“太阳能社区”光伏微电网系统设计*

杜伟伟 ， 严 鑫

（黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002）

1 光伏微电网系统设计的背景及意义

1.1 设计背景

21世纪是一个能源竞争激烈的世纪，一次性能源逐渐衰竭，寻找新的可替代能源是当今世界各国亟待解决的课题。光伏产业的飞速发展，使得光伏应用技术不断进步，光伏产品逐渐向民用化、集成化方向发展[1]。近年来，太阳能光伏发电技术发展迅速，相关制造产业和开发利用规模逐渐扩大，已经成为可再生能源发展的重要领域。

2021年全国两会上，“碳达峰”“碳中和”被首次写入政府工作报告，承诺2030年前，二氧化碳的排放达到峰值后逐步降低，企业、团体通过植树造林、节能减排等形式抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。本设计是将光伏发电结合电力用户用电需要，探索在广大城镇和农村的各种建筑物和公共设施上推广分布式光伏系统，立足当前，着眼未来，建设资源节约型、环境友好型社会，实现绿色低碳发展的一个具体实践。

1.2 设计意义

光伏发电成本的降低使“太阳能社区”推广成为可能，国家的政策支持为“太阳能社区”推广提供了有力保障，随着光伏发电在社区的广泛应用，将大大提高我国绿色能源在电力能源乃至整个社会能源领域的占比，真正实现节能环保。本设计对“太阳能社区”光伏微电网系统建设中的发配电系统图、光伏组件选型及安装、电能计量方式、储能系统、并网条件等进行了较为系统的设计，今后可以在社区广泛推广应用，也可以应用于学校、机关、工厂、大型商场、酒店等场所。

2 “太阳能社区”设计总体概述

光伏发电系统（PV System）是将太阳能直接转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。系统主要部件包括太阳能电池、控制器、蓄电池、逆变器和负载。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。

首先对黄冈市黄州区东门华府社区进行实际调查，掌握黄冈市普通社区的具体用电负荷和配电情况，测算东门华府社区太阳能电池安装面积，进行太阳能电池选型并计算社区光伏总发电容量。其中，重点设计了社区光伏系统发电配电主接线图，分别考虑了屋顶公共太阳能发电系统、每家每户墙面和窗玻璃上安装的太阳能发电系统接入电网的方式和计量方式，为“太阳能社区”应用推广提供较为全面的设备选型、安装、系统电路图等资料。

3 光伏微电网系统组成

3.1 光伏发电系统总体结构

光伏发电系统运行方式是逐渐发展的，近年来光伏系统的应用主要分为离网光伏运行系统、集中式并网系统、混合系统和分布式并网系统四种类型[2]。本次的研究对象是居民小区的光伏发电系统，因为小区的用电负荷主要集中在晚上，而光伏发电系统主要是白天发电，所以考虑到系统的综合经济效益，应该采取发电自用、余电上网的运行模式。因此，社区光伏发电系统采用带蓄电池储能的分布式并网发电系统。

3.2 光伏电池组件

3.2.1 光伏电池组件的选型

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，用于把太阳的光能直接转化为电能，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。单体太阳电池由于输出电压低，不能直接作为电源使用，必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成光伏电池组件[3]。目前，光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池组件。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。综合比较，屋顶和墙面采用多晶硅光伏电池。

3.2.2 光伏电池组件的安装

为了保证系统有足够高的效率，电池板必须按一定的倾角安装。要先确定太阳能电池最佳倾角，这个倾角可以保证在中午12点左右的时候，太阳光基本直射电池板板面，以此来提高辐照强度，辐照强度越大则电池板的效率越高。查得黄冈地区该角度为71°，因此太阳能电池方阵的倾斜角为19°。

在屋顶安装光伏电池方阵时，要考虑的是光伏阵列的最小间距。因为如果方阵前面有树木或建筑物等遮挡物时，其阴影会挡住方阵的阳光，先计算遮挡物阴影的长度，以确定方阵与遮挡物之间的最小距离，最后确定相邻两排方阵之间最小距离[4]。

