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1、分布式光伏发电系统设计、运行及发电效能1. 引言能源是推动人类社会发展的重要动力，随着世界向工业化、现代化不断迈进，国际社会在能源安全、 环境污染、全球气候变暖等方面面临着巨大的压力与挑战1。可再生能源的发展作为全球能源转型的前进方向，为世界能源开发利用注入了新的动力。太阳能作为一种独特且分布广泛的可再生能源，具有很好的利用价值2。其中，光伏发电是太阳能利用的主要形式。近年来，随着光伏发电核心技术不断取得新进展，光伏发电综合性能显著提升，光伏系统建设成本得到了大幅下降，光伏发电装机容量不断扩大， 光伏发电相对于其它形式发电越来越具有竞争力3。继早期大型光伏电站发展之后，装机容量低于 6 MWb
2、 的分布式光伏电站作为光伏电站建设的主要形式被广泛应用在建筑、农业大棚、山地、渔场等区域中。改变了传统光伏电站“规模大、占地多”的发电方式4，因此可以充分有效利用场地；此外，分布式光伏电站可接入低压配电网络，靠近用户侧，无需远距离输电，实现电力就近消纳，既降低输电线路损耗，又与电网形成互补，具有很强的系统灵活性，是太阳能转化利用的一种重要方式5。在沿海地区， 人多地少的特点决定了大规模占地建设大型光伏电站是不可行的，因此，分布式光伏电站即成为主要的建设形式。从太阳辐射量角度，中国大部分东南沿海地区属于 III 类区域，可利用的太阳能资源相对于西北部和东北地区较少。因此，太阳能光伏发电在东南沿海
3、的应用较少。但是，随着光伏发电技术的进步及光伏产业的发展，其所带来的光伏电站建设成本降低及其优异的经济社会环境效益，使得在这些地区建设光伏电站也具有很好的前景。随着国家施行“一带一路”发展战略，以及两岸关系持续深入发展，与台湾仅一水之隔的福建省省会福州市在区域经济、对台经贸合作等方面不断突显其重要性和特殊性；此外， 福州在经济发展的同时，重视集约型、环保型城市建设，因此，发展清洁电力对于福州经济社会的可持续发展有着重要的意义。在某个地方开展分布式光伏发电及其可行性论证，应对该地区的气候条件、太阳能资源、电站建设模式、基础参数等有系统的掌握。鉴于福州市乃至整个福建省少有分布式太阳能光伏电站建设，
4、较为缺少光伏电站建设基础数据、光伏电站运行数据及效能分析。本文从区域分布式光伏发电建设角度，针对福州地区实际，对该地区分布式光伏电站的设计、运行及电站性能、效能等开展了系统研究。其结果为今后在福州市或是东南沿海地区开展分布式光伏电站建设提供重要的模式及基础数据参考。2. 福州地理气候及太阳能资源概况福州区域范围在东经 1180812031与北纬 25152639之间，市区总面积为 1786 平方公里；福州的地形属于河口盆地，四面环山，其中东、西、北面以山为主，海拔在 6001000 m 之间，南面及东南面为丘陵，整体为簸箕状地形；福州处于中低纬度地区，受西太平洋季风影响，属于典型的亚热带季风气
5、候6。根据气象统计及文献研究7 8 9，福州市年太阳总辐射量约为 4350 MJ/m2 (1 kWh = 3.6 MJ)，其中年太阳直接辐射量约为 2150 MJ/m2；年平均日照时数约为 1930 小时。其特点是年太阳总辐射量稳定、 410 月辐射量较大，太阳能资源的利用价值高。从地形条件、区域经济建设及城乡规划角度分析，更适合采用小型分布式光伏发电的太阳能利用形式。3. 分布式光伏系统方案及实施分布式光伏发电，是指以太阳能光伏发电为电力来源，以 10 kV 及以下电压等级接入公共电网，且单个并网点总装机容量不超过 6 MWb，光伏系统位于用户附近，所产生的电力能就地利用而无需远距离输电。其
