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1、摘要介绍了浙江省慈溪市天和家园住宅小区43kW屋顶太阳能并网 光伏发电系统的设计思路，以及系统的具体功能与配置，提出了设计 中需要注意的问题及具体的解决方案。包括：光伏系统提供公用设施用电，在阴雨天时使用城市电 网为公用负荷供电；光伏系统在小区内局部并网.不考虑将电能输 入上级城市电网；太阳能电池组件方阵倾角确定为3O。，选用常 州天合光能有限公司生产的TSM 175D型高效单晶硅电池组件。 分析了组件分组串接原则，确定了布置方案； ( 并网逆变器选择德国 艾思玛(SMA)公司SMC6o(0rIL型无变压器集中式逆变器和SB5o0 仇 1型无变压器多组串逆变器； ( 地下车库照明负荷曲线与日照
2、曲 线接近因此选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统负荷； 简介了防直击雷和防感应雷措施以及选择电缆和设计支架时应 考虑的因素；监控系统选用SMA的Sunny Boy Control Plus产品。关键词 住宅小区 并网光伏发电 太阳能电池组 件 多组串逆变器 1 项目简介11 天和家园住宅小区概况浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积64 788m2,总建筑面 积13. 4万m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大 建筑物，无遮阴情况，日照充分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈 人字形，楼高22. 222. 86m。计划在天和家园2O号楼屋顶装设 太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏
3、发电示范电站。2O号楼目前 处于在建状态，-屋顶可利用面积有：西侧平台，面积87m ；斜屋 面，7共7块，总面积（斜面）113. 9m。；露台，厶一厶共5个， 总面积 23344m 。1-2 设计要求a. 该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏 电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观，并与小区及周围环境相协 调。b. 该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地 下车库西区照明灯35. 2kW,地下车库东区照明.灯21. 4kW,智 能化设备2kW等。要求在阴雨天气时，应能使用城市电网为公用负 荷供电。c光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物 业管理，要求节省
4、投资。维护管理方便。2 光伏发电系统运行方式的选择 太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。即：独立运行和 并网运行1。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用 于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的 造价很高。在有公共电网的地区。光伏发电系统一般与电网连接，即采用 并网运行方式。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将 电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中， 伴随着能量的损失，且蓄电池的使用寿命通常仅为58年，报废的 蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可 大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性
5、能，且维护 简单、方便。在建筑密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳能电 池板的面积有限，住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其 变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率，没 有剩余电能送入上级城市电网2】。综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式并在小区内 局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网，系统原理图如图1所示。 采取小区内局部并网 3 系统设计31 设计依据该系统的设计依据有：光伏系统并网技术要求(GB /T199392005)；当地气象资料；建设方提供的相关资料及要求等。32 光伏系统太阳能电池组件的配置方案321 最佳方阵倾角的确定慈溪市介于北纬30。02
6、 一 30。24和东经121。02 一 121。42 之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。平均年日照时数2 038 小时，太阳年辐射量4 0004 800MJ / m，年日照百分率47%。查 阅相关资料可知，太阳能电池组件方阵最佳倾角为30。32-2 太阳能电池组件的选择与布置32-21 太阳能电池组件的选择目前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达21%以上，大批量生产的单晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到14%以上。该系统选用了常州天合光能有限公司生产的rlSM 175D型高 效单晶硅电池组件其外形如图2 所示。TSM 一 175D型电池组件技术参数如下，峰值功率：Pm=175WP
7、；开路电压：=43. 58V；最佳工作电压：=36. 2V；短 路电流：厶=4. 97A；最佳工作电流：，m=4. 85A；重量：G=16kg； 尺寸：长X 宽 X 厚=1 581 mmx809mm x40mmo3. 2. 2. 2 太阳能电池组件的布置将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、荒 漠地区的独立光伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳能电池方阵 按最佳倾角的要求布置，必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。 根据建设方提供的加号楼屋面图（参见图 3）以及现场考察情况，电池 方阵布置方案如下：a. 西侧平台面积87mz。采用锯齿型方阵。共安装组件36块， 方阵倾角为300
