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1、中山大学户用光伏并网发电系统介绍 国外的城市户用光伏并网发电项目开展的如火如荼，无论是研发还是实际 工程应用都很有广度和深度，然而国内类似的工程和项目还很少，比较缺乏相 关的理论基础和工程经验，仅有的一些也没有形成良好的规范。对于中国南方 各省来说，其匮乏的常规能源已经不能为高速发展的经济提供持续的动力，从 2003年开始，错峰用电和拉闸限电时有发生。此外，环境污染问题也日益严重， 酸雨浓度不断升高。同时南方的房地产业发达，新型楼房建筑物不断兴建，建 筑物能耗十分大。根据南方地区气候环境的特点，通过对建筑物和住宅节能技 术的研发和系统的有效集成，使得使用节能和系统集成技术后的建筑物能耗大 幅度
2、下降且对环境的污染也大幅度降低，具有十分重大的意义。随着太阳能并 网光伏发电技术的不断成熟与发展，越来越多的企业将参与到光伏并网发电技 术的应用与推广中来，光伏并网发电技术将逐步走进千家万户。 中山大学太阳能系统研究所同深圳市能联电子有限公司共同承担了国家科 技部“光伏与风力发电商业化技术开发”专题十五科技攻关计划重大项目： 太阳电池与建筑结合的工程设计和示范广东户用光伏建筑一体化工程的设 计与示范 ， 本项目的目标是通过研究不同天气情况下的太阳电池组件阵列、 负载功率和工作情况、逆变/控制器以及蓄电池容量之间的最佳匹配与协调规律 智能工作模式等关键技术，研究并提出太阳电池组件与不同风格建筑相
3、结合的 户用光伏并网发电系统优化设计方案，在广东地区建立3kWp5kWp光伏与建筑 相结合的户用并网发电系统20个（或更多） ，为加快发展我国户用光伏并网发 电系统和推广应用提供理论依据和技术路线。项目需要解决的技术难点和问题 主要有两点：（1）户用光伏并网发电系统的设计、工程安装施工规范和技术要 求；（2）太阳电池组件与不同风格建筑相结合的安装构件。为了研究以及示范 和推广目的，我们在中山大学太阳能系统研究所(中山大学东校区C座)的天顶 阳台上建设完成了光伏屋顶和光伏长廊示范系统。 并网型太阳能光伏电站是利用太阳电池组件将太阳能转换成直流电能，再 通过逆变器将直流电逆变成50赫兹、220/3
4、80伏的三相或220V的单相交流电。 逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端（220/380伏）并联， 对负载供电，并将多余的电能送入电网。本示范电站无蓄电池储能设备，当阴雨天无太阳时，由电网供电给负载。 一. 太阳电池组件及其安装 1) 光伏屋顶设计 本系统中使用了 20块由无锡尚德太阳能电力有限公司提供的带铝边框太阳 电池板，该太阳电池组件的各项性能参数如下表 4-1： 表 1 所用太阳电池板技术参数（STC） Pmax Im Vm Isc Voc 尺 寸 160W 4.65A 34.4V 5.0A 43.2V 1580808 图 1 光伏屋顶外观图 太阳电池组件安装在屋顶的斜面
5、上，朝向正南倾斜角为 19度。光伏屋顶外 观见图 1。 组件采用 10串联2并联的连接方式，所以该光伏阵列的工作参数为： 峰值功率：3200Wp （STC） 最大工作电压：344.0V 最大工作电流：10.0A 开路电压：432.0V 短路电流：9.3A 组件的安装方式和安装步骤： （1）在瓦下的屋顶主梁上安装瓦挂钩。（2）在瓦挂钩上安装支架导轨，纵向。 （3）在该支架导轨上安装太阳电池组件导轨，横向。 （4）沿着已经固定好的太阳电池组件导轨的夹缝将太阳电池组件插入，同时进 行组件电缆的接线工作，引出两组共 4条电缆。 （5）安装盖板片，完成太阳电池组件安装。 2) 光伏长廊设计 本系统中使用
6、了 22块由上海太阳能科技有限公司提供的无边框双面玻璃太 阳电池组件，该太阳电池组件的各项性能参数如下表4-2： 表 2 所用太阳电池组件技术参数（STC） Pmax Im Vm Isc Voc 尺 寸 105W 6.36A 16.5V 7.45A 21.5V 1470644 阳电池组件安装在朝向正南方的斜面上，倾斜角度为 15度。光伏长廊照外 观见图 4-7。 图 2 光伏长廊照外观图 组件采用 22块串联的连接方式，所以该光伏阵列的工作参数为： 峰值功率：2310Wp （STC） 最大工作电压：363.0V 最大工作电流：6.36A 开路电压：473.0V 短路电流：7.45A 双面玻璃太