3.3 太阳能控制器

1）直充保护。直充也叫急充，属于快速充电，一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高的电压对蓄电池充电，但是，当充电时蓄电池端电压高于保护值时，应停止直充，否则会造成过充电，对蓄电池是有损害的。

2）均充控制。直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态，使所有的电池端电压具有均匀一致性。

3）浮充控制。均充完毕后，蓄电池也被静置一段时间，使其端电压自然下落，当下落至“维护电压”点时，就进入浮充状态，类似于“涓流充电”（即小电流充电），电池电压一低就充上一点，一股一股地来，以免电池温度持续升高。这对蓄电池来说是很有好处的，因为电池内部温度对充放电的影响很大。

4）过放保护。电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量明显减少。

4 “太阳能社区”系统集成方案设计

4.1 储能系统接入方案设计

储能系统并网方案：

大规模光伏电站接入增加之后，电网势必需要储能来提高它的接纳能力。因此，我国现在需要完善的储能接入技术标准，从而推动大容量储能技术及储能接入的产业化进程。目前，国内的储能系统并网主要分为交流侧和直流侧并入两种并网方式。

1）交流侧并入是将储能系统经逆变器之后接于并网系统的交流侧，光伏组件和储能系统分别经逆变器接入到系统的交流侧。经过统一的调度和控制，继而以平滑光伏组件的输出，并最终将电能安全平稳地送入电网。因为储能接入技术较少应用于光伏并网系统中，而对光伏组件及储能进行交流侧的协调控制的技术相对复杂，目前还处于研发阶段，尚无法提出完善的控制策略。所以现在对储能的控制由电网调度来完成，但是，这种接入方式需要的储能系统容量较大，而且成本较高，基本用于兆瓦级以上光伏电站。

2）直流侧并入是指储能系统经过光伏控制器接入到系统直流侧，然后经逆变器最终并入电网。光伏组件产生的电能存入储能系统，储能会将电能稳定地送入电网。电能经光伏控制器后，平稳地为储能充电，并以功率可控的形式按需送入电网。这种接入方式具有更高的灵活性，因为储能对系统输出的平滑程度由储能的接入比例决定，它所需电池的容量较低，而且不需复杂的控制，在分布式系统中将发挥重要作用[5]。

在此10 kW光伏并网系统中将以直流侧接入的方式设计储能接入方案。将储能看成一个稳定的电压源，储能电池可以平稳地充放电，电压的波动范围相对较小，可抑制由于光照等引起的功率波动。

当光伏组件发出的功率大于电网需要的功率时，电能除了送入电网，多余的还能给储能电池充电。在光照不足时，光伏组件发出的功率无法满足电网的需求，此时储能系统将放电。由于光照变化等原因，光伏组件出现功率波动时，锂电池的储能系统的电流变化的时间几乎为零，所以并网系统仍可平稳地输出功率，若储能系统的电量过低，无法向电网持续提供电能时，系统将停止光伏并网系统发电。

4.2 并网条件

4.2.1 电能质量

光伏系统输出的电能质量都应该受控并且要满足要求、符合标准，其中主要包括电压偏差、频率、谐波和功率因数等几个参量。当出现偏离标准的越限状况时，系统应能准确检测到这些偏差并及时将光伏系统与电网安全断开。

1）电压偏差。为了保证当地交流负载正常工作，光伏系统中逆变器的输出电压要与电网相匹配。正常运行时，光伏系统和电网接口处的电压允许偏差应符合GB/T 12325—2008标准的规定，即10 kV及以下三相电压的允许偏差值为额定电压的±7%，220 V单相电压的允许偏差值为额定电压的-10%～+7%。

2）频率。光伏系统与电网相连接时，应保证系统与电网同步运行。电网的额定频率为50 Hz，光伏系统并网后的频率允许偏差应符合GB/T 15945—2008标准的规定，即允许偏差为±0.5 Hz。

