淺談分布式光伏發電系統在建筑設計的應用研究及光伏監控系統的設備選型

摘要：當前分布式光伏發電系統在建筑設計中的應用日趨成熟，本文對民用建筑分布式光伏發電系統的組成、設計要點、并網方案進行了研究，結合某小區的發電系統設計分析了分布式光伏發電系統的并網優勢和效益，提出了光伏發電系統在建筑設計中的可行性的設計方法，進行電氣設計和并網設計，旨在為分布式光伏發電系統在建筑設計中的進一步推廣和應用提供參考。

關鍵詞：光伏發電；并網設計；分布式光伏系統；物聯網；儲能

1引言

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特原理而將光能直接轉變為電能的一種技術。無論從世界還是從中國來看，常規能源都是很有限的。中國的一次能源儲量遠遠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、長壽命性和免維護性、資源的充足性及潛在的經濟性等優點，在長期的能源戰略中具有重要地位。在《新能源法》及配套政策的支持下，我國光伏產業快速發展，光伏發電技術和成本均已形成一定的國際競爭力。

2013發布的《光伏產業健康發展的若干意見》，明確鼓勵了建設各類分布式光伏。發電系統，但我國民用建筑光伏系統的推廣和應用才剛剛起步，民用建筑光伏系統的電氣設計經驗尚且不足，阻礙了分布式光伏發電技術的發展，使民用建筑光伏發電系統的設計如何更好的結合我國國情已經成為了研究的重要點，隨著由國家推動建設綠色環保型建筑的步伐不斷進步，分布式光伏系統在建筑設計中的“中國化"指日可待，這必將在減少污染物排放、建設環保節約型社會、實現可持續發展的目標中發揮巨大作用。本文對分布式光伏發電系統結合某住宅小區的電氣設計和并網設計，進行在用建筑中的應用研究。

2系統組成

分布式光伏發電系統的基本設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、并網逆變器、交流配電柜等設備。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成，交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節。如何將其應用在民用建筑上，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構而構成的直流發電單元。其基本發電單元是光伏電池，工程上往往將若干 個光伏電池串并聯后封裝成光伏組件來提高功率，再按照不同的需要進行串并聯和線路設計就組成了滿足不同設計要求的光伏方陣。在實際應用中，光伏方陣常出現熱板效應，當某個電池出現故障導致輸出功率大幅減小時，此時該電池相當于一個電阻，消耗其它光伏電池產生的能，熱功率加大從而溫度上升。為了避免這種現象的出現，需要在光伏電池的串聯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，接入住宅小區需要做繼電保護和計量設計。

2.2儲能裝置

光伏發電的特性具有不穩定性，作為民用建筑使用，從電網安全、穩定、經濟運行的角度分析，不加儲能的光伏并網發電系統將對線路潮流、系統保護、電網經濟運行、電能質量和運行調度等方面產生不利影響，目前解決光伏電站對電網影響的途徑是提高電網活躍性或為并網光伏電站配置儲能裝置。常見的儲能裝置有蓄電池、超導磁和超電容等幾種方式，其中蓄電池能夠為光伏發電系統提供持續穩定的電能供應，故蓄電池成為分布式光伏發電系統中應用廣泛的儲能裝置。

2.3逆變器

光伏逆變器是光伏發電系統兩大主要部件之一，光伏逆變器的核心任務是跟隨光伏陣列的大輸出功率，并將其能以小的變換損耗、好的電能質量饋入電網。根據功率等級、內部電路結構及應用場合不同，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、運維穩定方便、單機功率大等特點，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住宅小區分布式光伏的電氣設計

3.1光伏方陣設計

光伏方陣的設計主要包括了結合住宅小區進行布置，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性、均勻性和較大性三個方面，其中連續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，還應盡量使方陣面上在冬季的平均日輻射量達到較大值，同時兼顧到全年平均日輻射不能太小。考慮本次設計是嘉興某小區，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。相關技術規范規定，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地時間的上午9時至下午3時之間光伏組件無陰影遮擋，此次傾角設計為32?。另外在方陣設計過程中要計算方陣的較小間距。實際情況下，周邊環境如建筑的改造、植被生長等往往難以預知，所以在設計時還需要預留出一部分面積作為“緩沖帶"。

3.2逆變器設計

逆變器的設計需要在光伏系統生命周期內尋找總發電量和總成本的平衡點，還要考慮電網接入，如故障穿越能力、電能質量、電網適應性等方面的要求。依據各種逆變器的特點，結合所應用的光伏電站實際情況，從電網友好、方便建設維護等方面進行科學合理的選用。逆變器常采用被動與主動相結合的孤島效應保護措施，當檢測到公共電網失壓后，將立刻切斷與電網的聯結，避免電能輸送，當逆變器檢測到公共電網恢復后，不會馬上輸送電能，而是對電網進行一定時間(通常為180s)的監測，確保系統線路穩定后才入網。

4住宅小區并網設計

4.1并網設計

民用建筑光伏系統并網設計內容包括系統設計、方案劃分、繼電保護計量。其中，民用建筑光伏系統并網設計方案通常有以下三種(表1)。嘉興某小區供電電源由市政提供，電壓等級為10KV，計劃將變電站設在小區地下一層，主電纜經室外引至各樓配電室，即采用方案3的設計方案。光伏系統在小區地下一層進行380V/220V配電室處并網，優先向儲能設備供電，剩余電接入10KV中壓變電站380V母線，經變壓器升壓后接入10 KV公共電網。并網配電柜采用單母線接線，如圖1所示。