6、特点主要是：1) 输出功率较小而不影响其发电效率；2) 污染小，环保效益高，在发电过程中对环境影响极小；3) 分布式光伏发电直接接入配电网而非高压输电网，可以发电与用电并存。实现就地发电就地使用。基于光伏发电的特点及优势，可在农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区附近建造，解决或缓解当地用户用电需求并降低环保成本。3.1. 分布式光伏发电系统设计分布式光伏电站的选址主要是在已有建筑、农业大棚、企业厂房、渔场等。因此，电站设计主要考虑如何有效利用这些场所并产生最大的综合效益。为获得福州地区光伏发电的设计技术参数及发电效能， 研究该地区分布式光伏电站建设的可行性和可能产生的效益，我们在福
7、建师范大学旗山校区的教学楼屋顶设计并建设了两座分布式光伏系统，一座为直接并网型(50.4 kWb)，另一座为并网微电网型(28 kWb)， 总装机容量为 78.4 kWb。本项目选址福建师范大学旗山校区，位于福州市闽侯县，校园建筑屋面多为朝南方向，屋面类型主要以平面屋顶和斜屋顶为主，其中斜屋顶占多数，屋面倾斜角度在 2030之间，与福州所在纬度接近，屋面整体朝南，因此校园可利用的建筑屋顶面积大，具有很好的太阳能资源利用优势，适宜将分布式光伏系统与建筑结合构成光伏建筑一体化10。校园分布式光伏电力系统示意图如图1 所示。光伏组件按设计方案串并联接后经汇流箱接入光伏逆变器，经用户配电箱分别与校园用
8、电设备和外电网计量电表联接，通过双向计量电表即可确定发电用电情况。分布式光伏电力系统的电气系统拓扑结构如图 2 所示。两座光伏电站基础技术参数如表 1 所示。由于建筑屋面倾角与设计安装高度角接近，为了降低建设成本及安装光伏阵列时减小对屋面的破坏，我们直接按屋面倾斜角度安装光伏阵列。对于不同光伏项目， 是否采用此方案需按屋面具体情况加以区别考虑。3.2. 并网接入方案设计分布式光伏系统的并网点由所在电网的电压等级、光伏的装机容量、线路接纳能力、区域配电网情况和上级变压器等进行综合考虑后确定11。并网接入方案如图 3 所示。系统采用自发自用余电上网的运营模式，并以三相并网的方式接入用户电网；分布式
9、光伏系统有两个并网点，28 kWb 分布式光伏发电微电网系统(PV1)从并网点 1 接入到用户电网，50.4 kWb 分布式光伏系统(PV2)从并网点 2 接入用户电网， 在产权分界点对光伏电能上网电量以及电网向负载供应电量进行计量。Figure 1. Schematic diagram of campus Dis-PV power system图 1. 校园分布式光伏电力系统示意图Figure 2. Electrical structure of Dis-PV system图 2. 分布式光伏系统电气结构Table 1. Technical parameters of distributed
10、 photovoltaic system表 1. 分布式光伏系统技术参数装机容量(kW)2850.4组件类型单晶硅单晶硅组件效率(%)17.417.4组件功率(W)200200组件串联数1021安装方位角175185安装高度角3525组件并联数1412直流汇流箱路数1616并网逆变器容量(KW)30503.3. 光伏电站数据采集系统数据采集系统由间隔层、站控层两部分组成，间隔层是面向单元设备的控制层，包含采集单元、控制单元、保护单元、计量单元、网络和通信接口等部分；站控层由操作员工作站、功能工作站、远动接口设备、数据存储中心等部分组成，是面向管理的中心控制层12 13。分布式光伏电站的数据采集