7、阳电池组件与无框玻璃幕墙的安装方法和步骤相近,如下； （1）横梁结构钢架由深圳南玻幕墙工程有限公司根据图纸加工好后送工地现场安装。 （2）安装铝材副框到横梁结构钢架上。 （3）对双面玻璃太阳电池组件和副框表面进行净化处理，方法：将二甲苯 溶剂倒到一块抹布上，对基材表面擦抹干净，在溶解了污渍的溶剂挥发 前，再用一块干净的抹布擦抹干净。 （4）采用双面胶体把太阳电池组件定位在铝副框的规定位置上。 （5）使用打胶机向定位后将形成以玻璃组件与铝框为侧壁、垫条为底的空 腔内注结构胶，最后在充分清洁板材间缝隙后，向缝隙内注入耐候硅酮 密封胶嵌封。 3）并网逆变器 （一）Sunny Boy并网逆变器工作方式
8、、特点以及参数 图 3 Sunny Boy 并网逆变器连接示意图 两座户用光伏建筑一体化示范建筑:光伏屋顶和光伏长廊分别采用德国SMA 公司的 Sunny Boy 系列的 SB2800i 和 SB2100TL 型并网光伏逆变器。SB2800i 特别适用于室内，内置风扇只在发电高峰使用以保证 Sunny Boy 内部工作温度 的稳定性，因此延长逆变器的使用寿命。 SB2100TL 由于其采用不锈钢机箱可 以在室外使用，并且安装非常简单。SB2800i 和 SB2100TL 两款并网逆变器与 Sunny Boy 系列的其它产品在数据采集和分析系统上相互兼容，它们拥有高的 可靠性和兼容性。 SMA
9、公司所生产的 Sunny Boy 系列逆变器均配置有高性能滤波电路，使得 逆变器交流输出的电能质量很高，不会对电网质量造成污染。在输出功率50% 额定功率，电网波动94% 输出电压调整范围 190260V 直流输入电压范围 96% 输出电压调整范围 198260V 直流输入电压范围 600Vdc 额定输出频率 50Hz MPPT 电压范围 125600Vdc 输出频率偏差 0.4% 直流输入电压波动 4% 谐波畸变失真 4% 最大直流输入电流 11A （二） “孤岛效应”防护针对“孤岛效应” ，Sunny Boy 逆变器采用了两种“孤岛效应”检测方法，包 括被动式和主动式两种检测方法。被动法指
10、实时检测电网电压的幅值、频率和 相位，当电网中断供电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上产生跳变 信号，可以通过检测跳变信号来判断电网是否失电；主动法指对电网参数发出 小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电。当并网逆变器检测到电 网中断供电后，会立即停止工作，当电网恢复供电时，并网逆变器不会立即投 入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时间（比如 90s）内完全正常，逆 变器才投入运行。 需要指出的是，任何一种“孤岛效应”的检测方法均具有其局限性，需要同时从 电站管理上来杜绝检修人员伤亡事故的发生，当停电对设备和线路进行检修时， 需要先断开并网逆变器。（三）电气隔离Sunny Bo
11、y 逆变器带有隔离变压器，使得逆变器的直流输入和交流输出之 间电气隔离开来。直流侧的太阳电池板阵列为“浮地”，正负极与地之间都没有 电 气连接，且逆变器在运行过程中，随时检测直流正负极的对地阻抗，从而保证 了 逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。 4） 数据采集 除了在本地可以使用计算机通过 RS232 接口对系统（见图 4-12）进行直接 控制外，为了提高对系统的控制手段，实现异地对系统的管理和控制，该户用 太阳能系统中的光伏发电系统部分还可以实现遥控遥测功能，即可以通过现有 的电讯网络进行远距离的系统控制和系统参数的数据采集。 图 4 并网逆变器与计算机连接示意图 5） 接地和防雷设计
