏電站的重要選擇，在全球5MW以上的光伏電站中，其選用比例超過百分之九十八。

3住宅小區(qū)分布式光伏的電氣設(shè)計

3.1光伏方陣設(shè)計

光伏方陣的設(shè)計主要包括了結(jié)合住宅小區(qū)進(jìn)行布置，考慮朝向、間距和布局三個方面。光伏方陣的朝向通常指光伏方陣的方位角和光伏組件的傾角。通常情況下，在北半球組件方位角為正南時，光伏組件能夠接受的太陽輻射量大。較好的傾角的計算需要考慮連續(xù)性、均勻性和較大性三個方面，其中連續(xù)性是由氣象資料查得某個地點的各月水平輻射總量較大的位置，當(dāng)方位角偏離正南方向時，組件的較佳傾角隨方位角的增加而減小。均勻性是指選擇傾角時，較好能使方陣面上全年接收到的平均日輻射量比較均勻，比較接近，以免造成夏天較大的浪費。較大性是指選擇傾角時，還應(yīng)盡量使方陣面上在冬季的平均日輻射量達(dá)到較大值，同時兼顧到全年平均日輻射不能太小?？紤]本次設(shè)計是嘉興某小區(qū)，其方陣的間距主要考慮冬季時太陽高度較低，后排方陣容易被前排遮擋。相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，為了確保在日出后或日落前3小時在冬至日后排方陣不被前排方陣遮擋，即保證全年每天中當(dāng)?shù)貢r間的上午9時至下午3時之間光伏組件無陰影遮擋，此次傾角設(shè)計為32?。另外在方陣設(shè)計過程中要計算方陣的較小間距。實際情況下，周邊環(huán)境如建筑的改造、植被生長等往往難以預(yù)知，所以在設(shè)計時還需要預(yù)留出一部分面積作為“緩沖帶"。

3.2逆變器設(shè)計

逆變器的設(shè)計需要在光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)尋找總發(fā)電量和總成本的平衡點，還要考慮電網(wǎng)接入，如故障穿越能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)性等方面的要求。依據(jù)各種逆變器的特點，結(jié)合所應(yīng)用的光伏電站實際情況，從電網(wǎng)友好、方便建設(shè)維護(hù)等方面進(jìn)行科學(xué)合理的選用。逆變器常采用被動與主動相結(jié)合的孤島效應(yīng)保護(hù)措施，當(dāng)檢測到公共電網(wǎng)失壓后，將立刻切斷與電網(wǎng)的聯(lián)結(jié)，避免電能輸送，當(dāng)逆變器檢測到公共電網(wǎng)恢復(fù)后，不會馬上輸送電能，而是對電網(wǎng)進(jìn)行一定時間(通常為180s)的監(jiān)測，確保系統(tǒng)線路穩(wěn)定后才入網(wǎng)。

4住宅小區(qū)并網(wǎng)設(shè)計

4.1并網(wǎng)設(shè)計

民用建筑光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計、方案劃分、繼電保護(hù)計量。其中，民用建筑光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計方案通常有以下三種(表1)。嘉興某小區(qū)供電電源由市政提供，電壓等級為10KV，計劃將變電站設(shè)在小區(qū)地下一層，主電纜經(jīng)室外引至各樓配電室，即采用方案3的設(shè)計方案。光伏系統(tǒng)在小區(qū)地下一層進(jìn)行380V/220V配電室處并網(wǎng)，優(yōu)先向儲能設(shè)備供電，剩余電接入10KV中壓變電站380V母線，經(jīng)變壓器升壓后接入10 KV公共電網(wǎng)。并網(wǎng)配電柜采用單母線接線，如圖1所示。

4.2繼電保護(hù)和計量裝置設(shè)計

對該小區(qū)的發(fā)電系統(tǒng)選用瑞士ABB的微型斷路器，利用斷路器的脫扣特性和寬范圍的電流等級為小區(qū)分布式發(fā)電系統(tǒng)提供過載和斷路保護(hù)，并且配備母線保護(hù)裝置和孤島檢測裝置的逆變器裝置。在并網(wǎng)點設(shè)置并網(wǎng)電能表，在產(chǎn)權(quán)分界點設(shè)置關(guān)口計量電能表，電能表采用靜止式多功能型，具備電流、電壓、電量等信息和三相電流不平衡監(jiān)測功能，采集的信息分別接入管理部門和光伏發(fā)電管理部門，為電能計量和電價補(bǔ)貼提供依據(jù)。

表1分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計方案

5 Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

安科瑞作為一家致力于智能電網(wǎng)用戶端智能電力監(jiān)控和電能計量管理的研發(fā)與運(yùn)用。其應(yīng)用于光伏發(fā)電站的產(chǎn)品包括光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)、光伏運(yùn)維云平臺、智能通信管理機(jī)、電能質(zhì)量監(jiān)測和治理裝置、微機(jī)保護(hù)裝置等儀表和裝置產(chǎn)品。

安科瑞的Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)可對用戶光伏發(fā)電、用電進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維，滿足用戶可靠、安全、節(jié)約、效率、有序用電的要求。對用戶提供運(yùn)維服務(wù)，實現(xiàn)能源互聯(lián)，信息互通，打破信息孤島；根據(jù)用電設(shè)備負(fù)荷重要性分級管理，錯峰有序用電。同時，該系統(tǒng)滿足GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運(yùn)維技術(shù)規(guī)范》中對運(yùn)維子站的相關(guān)技術(shù)要求。

