分布式并网光伏发电系统设计

杨中华

（华东勘测设计研究院，浙江 杭州310014）

0 引言

近年来，化石能源短缺和生态环境恶化受到了全球持续关注，人们在不断探索研究绿色、环保、可再生新能源的开发和利用，其中也包括太阳能。我国在太阳能光伏（PV）领域的研究和利用也已经进入到快速发展的阶段。

华东地区由于人口稠密，用地紧张，建设大规模太阳能光伏发电场在经济上可行性较差，因此本地区的太阳能光伏利用主要以在大型工业厂房、公共建筑等屋顶建设太阳能光伏发电站的形式出现。此类项目一般位于城市近郊或工业开发区，装机容量通常为0.5～5 MW之间，组件安装一般采用固定式，并网采用0.4 k V或10 k V就近并网方式。现就此类项目的工程设计特殊要点进行一些总结和探讨。

1 系统构成

屋顶太阳能光伏发电系统一般是由屋顶光伏组件阵列、光伏阵列汇流箱、直流配电柜、逆变器、低压交流柜、升压变压器、高压交流柜及电缆组成的多级汇流、逆变、升压、并网系统组成。典型系统框架如图1所示。

光伏阵列汇流箱是一种具有将太阳能电池组件有序连接、汇流和防雷功能的接线装置。该装置能够保障光伏系统在维护、检查时易于分离电路，当光伏组件发生故障时尽量减少退出系统运行的组件数量，是光伏发电系统直流侧的一次汇流设备。光伏阵列汇流箱在屋顶光伏组件方阵场就地室外安装。光伏组件阵列通过汇流箱在室外进行汇流后，经电缆接至机房的直流配电柜进行二次汇流。直流配电柜将二次汇流后的直流电能经电缆送至并网逆变器，经并网逆变器转变为与交流电网同频率、同相位的正弦波电流，再经升压后馈入电网，实现并网发电功能。

2 光伏组件的安装

光伏组件是由若干块晶硅电池或薄膜电池封装组成，安装在建筑物屋顶接受太阳辐射并将其转换为电能的器件。受材料科学技术限制，太阳能电池的转换效率要提高1%～2%非常困难，所以光伏组件的安装对系统效率的提高显得尤其重要。

光伏组件的安装要根据工程所在地的经纬度、地形、建筑朝向等因素因地制宜，使组件尽可能多地接受阳光辐射。

光伏组件的安装主要需确定安装倾角及安装间距。

2.1 光伏组件的安装倾角

由于地球的赤道面和黄道面存在夹角，一年内太阳直射点在南、北回归线之间变化，同一地点不同季节受到最大阳光辐射的角度也会随之变化。因此，要使光伏组件平面上全年接受最大阳光辐射量，光伏组件安装倾角不能简单地等于当地纬度值，也不能以水平面上太阳辐射最低月份（北半球通常是12月）得到最大太阳辐射量所对应的角度作为组件的倾角，因为这样在夏天时，组件平面上受到的太阳辐射量会被大大削弱。

光伏组件的安装倾角应根据当地不同倾角平面上全年平均太阳辐射量来确定。

根据中国国家气象中心发布的1981—2000年《中国气象辐射资料年册》统计整理，我国部分地区光伏组件的最佳安装倾角如表1所示。

表1中的φ是当地纬度；β是并网光伏组件的最佳安装倾角；HT是方组件表面上全年平均辐射量。

2.2 光伏组件的安装间距

分布式光伏发电系统由于受场地限制，一般需要分前后几排安装光伏组件。此时必须在前后排组件之间保持一定的距离。组件方阵前后排之间的距离应保证全年最不利日（即冬至日）当地时间09：00—15：00时段内互不遮挡阳光。