11、通信框架如图 4 所示，本系统的间隔层由环境监测仪、逆变器、电表、数据采集器和无线路由器等组成，站控层由网络链路、云平台、计算机及手机监控软件等组成。数据采集系统首先通过数据采集器对环境检测仪、逆变器、电表进行数据采集，然后将采集的数据通过无线路由器发送到云平台，云平台接收到上传数据以后，对数据进行计算处理分析，通过计算机和手机实时监测分布式光伏系统的运行情况。Figure 3. Grid-connected access scheme of Dis-PV system图 3. 分布式光伏系统并网接入方案Figure 4. Data acquisition and communication
12、architecture of Dis-PV system图 4. 分布式光伏系统数据采集通信架构4. 分布式光伏电站运行数据分析与讨论我们采集了上述装机容量分别为 28 kWb 和 50.4 kWb 两座分布式光伏系统的近两年来的系统运行数据。针对不同天气、不同季节及全年光伏电站运行特点及效能进行分析。由于两座光伏电站的建设模式不同(直接并网型和并网微电网型)，其系统运行情况不同，统计结果会有很大差别并不具可比性，因此， 本文接下来只针对直接并网型(具体为 50.4 kWb 分布式光伏系统)进行统计分析和研究，并网微电网型电站将另文研究。4.1. 不同天气类型光伏发电分析为研究不同天气下光伏
13、发电性能的情况与差异，我们将天气分为晴天、多云、阴天和雨天四种典型的天气类型。选取 2018 年 5 月份日期相近的这四种天气条件下 50.4 kWb 分布式光伏系统运行数据作为数据样本进行分析。数据测量采集结果如图所示。从图 5(a)、图 5(b)中可以看到，晴天时光伏系统的发电功率及太阳辐射最好，功率和辐照度变化具有明显的对称性，正午时太阳辐射最大，对应时段的光伏发电功率也达到最大值。多云、阴天和雨天则呈现波动性，而且存在突变现象14 15 16。我们知道， 在白天，云层的遮挡是影响地面太阳辐射强度的直接原因，云能够吸收和散射太阳辐射，同时也能够吸收来自地表和对流层下层的红外热辐射17。观
14、察雨天的太阳辐射变化可以发现，降雨云层对太阳辐射的遮挡及吸收十分强烈，极大地影响光伏发电量。从图 5(c)、图 5(d)中晴天时发电量和辐射量呈 S 型增长， 正午 12 点为增长拐点，曲线在 914 时近似为线性增长；多云天气条件下光伏发电功率由于太阳辐射受云层遮挡而波动性大，但发电量增长趋势与晴天类似，并且发电能力还是相当可观；阴天、雨天天气光伏日累计发电量和日累计辐射量增长缓慢，这与两种天气条件下的太阳辐射弱有直接关系，基本上没有太阳直射辐射，而只有散射光，因此光伏发电功率均较低。此外，从这两个图还可以看出，不论是哪一类型天气，总体上，一天内光伏发电量与地面某一地点接收的太阳辐射量变化情
15、况一致。Figure 5. The station of Dis-PV power generation and solar radiation under the four typical weather conditions图 5. 四种典型天气条件下分布式光伏电站运行情况与太阳辐射情况4.2. 晴天光伏发电系统电气特性从图 5 可知，晴天时光伏阵列接收到的太阳辐射最为强烈，光伏发电系统处于最好的发电运行状态。为了进一步分析晴天条件下光伏电站运行情况，我们给出了晴天条件下光伏发电功率、太阳辐照强度、光伏阵列电压及电流相互间的变化关系，如图 6 所示。观察图 6(a)中光伏发电功率及平面瞬时辐照度变化发现，以 12 时为分界点上午的发电效率要略高于下午的发电效率，上午的累计发电量为 114 kWh，下午的累计发电量为 98 kWh，上午时段的光伏发电量比下午的高出 16%，从图 6(b)光伏阵列最大功率点的变化趋势也反映了这一点，上午时段整体对应的平均最大功率略高于下午时段对应的最大功率。这个可以从光伏组件在一天内的温度变化来理解