4.2繼電保護和計量裝置設計

對該小區的發電系統選用瑞士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分布式發電系統提供過載和斷路保護，并且配備母線保護裝置和孤島檢測裝置的逆變器裝置。在并網點設置并網電能表，在產權分界點設置關口計量電能表，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測功能，采集的信息分別接入管理部門和光伏發電管理部門，為電能計量和電價補貼提供依據。

表1分布式光伏系統設計方案

5 Acrel-1000DP分布式光伏監控系統

安科瑞作為一家致力于智能電網用戶端智能電力監控和電能計量管理的研發與運用。其應用于光伏發電站的產品包括光伏電站監控系統、光伏運維云平臺、智能通信管理機、電能質量監測和治理裝置、微機保護裝置等儀表和裝置產品。

安科瑞的Acrel-1000DP分布式光伏監控系統可對用戶光伏發電、用電進行集中監控、統一調度、統一運維，滿足用戶可靠、安全、節約、效率、有序用電的要求。對用戶提供運維服務，實現能源互聯，信息互通，打破信息孤島；根據用電設備負荷重要性分級管理，錯峰有序用電。同時，該系統滿足GB/T 38946《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》中對運維子站的相關技術要求。

5.1 Acrel-1000DP分布式光伏監控系統的特點

輸出功率相對較小。容量在數千瓦以內。污染小，環保效益突出。發電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產生污染。能夠在一定程度上緩和局地的用電緊張狀況。發用電并存。分布式光伏發電是接入配電網，發電用電并存，且要求盡可能地就地消納。

平臺管理層：

5.2 系統功能

5.2.1 實時監測

Acrel-1000DP分布式光伏監控系統人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。同時可以設計整體界面，供用戶選擇對應配電房對應光伏組件或高壓部分進行查看。

5.2.2逆變器監視

在逆變器監控圖中，可以直接查看該回路詳逆變器的交直流兩側電壓電流情況、輸入功率、輸出功率、逆變器的溫度等信息。并根據項目光伏發電實際接入情況，分開查看對應光伏逆變器組件數據。

5.2.3網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設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、功率因數等曲線。 

在“雙碳"背景下，隨著分布式新能源的廣泛建設，分布式光伏接入配電網后勢必產生的電壓問題，因此在發展分布式光伏并網過程中需要一套安全可靠的分布式光伏監控系統解決方案，為用戶、電網助力分布式光伏高比例有序并網，強化分布式光伏的統一管控，推動分布式光伏和大電網的協調運行，搭建數據透明、調控便捷、能源互動的新型分布式新能源調度管理體系。

6 相關硬件配置

6.1ANET2E4SM智能通信管理機

ANet-2E4SM模塊化能源網關是安科瑞電氣股份有限公司自主研發的一款通用型智能通信管理機，將傳統管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作，整個設備可通過串口、以太網、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網絡、WiFi網絡、4G網絡等鏈路上傳告警、實時數據等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

6.1.1 ANET2E4SM智能通信管理機特點

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

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

可擴展1個USB無線網卡，支持接入wifi無線網絡，可支持wifi儀表的數據采集或wifi網絡的數據轉發上傳

支持掉電后運行5秒以上時間，并支持運維等協議的掉電報警需求

所有擴展模塊都可單獨采購，更能方便現場環境改造及業務擴容，節省成本硬件篇技術參數 指標電壓/功耗DC12V～36V小于10W處理器ARM32位Cortex-A7內核，528MHz存儲內存 256MB，DDR3內存+256MB，NANDFlash電子硬盤串行接口主模塊：4路光耦隔離RS48+1路 RS232(調試口)以太網接口2路 10/100M自適應Lora無線選配，1路，載波頻率410MHz~525MHz，Lora調制方式USB，HOST1路USB2.0高速接口，支持接入U盤作斷點續傳或無線wif網卡（選配）

6.1.2 產品圖片

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功能可與微機進行數據交換。產品由測量單元、數據處理單元、通訊單元、顯示單元等組成，具有電能測量、數據處理、實時監測等功能。DJSF1352-RN導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、太陽能光伏等應用場合而設計，該系列儀表可測量直流系統中的電壓、電流、功率以及正反向電能等。在實際使用 現場，即可計量總電能，又可計量規定時間段內的電能。檢測的結果既可用于本地顯示，又能與工控設備、計算機連接，組成測控系統。儀表可具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協議和DLT645-97(07)協議；可帶繼電器報警輸出和開關量輸入功能；根據不同要求，通過儀表面板按鍵，對變比、報警、通訊進行設置；具有開關量事件記錄（Modbus協議）、編程和事件設置記錄（645協議）、數據瞬時和定時凍結功能（645協議）、電壓電流功率最大值、最小值記錄功能。

6.2.2 產品圖片

【參考文獻】

[1]姚興佳,劉國喜,朱家玲.可再生能源及其發電技術[J].北京:科學出版社,2010.

[2]肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應用現狀及發展趨勢[J].節能,2010(2):12-18.

[3]楊金煥.太陽能光伏發電應用技術[M].北京: 電子工業出版社,2014.

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11月版 

作者介紹：

虞佳豪，男   現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。

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