广东省建筑设计研究院 广东广州 510000
摘要：屋面分布式太阳能发电系统一般为采用并网发电系统，只要利用太阳能电池方阵在光照的条件下产生直流电，接入到逆变器转换成交流电，通过交流汇流箱与并网柜，接入到公网电网，实现并网发电。
关键词：屋面分布式太阳能发电系统；设计；并网；保护；监控
0. 引言
随着国家对清洁能源的大力扶持，及对环保的要求越来越严格，清洁能源得到的全面的快速发展。在清洁能源中，太阳能、风能、潮汐能、水能、地热能等能源中，太阳能是一种较成熟，也比较容易利用及大面积发展的清洁能源。太阳能发电系统一般可设置在地面、水面、建筑屋面。本次以屋面分布式太阳能系统设计进行分析。
1. 光伏并网系统基本原理
太阳能光伏发电系统可以分为两类。一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。屋面太阳能光伏发电系统一般为并网发电系统。
屋面分布式太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、逆变器、交流汇流箱、交流并网柜和通讯监控系统等部分组成。其工作原理是太阳能电池方阵在光照的条件下产生直流电，通过逆变器转换成交流电输出汇流到交流汇流箱，再通过并网柜与外网进行连接，各设备运行情况由通讯监控系统进行监控和记录。
1.1. 设计原则
光伏并网工程设计遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想和设计原则下，着重考虑以下设计原则：
①先进性原则
随着太阳能技术的发展，太阳能电源设计必须考虑先进性，使系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证系统具有较长的生命周期。
②实用性原则
太阳能电源系统设计充分考虑我国太阳能电源设备生产现状，选用有大规模实际工程应用经验的产品，采用先进成熟的技术，保证产品的稳定性、可靠性和可维性。
③经济性原则
太阳能电源系统设计在保证系统各项技术指标的前提下，努力降低工程、设备成本，提高系统的性能价格比保证用户的投资效益。
④安全可靠原则
安全是首要考虑的因素；选用的结构应充分考虑风荷载、温度应力和地震作用对屋面的影响，设计安全系数保证满足国家规定及工程的要求。
⑤环保节能原则
本项目利用太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。
⑥结构轻巧而稳定原则
结构稳定可以保证结构的安全，同时也会产生一种结构稳定所特有的美感，失稳的结构会给人带来危机感，造成人的紧张，使人很不愉快。但过于保守、粗放的设计则又显得笨拙、累赘、缺乏灵气，也会使人不愉快。
1.2. 光伏组件
太阳能电池组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能。
1.3. 逆变器
逆变器为光伏系统的核心设备,承担着将直流电转换成交流电的功能。
1.4. 交流汇流箱
交流汇流箱的作用是减少光伏并网逆变器与并网柜之间的连接线，一般是在光伏并网逆变器和并网柜之间增加的汇流装置，方便维护，提高了系统的可靠性实用性。
1.5. 交流并网柜
交流并网柜，作为光伏电站的总出口存在于光伏系统中，是连接光伏电站和电网的配电装置，其主要作用是作为光伏发电系统与电网的分界点。并网柜安装有发电计量表、交流电压表和输出电流表，可以直观地显示电网侧电压及发电电流。
2. 光伏并网电站电气系统设计
2.1光伏并网电站电气总布局
屋顶分布式电站，一般采用“自发自用、余电上网模式”。屋面上的光伏方阵铺设根据实际情况，采用分散发电，就地联网，集中监控的模式，以达到项目的优化目的。根据项目的总装机容量选用太阳能电池组件逆变器，汇流想，交流并网柜，监控系统。
光伏方阵的设计应满足光伏逆变器的电气参数，设计的系统最佳工作电压符合系统发电效率最优化。 逆变器系统为自供电模式；逆变器系统防护等级为IP65，可方便的进行户外安装。逆变器将光伏方阵发出的直流电逆变至交流480V，然后汇流至升压站升压至10KV，最后接入并网点；或是逆变至交流380V，直接接入并网点。电站监控中心通过相关通道与远程数据中心进行远调和监控。
3. 电池组件串并联方案
根据项目设计选用太阳能电池组件。根据太阳能电池组件工作电压，开路电压；并网逆变器直流输入MPPT电压跟踪范围。同时也应考虑光伏电池组件电压-温度变化特性，建议并网逆变器最佳工作电压范围为：启动电压的115%~满载MPPT电压最高值的85%。
太阳能光伏电池组件串联的组件数量：
Ns=并网逆变器最佳工作电压 / 工作电压
光伏电池组件串联数量为单数时不利于接线，故尽量考虑选用偶数板数量进行串联。
太阳能电池组件单列阵列接线见图1-1
4. 过电压保护及接地
4.1. 过电压保护
①光伏电池组件和逆变升压配电系统的直击雷保护。
屋面上的光伏电池组件防直击雷采用将光伏电池组件边框与支架可靠等电位连接，然后与接地网可靠连接；为增加雷电流散流效果，将单个子系统所有光伏电池组件支架可靠连接，并连接到建筑自身的接地引下线上,组成联合接地。逆变器及配电箱的直击雷保护；逆变器及配电箱均布置在室内或建筑物侧墙边。建筑屋顶设避雷带，可对逆变器及配电箱形成良好的直击雷保护网。
②配电装置的雷电侵入波保护
