李思岑，杜 威，嚴(yán)中亮

（1.華南理工大學(xué)，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(huán)境惡化的雙重壓力。大規(guī)模開發(fā)和利用可再生能源已經(jīng)成為未來各國能源戰(zhàn)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(huán)境、運(yùn)行費(fèi)用少、維護(hù)簡單、可持續(xù)利用、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是未來能源開發(fā)的重點(diǎn)。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(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為光伏裝機(jī)容量增長的一個(gè)主要方向，也是我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確鼓勵(lì)發(fā)展的可再生能源發(fā)電方式。2010年，財(cái)政部等四部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)金太陽示范工程和太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程建設(shè)管理的通知》，2012年全國僅金太陽工程就批準(zhǔn)1.709 GW的屋頂光伏裝機(jī)容量。

1 光伏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

長治某醫(yī)院光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)于該醫(yī)院辦公樓及住宅樓屋頂，設(shè)計(jì)容量1 MWp，是經(jīng)財(cái)政部批準(zhǔn)立項(xiàng)的金太陽工程示范項(xiàng)目，為山西省首批、長治市首個(gè)太陽能示范工程。

1.1 地理?xiàng)l件

光伏電站位于山西省長治市城區(qū)，地處北緯31°54'，東經(jīng)121°9'，地表平均海拔4.96 m，年日照時(shí)數(shù)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(qū)。

1.2 建筑條件

項(xiàng)目所選用的建筑為長治某醫(yī)院住宅樓、醫(yī)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(cè)均無明顯的高大近距離障礙物遮擋屋頂?shù)墓庹?，屋面承重符合要求，可在屋頂架設(shè)光伏組件。因此，項(xiàng)目充分利用醫(yī)院各類建筑屋頂空間，采取分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的方式建設(shè)大型太陽能并網(wǎng)光伏電站，所發(fā)電能主要滿足醫(yī)院自身負(fù)載，余量饋入電網(wǎng)。交流防雷配電柜接入0.4 kV配電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或變電站由于檢修臨時(shí)停電時(shí)，光伏電站自動(dòng)跟蹤保護(hù)及時(shí)停機(jī)不發(fā)電，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，經(jīng)運(yùn)行人員確認(rèn)可恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)原理見圖1。

2 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)逆變器、配電保護(hù)系統(tǒng)和系統(tǒng)的通訊監(jiān)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(hào)的240 Wp和280 Wp多晶硅組件，光電轉(zhuǎn)換效率為16%～17%。主要參數(shù)見表1。

系統(tǒng)共使用935塊280 Wp多晶硅標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，每17塊組件串聯(lián)成一個(gè)陣列。使用了3 080塊240 Wp組件，每20塊組件串聯(lián)成一個(gè)陣列。

2.2 方陣支架

采用自行開發(fā)的便捷型太陽能支架，適用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用有框組件安裝方式。對(duì)于行政樓等平面屋頂安裝傾角為5°；對(duì)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(shù)表

2.3 直流防雷匯流箱

匯流箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要作用是按照一定的串并聯(lián)方式將光伏陣列連接到一起，以便對(duì)光伏陣列實(shí)施監(jiān)控[2]。系統(tǒng)采用了2種匯流箱 KBT-PVG-10（10進(jìn) 1出） 和KBT-PVG-12（12進(jìn)1出），整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)使用了21臺(tái)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(shè)備有限公司生產(chǎn)的GD-16DA5Q1-1 000 V型產(chǎn)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(hù)和漏電保護(hù)、防雷保護(hù)等功能。系統(tǒng)配置了3臺(tái)直流配電柜。1號(hào)、2號(hào)配電柜接入11回，3號(hào)配電柜接入10回。

2.5 并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器是連接光伏陣列模塊和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它完成控制光伏陣列模塊運(yùn)行于最大功率點(diǎn)和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大任務(wù)[3]。系統(tǒng)選用南京冠亞電源設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)GSG-250KTT-TV 2臺(tái)，額定功率250 kW，GSG-500KTT-TV 1臺(tái)，額定功率500 kW。光伏逆變器具有極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)、接地保護(hù)、過/欠電壓保護(hù)、過/欠頻率保護(hù)、孤島保護(hù)、逆向功率保護(hù)等功能，裝置異常時(shí)能自動(dòng)脫離系統(tǒng)。逆變器接入電網(wǎng)時(shí)，能自動(dòng)同步。