12、太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面： （可参考 GB50057 -94建筑防雷设计规范 ） 尽量避免避雷针的投影落在太阳电池组件上； 防止雷电感应：控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、 电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线， 不允许串联后再接到接地干线上； 防止雷电波侵入:在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的 220/380V 可 以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入 室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大 于 30欧姆。接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可 以采用螺栓连
13、接； 接地系统的要求 所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允 许设备串联后再接到接地干线上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格， 因此要实测数据,建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电 阻为准； 光伏电站接地接零的要求 电气设备的接地电阻 R4 欧姆，满足屏蔽接地和工作接地的要求。在 中性点直接接地的系统中，要重复接地，R10 欧姆。防雷接地应该独 立设置，要求 R30 欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在 3m 以 上。 总的来讲，光伏系统的接地包括以下方面。 防雷接地:包括避雷针、避雷带以及低压避雷器、外线出线杆上的瓷瓶铁 脚还有连接架空线路的电缆金属外皮
14、； 工作接地:逆变器、蓄电池的中性点、电压互感器和电流互感器的二次线 圈； 保护接地:光伏电池组件机架、控制器、逆变器、以配电屏外壳、蓄电池 支架、电缆外皮、穿线金属管道的外皮； 屏蔽接地:电子设备的金属屏蔽； 重复接地:低压架空线路上，每隔 1公里处接地； 接闪器可以采用 12mm 圆钢，如果采用避雷带，则使用圆钢或者扁钢， 圆钢直径48mm，厚度不应该小于等于 4 mm； 引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径8mm，扁钢的截面不 应该小于 4mm； 接地装置:人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢。水平接地体宜采 用扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于 10mm，扁钢截面不应小于 10
15、0 mm2，角钢厚度不宜小于 4mm，钢管厚度不小于 3-5mm。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于 0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接 的地方也要进行防腐防锈处理； 根据实际情况安装电涌保护器，参考 GB50057-94。 三. 并网发电系统软件模拟分析 表 5 光伏并网系统在广州输出电量 光伏屋顶并网发电系统 光伏长廊并网发电系统 月份 平均日发 电量(kWh) 每月发电量 (kWh) 平均日发 电量(kWh) 每月发电量 (kWh) 一月 5.5 172 3.9 121 二月 5.0 141 3.6 100 三月 3.8 119 2.7 85 四月 4.3 129 3.1 93 五
16、月 5.7 178 4.2 130 六月 6.9 206 5.0 151 七月 8.7 271 6.5 200 八月 8.0 248 5.9 182 九月 8.3 248 6.0 180 十月 9.3 288 6.6 206 十一月 8.9 267 6.3 188 十二月 8.0 248 5.6 173 年发电量 2516 1809 两并网系统年总发电量 4325 kWh 四 经济和社会效益分析 1） 经济效益分析 可以使用动态平直供电成本（Levelized Cost）作为评价该太阳能户用系统 的光伏系统部分的供电技术经济性指标。该分析方法是将供电系统在整个寿命 周期内发生的各项费用全部折算成现值，再用等额分付因子分摊至系统运行期 间内的每一年，然后除以系统的年发电量，得到该系统的动态平直供电成本。 考虑到光伏屋顶和光伏长廊两个并网系统中使用的组件寿命为 20年，所以 可以采用 20年