为防止感应雷、浪涌等情况造成过电压而损坏配电房内的并网设备，其防雷措施主要采用防雷器来保护。组串逆变器交直流侧均设置有防浪涌装置，交流并网柜也设置有防浪涌装置，形成对所接入的配电网的多重防雷保护。
4.2. 接地
充分利用建筑本身的防雷接地网或钢架结构的钢筋作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设不同的人工接地网，以满足接地电阻的要求。
根据《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）规定，对所有要求接地或接零的设备均应可靠地接地或接零。所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架、和其它可能事故带电的金属物都应可靠接地。
本系统中，支架、太阳能板边框以及连接件均是金属制品，每个子方阵自然形成等电位体，所有子方阵之间都要进行等电位连接并通过引下线与接地网就近可靠连接，接地体之间的焊接点应进行防腐处理。
电站的保护接地、工作接地采用一个总的接地装置。根据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)要求，接地电阻要求R≤4Ω；光伏电池组件接地拟按R≤4Ω设计。
5. 电缆敷设与防火
电缆采用穿管或线槽保护，电缆至配电柜、控制台的开孔部位，电缆贯穿墙、楼板的孔洞处，均应实施防火封堵。电缆沟道分支处、配电室、控制室入口处均应实施防火封堵。
6. 监控系统
光伏电站的智能监控系统主要通过工业PC、监控软件、RS485通讯电缆等采用总线方式接线实现。光伏电站系统的集中监控主机布置在控制室内。光伏发电项目监控系统一般由本地监控和远程监控组成。
工业PC与光伏并网逆变器、交流并网柜、通讯管理机采用RS485串口通讯，通过RS485协议进行实时数据收发，数据交换是双向的，也能对设备进行命令控制和参数修改。
通过运行界面，用户能查看设备运行实时数据，也能根据需要，对参数进行调整和对设备的启停或工作状态进行控制。数据显示方式多样化，有直接数据显示、柱状图显示、趋势曲线显示、动画显示等。
远程监控中心设于监控系统提供商服务器平台，可通过互联网采用用户名加密码的方式实时登陆查看，以便对整个电站项目运行情况的实时监控。远程监控中心软件采用光伏电站监控软件，硬件采用专业的工控机和数据服务器，能对现场所有设备进行管理。系统具有强大分析和查询工具，满足如设备状态分析和集中监视、实时数据查询、生产报表、历史趋势分析、故障诊断等需求。
监控中心由工程师站、历史数据服务器、操作员站等组成，通过核心交换机采用以太网连接，本地触摸屏接入核心交换机，监控中心网络结构示意图见图1-2。
监控中心将需要监控的参数通过通讯网络获取所需的数据，然后在监控系统运行界面上直观显示出来，以方便操作人员或管理人员对整个能源管理系统的运行状态有一个清晰、详细的了解。
在太阳能光伏发电场内配置1套环境监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。
该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，见图1-3。可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。
在电能量计量系统中，光伏发电系统自主设计的计量点设在光伏并网逆变器的并网侧，电度表安装于交流并网柜。该电度表是一块多功能数字式电度表，不仅要具有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。同时，该表还可以提供灵活的功能：显示电表数据、显示电能质量、显示损耗、状态信息、报警等。此外，显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口实现远程监控并用维护软件来修改参数，通过光电通讯口还可处理报警信号，读取电度表数据。
7. 结语
屋面屋面分布式太阳能光伏发电系统，充分利用了建筑物的屋面资源，节省的大量的地面土地资源；在发电输电上，可就地消耗掉太阳能所产生的电能，为本建筑提供清洁的电能，省去了长距离的电缆输送，较少了电缆损耗；产生的多余电能，可通过建筑本身的电力系统，售电至电网中，为建设方创造财富；夏天，屋面的太阳能组件还可遮挡阳光，减低热辐射，减少室内温度，减少空调能耗。在整个流程中，屋面太阳能发电系统，不仅不需要消耗其他常规能源，不产生大气、液体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染，还能起到节能减排，充分利用屋面资源，创造经济效益，值得我们大力推广。
参考文献
[1] 郭家宝,汪毅. 光伏发电站设计关键技术.电中国电力出版. 2014-05-01.
[2]金步平. 太阳能光伏发电系统.电子工业出版社. 2016-05-01.
[3] 周志敏 纪爱华. 太阳能光伏系统设计与工程实例.电中国电力出版社. 2016-08-01.
论文作者:陈庆辉
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/20
标签：光伏论文; 系统论文; 逆变器论文; 屋面论文; 太阳能论文; 组件论文; 太阳能电池论文; 《基层建设》2016年第34期论文;