8、。功率为：175Wpx36=6 300W。b. 斜屋面一，共7块小屋面可安装太阳能组件，总面积（斜 面）113. 9m：，与斜屋面平行安装组件87块，方阵倾角为斜屋面坡 度31。功率为： 175W x87=15 225Wp。c顶层露台上方装饰性花架有厶一共5个可安装太阳能组件。 面积233. 44m。，考虑露台的采光和建筑的整体布局和美观。将露 台上方装饰性花架前半部分空出一定面积，保持装饰性花架的原貌， 后部约有163 m2安装组件，共安装组件126块，为减少风压及屋顶 的美观，方阵倾角为7oo功率为：175Wpx126=22 050Wp。该布置 方案共安装了 lSM 175D型高效单晶硅太
9、阳能组件249块，总功 率为43 575W。，设计按43kWp配置、计算323 太阳能组件的分组串接从系统效率考虑，直流电压越高效率就越高，住宅用电电压为 220400V。安装组件时原则上要在同一日最低的组件影响导致整体 输出严重下降。该方案屋面布置的太阳能电池组件在安装后的光照有 两种情况：a. 平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等 的挡光影响；b. 斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不 同方向建筑的一定影响。为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低，受到不同方向建 筑物影响的组件进行分组。将受到相同方向建筑物影响的组件归为一 组。并且在系统中采用多组串逆变器（
10、在后面的逆变器中详述）。为了 平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器都接入了多组的组件。由多组 串逆变器的每路MPPT（最大功率跟踪）电路对每路组件进行最大功率 点跟踪，从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。电池组 件分组数参见图 3 所示（电池组件被圈的为一组）。3. 3 并网逆变器选择与配置方案3. 3. 1 并网逆变器的选择并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备.其主要功能 是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压 和频率的交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具 有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保 护功能，即：尽可能有效地获
11、取因天气变化而变动的太阳能电池方 阵输出所需的自动运行和停机功能，以及最大功率跟踪控制功能； 保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能 电网 或并网逆变器发生异常时，安全脱网或停下逆变器的功能。已进入实 用阶段的并网逆变器的回路方式有电网频率变压器绝缘方式、高频变 压器绝缘方式和无变压器方式3 种。其中无变压器回路方式因在成 本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而被广泛采用。该系统的并网 逆变器选用德国艾思玛公司(SMA)生产的Sunny Mini Central系列 SMC6000TL型无变压器集中式逆变器和Sunny Boy系列SB50OOTL MultiString无变压器多组串
12、逆变器，具有过压保护、对地故障保 护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能，并 具有内置逆变采集器和 RS485、 RS232 通信接口，可方便地获取逆变 器的运行参数(直流输入电压和电流、交流输出电压和电流、功率、 电网频率等)。其技术参数如表 1 所示。多组串逆变器采用了每路独 立的最大功率跟踪，可以处理不同朝向和不同型号的光电组件，也可 以弥补不同连接串中的光电组件数量和部分阴影的影响。因而可以有 效地避免屋面安装的组件因阴影引起的功率损失。332 逆变器与电池组件的分组匹配 逆变器与电池组件的分组串接如图4所示。在标准测试条件下 逆变器所接入的每路组件数量、输入电压、功
13、率如表2 所示。对照表 1 可知，该方案逆变器与电池组件的配置是合理的，满足要求。34 太阳能光伏发电系统负载的选择从严格意义上来讲。并网光伏发电系 统是将整个城市电网作为自己的储能单元，因而，光伏系统所带负荷 是任意的，不存在选择问题。但由于我国可再生能源法刚刚于 2006年l,q 1日实施，可再生能源法的“上网电价法”和“全网平摊” 法规尚未实施，这就带来了住宅小区移交物业管理后电费管理上的困 难。因而，为了更好地保证上级城市电网的安全，方便管理，太阳能 并网光伏系统负载的选择原则应是使屋顶并网光伏系统的发电功率 小于所带负载的用电功率，并且尽可能使负载的用电时间与光伏系统 的发电时间相匹
14、配。天和家园设置了高压环网站一座，在小区各负荷 点设置了 7个箱变.其中2箱变为800 kVA, 6箱变l ooO kV. A.其 它均为630 kVA。与光伏系统公共接入点相连的箱变变压器容量为 630kVA，主要供小区公用负荷用电。天和家园公用负载主要有：地 下车库西区照明灯35. 2kW,地下车库东区照明灯21. 4kW,智能 化设备2 kW,以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线 与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电 为光伏系统的负荷。总负荷功率为58. 6kW,大于光伏系统的峰值 功率43kW ,且所安装的光伏系统峰值功率43kW。不到所连4#箱变 容
15、量的 10，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。 3. 5 防雷设计3. 5. 1 防直击雷措施直击雷是指直接落到太阳能电池阵列、低压配电线路、电气设备以及在其旁的雷击。防直击雷的基本措施是安装避雷针。由于该光 伏系统中的外置设备在整个环境中不是最高建筑物，所以设计为：把 所有屋顶电池组件的钢结构与屋顶建筑的防雷网相连，以达防雷击的 目的，并符合光伏(PV)发电系统过电压保护一导则(SJ/T11127) 中有关规定。352 防感应雷措施太阳能光伏发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池阵 列外。还有配电线路、接地线以及它们的组合。从接地线侵入是由于 近旁的雷击使大地电位上升，相对比电
16、源高，从而产生从接地线向电 源侧反向电流引起的。根据SJ/T11127中有关规定。该系统主要采 取以下措施：。a. 在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置，并分散安装在 防雷接线箱内。屋顶光伏并网发电系统在组件与逆变器之间加入防雷 接线箱，不仅对屋顶太阳能电池组件起到防雷保护作用。还为系统的 检测、维修、维护提供了方便。缩小了电池组件故障检修范围。该设 计选用了 IP65防护等级的TRIFL型接线箱。并随组件方阵直接安 装在室外。其接人方式参见图 4。b. 在并网接人控制柜中安装避雷元件，以防护从低压配电线侵 入的雷电波及浪涌。并网控制柜原理图参见图5 所示。3. 6 电缆选择组件之间的连接电缆和组件与逆变器之间的电缆都使用在户 外，直接暴露在阳光下，因