图2为2排组件之间最小距离示意图。

表1 中国部分地区并网光伏系统组件安装最佳倾角

图2 2排组件之间最小距离示意图

由图2所示，根据几何关系可知，2排组件之间的最小距离为：

因此，只要知道工程所在地的纬度，并确定了组件的安装倾角，就可通过上式算出2排组件之间的最小安装间距。

3 直流侧线路压降的控制

光伏组件接受阳光辐射产生的直流电能，需经过2级汇流送至逆变器转化为交流电能，从屋顶光伏组件至逆变器一般采用电缆连接。根据《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》（JGJ203—2010）的要求，直流侧线路损耗应控制在2%以内。

要控制直流线路的损耗，可以从2个方面采取措施：尽量减小从光伏组件至逆变器的线路长度；适当增大电缆截面，减小压降。

3.1 减小从光伏组件至逆变器的线路长度

需分析项目总平面的布置。由于每幢建筑的屋顶面积有限，光伏组件往往会安装在多幢建筑物的屋顶，如果逆变器集中安装在配电房内，需考虑配电房至各建筑物之间线路路径应尽量控制到最小。如果条件允许，逆变器也可以就近安装在各建筑物顶层的房间内。

3.2 适当增大电缆截面

由于各级汇流装置的存在，需将光伏组件之间的连接线、组件至汇流箱、汇流箱至直流配电柜、直流配电柜至逆变器之间的各段电缆分别计算压降，再将各段压降相加。选取合适的各段电缆截面规格，使各段线路压降之和控制在2%以下。

直流线路电压损失计算公式为：

式中，Δu%为线路电压损失百分数；R′0为线路单位长度的电阻（Ω／km）；P为线路输送的直流功率（k W）；l为线路长度（km）；Unph为计算线路传输的直流电压（k V）。

4 防雷及浪涌保护

分布式光伏发电系统的光伏组件安装在建筑屋面，一般都已经装有完善的屋顶防雷系统。设计光伏组件时应采用滚球法复核屋面原有防雷系统是否能保护全部光伏组件，如果有部分光伏组件位于屋面防雷系统保护范围之外，应加装适当的避雷装置，并与原有避雷装置连接。

光伏组件的外框、支架、紧固件等金属材料要采取等电位连接措施，每排（列）金属构件均可靠连接，且与建筑物屋顶避雷装置有不少于2点可靠连接。

现场汇流箱、直流配电柜内汇流母线上应安装符合Ⅰ级分类试验要求的浪涌保护器（SPD），该SPD的标称放电电流应不低于20 k A（10／350μs波形），持续运行电压不低于1.15U0（U0为所连接光伏组件串联后的最大开路电压）。

5 开关站及其他

由于分布式并网光伏发电系统一般安装在已建成的厂区或建筑群内，因此光伏系统的开关站设计往往因规划、用地等原因而做出牺牲，有时甚至只能在厂区角落处设计开关站。这时需要平衡工厂总平面布置和线路敷设等因素，必要时可与建筑业主协商，在已建成的建筑物内划出一部分面积设计开关站。开关站的布置原则应满足《10 k V及以下变电所设计规范》和《低压配电设计规范》要求。

由于逆变器的转换效率一般在96%～98%，损耗部分的能量以热能的形式排放到逆变器室内，因此在较大装机容量的光伏系统，尤其是逆变器集中安装时，应特别注意逆变器室的空调通风设计。

6 存在问题及建议

直流侧的汇流箱、直流配电柜各回路进出线均安装有短路保护电器，且按照规范短路保护电器整定值不低于回路标称短路电流的1.25倍。但根据太阳能电池的特性曲线，其短路电流为一个定值，约为1.05倍额定电流。因此，直流线路安装的短路保护电器实际上并不能实现短路保护的功能，而仅仅是一个开关电器。并且一旦某一个回路发生短路，由于短路电流不大，运行人员很可能不能及时发现，而使故障长期存在，导致系统运行效率降低、光伏组件寿命缩短，甚至扩大故障范围。

因此建议增设一套并网光伏电站电力监控系统，用以监控交、直流侧设备及逆变器各进出线回路的各项电量，采集运行数据，尽早发现故障并定位和排除故障。

［1］杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术［M］.电子工业出版社，2009

［2］中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.中国电力出版社，2005