2.6 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

系統(tǒng)配有完善的通信監(jiān)控系統(tǒng)，全面檢測環(huán)境和系統(tǒng)的狀態(tài)，將光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、太陽能板溫度、風(fēng)速等環(huán)境變量和系統(tǒng)的電壓、電流、相位、功率因素、頻率、發(fā)電量等系統(tǒng)變量通過RS485傳輸至控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。

3 接入系統(tǒng)方案

根據(jù)國家能源局關(guān)于太陽能發(fā)電的相關(guān)政策，國家電網(wǎng)公司于2012年10月26日召開新聞發(fā)布會(huì)，明確了光伏電站接入系統(tǒng)的一系列原則和辦法。為鼓勵(lì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，光伏電站實(shí)行自發(fā)自用、余量上網(wǎng)的結(jié)算模式，6 MW以下機(jī)組執(zhí)行分布式電源的管理辦法。

3.1 醫(yī)院配電網(wǎng)現(xiàn)狀

醫(yī)院現(xiàn)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(yī)院現(xiàn)有配電變壓器3臺(tái)，容量分別為630 kVA、250 kVA、250 kVA，其中630 kVA箱式配電變壓器供醫(yī)務(wù)樓，目前重載；2臺(tái)250 kVA配電變壓器供醫(yī)院家屬區(qū)居民用電，運(yùn)行方式為1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用；另0.4 kV備用發(fā)電機(jī)（150 kW）1臺(tái)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，醫(yī)院經(jīng)630 kVA箱式變壓器所帶的公用負(fù)荷正常工作日在350 kW至600 kW之間，節(jié)假日（含雙休日）負(fù)荷在150 kW至300 kW之間。250kVA變壓器所帶的負(fù)荷在100kW至200kW之間。醫(yī)院電氣主接線圖（現(xiàn)狀）見圖2。

圖2 醫(yī)院電氣主接線圖（現(xiàn)狀）

3.2 周邊電源點(diǎn)分析

醫(yī)院1MWp光電項(xiàng)目周圍主要電源點(diǎn)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(qū)東部，在醫(yī)院東部，距醫(yī)院約2.5km，電壓等級(jí)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(jìn)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(xiàn)已無備用間隔位置。

10 kV景家莊開閉所位于醫(yī)院西北部，距醫(yī)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(dǎo)線，負(fù)載2300kW，目前醫(yī)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(dǎo)線型號(hào)JKLYJ-185型絕緣導(dǎo)線，負(fù)載為3 300 kW，目前醫(yī)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(jīng)醫(yī)院西側(cè)路口，導(dǎo)線型號(hào)JKLYJ-240型絕緣導(dǎo)線，負(fù)載為2 940 kW。

3.3 接入方案比較分析

光伏電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需要一個(gè)優(yōu)化合理的接入方案，方案制定不合理會(huì)造成安全隱患、管理困難、計(jì)量缺陷、光伏棄電、加重用戶投資負(fù)擔(dān)等問題。因此，作為電網(wǎng)公司來說，支持光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，首先應(yīng)該做好接入系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。

3.3.1 電壓等級(jí)的確定

根據(jù)機(jī)組容量，1 MWp光伏電站應(yīng)從10 kV或380 V電壓等級(jí)并網(wǎng)。

3.3.2 并網(wǎng)點(diǎn)選擇

根據(jù)光伏電站的性質(zhì)和周邊電源點(diǎn)情況，宜從用戶內(nèi)部配電網(wǎng)并網(wǎng)或并網(wǎng)于周邊公用線路。

3.3.3 方案一

采用10 kV和380 V兩個(gè)電壓等級(jí)，在用戶內(nèi)部配電網(wǎng)并網(wǎng)。接入方案見圖3。

圖3 方案一并網(wǎng)示意圖

光伏電站2×250 kW逆變器由AC380 V經(jīng)升壓變壓器升壓至10 kV，經(jīng)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(jīng)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(fā)功率反送，在630 kVA變壓器低壓側(cè)開關(guān)處加防逆流裝置。

用戶箱式變壓器變高壓側(cè)的兩個(gè)負(fù)荷開關(guān)需要更換為斷路器，以便安裝繼電保護(hù)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(hù)。計(jì)量點(diǎn)安裝于10 kV 556線路和10 kV 554線路與用戶線路的T接點(diǎn)處。

3.3.4 方案二

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

圖4 方案二并網(wǎng)示意圖

光伏電站2×250 kW逆變器由AC 380 V經(jīng)升壓變壓器升壓至10 kV，經(jīng)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(jīng)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(fā)功率反送，在630 kVA變壓器低壓側(cè)開關(guān)處加防逆流裝置。