3）谐波和波形畸变。低的电流谐波和电压谐波水平是所希望的；较高的谐波可能会对所连接的设备产生有害影响。谐波电压和电流的允许水平应取决于配电系统的特性、供电类型、所连接的负载/设备，以及电网的现行规定。光伏系统的输出要有较低的电流畸变，以避免对与电网连接的设备造成不利影响。

4）功率因数。当光伏系统中的逆变器输出大于其额定输出的50%时，平均功率因数应该不小于0.9（超前或滞后）。

4.2.2 防孤岛效应

当太阳能发电系统接入的电网失压时，必须在规定的时限内将光伏系统与电网断开，防止孤岛效应的出现。因此，应设置至少各一种主动和被动防孤岛效应保护。

主动防孤岛效应的保护方式主要有频率偏离、无功功率变动、有功功率变动、电流脉冲注入引起阻抗变动等。被动防孤岛效应的保护方式主要有电压相位跳动、频率变化、三次电压谐波变动率等。

当电网失压时，防孤岛效应的保护应该在2 s内动作，将光伏系统与电网断开。光伏系统与电网断开不应包括用于监测电网状态的主控电路和监测电路。

由于超限状态而导致光伏系统停止向电网送电后，在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20 s到5 min时间内，光伏发电系统不应向电网送电。光伏发电（即静止式发电）的启动和再并网是通过逐步调节电气量，从无负荷状态到带负荷状态。

在电网短路时，逆变器检测的过电流应不大于额定电流的150%，此时短路保护动作，并在0.1 s以内将光伏系统与电网断开。在并网运行时，短路电流不应该超过任何断路器的开断电流和容量。

4.3 配电系统方案设计

4.3.1社区光伏发电系统运行方式

为了保证社区供电的可靠性，以及对后续的大型光伏发电系统设计、运行提供技术支持和实验条件支撑，故本方案中拟用带有蓄电池的并网光伏发电系统，如图1所示，其具体优势如下：

图1 太阳能社区分布式并网运行方式

1）分布式安装，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御不利环境的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

2）系统稳定，与电网一起工作，使所有用电器在太阳能发电较少的情况下，直接转用市电，两个系统互为补充，安全可靠。

3）两种运行方式，系统可以运行在两种的运行方式中，当市电正常时候，光伏电池对负载供电；当市电停电时候，断开市电，由蓄电池组和光伏电池对负载供电。

4）当社区太阳能电池晴天发的电大于晚上用电量时，而本系统设计了储能设备，这样就可以减少电网向系统输送的电能，从而节约用电成本。

5）由于不受蓄电池容量的限制，光伏发电系统所发的电力可以全部得到利用。

6）可起调峰作用。联网太阳能光伏发电系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景可观。

4.3.2 社区用电计量方式

1）公共设施用电计量。为便于计量，社区所有公共设施用的电能汇集到配电房，然后需要在电网与公共设备、屋顶光伏发电系统与公共设备之间各安装一个单向电能表，用来计量公共设施分别使用了多少太阳能发的电和公共电网的电量，最后由社区物业中心缴纳电费。

2）各家庭用电计量。本方案中家庭用电拟采用“上网电价”的方式计量，将光伏系统输出端连接在进户电表之前，为便于统计用电量，采用具有双向计量功能的电能表。那么在整个系统接线中，首先每个家庭需要安装一个双向的电能表，用它来计量每家使用电网的电量以及墙面光伏电池的多余电能卖给电网的电量，然后在屋顶光伏线路与电网之间安装一个单向电表，用来计量屋顶光伏发电系统卖给电网的电量。

5 总结与展望

现阶段，我国在光伏发电民用方面还处于初级应用阶段，缺乏成套的政策来规范这方面的建设。随着技术的不断进步，预计2030年以后光伏发电成本会大幅降低。当前，光伏发电民用化已经成为可能，而本次设计正是以“太阳能社区”光伏微电网的建设来体现这种民用化，为以后太阳能光伏系统在社区推广提供思路和借鉴。