5.1 Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的特點

輸出功率相對較小。容量在數(shù)千瓦以內(nèi)。污染小，環(huán)保效益突出。發(fā)電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產(chǎn)生污染。能夠在一定程度上緩和局地的用電緊張狀況。發(fā)用電并存。分布式光伏發(fā)電是接入配電網(wǎng)，發(fā)電用電并存，且要求盡可能地就地消納。

平臺管理層：

5.2 系統(tǒng)功能

5.2.1 實時監(jiān)測

Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。同時可以設(shè)計整體界面，供用戶選擇對應(yīng)配電房對應(yīng)光伏組件或高壓部分進(jìn)行查看。

5.2.2逆變器監(jiān)視

在逆變器監(jiān)控圖中，可以直接查看該回路詳逆變器的交直流兩側(cè)電壓電流情況、輸入功率、輸出功率、逆變器的溫度等信息。并根據(jù)項目光伏發(fā)電實際接入情況，分開查看對應(yīng)光伏逆變器組件數(shù)據(jù)。

5.2.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。

5.2.4曲線查詢

在曲線查詢界面可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等曲線。 

在“雙碳"背景下，隨著分布式新能源的廣泛建設(shè)，分布式光伏接入配電網(wǎng)后勢必產(chǎn)生的電壓問題，因此在發(fā)展分布式光伏并網(wǎng)過程中需要一套安全可靠的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，為用戶、電網(wǎng)助力分布式光伏高比例有序并網(wǎng)，強(qiáng)化分布式光伏的統(tǒng)一管控，推動分布式光伏和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，搭建數(shù)據(jù)透明、調(diào)控便捷、能源互動的新型分布式新能源調(diào)度管理體系。

6 相關(guān)硬件配置

6.1ANET2E4SM智能通信管理機(jī)

ANet-2E4SM模塊化能源網(wǎng)關(guān)是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機(jī)，將傳統(tǒng)管理機(jī)的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標(biāo)準(zhǔn)智能通信管理機(jī)獨立工作，整個設(shè)備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)，標(biāo)配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關(guān)量信息，可通過有線網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴(kuò)展，增加更豐富的應(yīng)用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

6.1.1 ANET2E4SM智能通信管理機(jī)特點

模塊化可靈活擴(kuò)展8路無源干接點開關(guān)量采集，可實時采集儀表、門禁、水浸、煙感等開關(guān)量信息

1個主Lora選配內(nèi)嵌模塊可無線采集32個從Lora儀表，免于布線實現(xiàn)快速部署，可擴(kuò)展1個4G全網(wǎng)通無線模塊，提供4G上傳及4G無線路由功能可擴(kuò)展3個485串口模塊，每個串口模塊提供4個RS485串行接口。

可擴(kuò)展1個USB無線網(wǎng)卡，支持接入wifi無線網(wǎng)絡(luò)，可支持wifi儀表的數(shù)據(jù)采集或wifi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳

支持掉電后運(yùn)行5秒以上時間，并支持運(yùn)維等協(xié)議的掉電報警需求

所有擴(kuò)展模塊都可單獨采購，更能方便現(xiàn)場環(huán)境改造及業(yè)務(wù)擴(kuò)容，節(jié)省成本硬件篇技術(shù)參數(shù) 指標(biāo)電壓/功耗DC12V～36V小于10W處理器ARM32位Cortex-A7內(nèi)核，528MHz存儲內(nèi)存 256MB，DDR3內(nèi)存+256MB，NANDFlash電子硬盤串行接口主模塊：4路光耦隔離RS48+1路 RS232(調(diào)試口)以太網(wǎng)接口2路 10/100M自適應(yīng)Lora無線選配，1路，載波頻率410MHz~525MHz，Lora調(diào)制方式USB，HOST1路USB2.0高速接口，支持接入U盤作斷點續(xù)傳或無線wif網(wǎng)卡（選配）

6.1.2 產(chǎn)品圖片

6.2 DJSF1352型電子式直流電能表

6.2.1 概述

DJSF1352型電子式直流電能表采用液晶顯示，具有RS485功能可與微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。產(chǎn)品由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通訊單元、顯示單元等組成，具有電能測量、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)測等功能。DJSF1352-RN導(dǎo)軌式直流電能表帶有雙路直流輸入，主要針對電信基站、直流充電樁、太陽能光伏等應(yīng)用場合而設(shè)計，該系列儀表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等。在實際使用 現(xiàn)場，即可計量總電能，又可計量規(guī)定時間段內(nèi)的電能。檢測的結(jié)果既可用于本地顯示，又能與工控設(shè)備、計算機(jī)連接，組成測控系統(tǒng)。儀表可具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645-97(07)協(xié)議；可帶繼電器報警輸出和開關(guān)量輸入功能；根據(jù)不同要求，通過儀表面板按鍵，對變比、報警、通訊進(jìn)行設(shè)置；具有開關(guān)量事件記錄（Modbus協(xié)議）、編程和事件設(shè)置記錄（645協(xié)議）、數(shù)據(jù)瞬時和定時凍結(jié)功能（645協(xié)議）、電壓電流功率最大值、最小值記錄功能。

6.2.2 產(chǎn)品圖片

【參考文獻(xiàn)】

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[2]肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)能,2010(2):12-18.

[3]楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2014.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11月版 

作者介紹：

虞佳豪，男   現(xiàn)任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電能計量管理與保護(hù)。

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