需在10 kV用戶并網(wǎng)線路的斷路器上加裝繼電保護(hù)裝置，城東變電站10 kV 561線路處斷路器加裝方向保護(hù)。計(jì)量點(diǎn)安裝于10 kV 561線路與用戶線路的T接點(diǎn)處。

3.3.5 方案三

采用380 V電壓等級(jí)，在用戶內(nèi)部配電網(wǎng)并網(wǎng)。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(jīng)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(fā)功率反送，在630 kVA變壓器低壓側(cè)開關(guān)處加防逆流裝置。

計(jì)量點(diǎn)安裝于10 kV 556線路和10 kV 554線路與用戶線路的T接點(diǎn)處，并在用戶箱式變壓器高壓側(cè)的兩個(gè)斷路器（更換后）處加裝兩套雙向計(jì)量表計(jì)。這兩個(gè)表計(jì)的下網(wǎng)電量反映了醫(yī)務(wù)樓使用的系統(tǒng)提供的工商業(yè)電量數(shù)值，在T接點(diǎn)處計(jì)量的下網(wǎng)電量反映了醫(yī)院整個(gè)使用的系統(tǒng)電量的數(shù)值，兩者相減即為醫(yī)院家屬樓使用的系統(tǒng)電量的數(shù)值。

圖5 方案三并網(wǎng)示意圖

3.3.6 方案四

采用10 kV電壓等級(jí)，在用戶內(nèi)部配電網(wǎng)并網(wǎng)。接入方案見圖6。

圖6 方案四并網(wǎng)示意圖

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

用戶箱式變壓器高壓側(cè)的兩個(gè)負(fù)荷開關(guān)需要更換為斷路器，以便安裝保護(hù)裝置。城東變電站10 kV556、10 kV554線路處斷路器加裝方向保護(hù)。

表2 各并網(wǎng)方案綜合比較表

3.3.7 各方案綜合比較

確定并網(wǎng)方案需要從政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等各方面進(jìn)行綜合比較分析，表2中從并網(wǎng)電壓等級(jí)、結(jié)算模式、電站棄電、并網(wǎng)投資、計(jì)量、并網(wǎng)繼電保護(hù)等多方面對(duì)四個(gè)方案進(jìn)行了比較分析。

從符合國家節(jié)能減排的能源政策的角度出發(fā)，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)用戶光伏電站的自發(fā)自用，因此方案二不可取，同時(shí)，應(yīng)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(diǎn)在方案一和方案四之間。

方案一和方案四的區(qū)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(cè)，供公用負(fù)荷，而方案四是經(jīng)500 kVA升壓變壓器升壓后接于630 kVA箱式變壓器高壓側(cè)，經(jīng)箱式變壓器降壓后再供公用負(fù)荷使用。

方案一的缺點(diǎn)是存在節(jié)假日棄電現(xiàn)象。由于醫(yī)院的公用負(fù)荷在不斷變化中，而光伏電站所發(fā)電力受到季節(jié)、天氣、溫度等多方面的影響，因此丟棄的電量只能進(jìn)行估算。經(jīng)測算，電站的發(fā)電效率系數(shù)為0.797 1，500 kW逆變器所送電力實(shí)際最大值為400 kW,結(jié)合4.1中所述的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在工作日，基本沒有棄電現(xiàn)象，而節(jié)假日棄電占比可達(dá)1/3，全年丟棄電量約3.6萬kW·h。

方案四的缺點(diǎn)是存在先升壓后降壓的主變損耗，經(jīng)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(jì)算，全年多損電量1.7萬kW·h。由于電站的運(yùn)行年限將達(dá)25 a，因此，綜合比較，方案四的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案一。接入系統(tǒng)方案最終選擇為方案四。

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電提供了解決能源短缺問題的有效途徑，屋頂光伏并網(wǎng)電站由于不占用土地、不污染環(huán)境、具有建筑節(jié)能效果等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。1 MWp屋頂光伏電站設(shè)計(jì)中應(yīng)注意光伏電站功能的完備性和各環(huán)節(jié)的參數(shù)匹配。光伏電站的接入系統(tǒng)方案對(duì)光伏電站的順利并網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，在接入系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮技術(shù)、效益、政策落實(shí)等多方面的因素，既能滿足電網(wǎng)安全性的要求，又能最大限度地發(fā)揮光伏電站的效能，還能夠節(jié)省電網(wǎng)和用戶的投資。

［1］ 王斯成.光伏建筑與光伏建筑設(shè)計(jì)［M］.北京：國家發(fā)改委能源研究所，2009：20-24.

［2］ 楊貴恒，強(qiáng)生澤，張穎超，等.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：217-218.

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