绿色建筑并网型光伏发电系统设计研究

δ绿色建筑并网型光伏发电系统设计研究ZOUYingHubeiUniversityofTechnologyWuhanChwithrespecttothePVpowergenetheconfigurationofitsmajorelegridconnectedmodedistribnumberofseriesparallelPVmconfigurationofgridconnectediimpactoftemperatureontheelectrofPVmodulesintoconsideration.摘要介绍中国移动深圳信息大厦光伏发电系统主要电气设备的配置、系统的并网方式、系统的配电设计、防雷设计，以及光伏组件串并联个数的计算、并网逆变器的配置应考虑温度对光伏组件电性能我国有丰富的太阳能资源，全年日照时数超过2200h的太阳能利用条件较好的地区占国土面积的2/3,故开发利用太阳能是我国实现可持续发展战略的有效措施之一。国家发改委颁布了《可再生能资金管理暂行办法》等多项政策，鼓励太阳能发电。绿色建筑在技术经济条件适宜的情况下应充分利用筑，基地面积为5630.72m²;地下4层，主楼地上36层，建筑高度160m,附楼地上12层。总建筑面积10万m²;地上8万m²,其中，7.2万m²为中国移动通信集团广东公司自用办公场地，8000m²为商用；地下2万m²。本项目位于深圳市中心区市民广场东片区B204-0024地块，深南大道与金田路交汇处的东北角，北线上，处于中心区的门户位置，将成为深圳CBD核心区的门户建筑。建筑周围约80m范围为建筑绿地，深圳属亚热带气候，年平均温度22.4℃,最高温度36.6℃,最低温度1.4℃。全年日照时数为2120h,太阳年辐射量为5404.9MJ/m²,属于太阳该大厦拟申报绿色建筑，具备优越条件，达到生能源的发电量不低于建筑总用电量2%的要求”的绿色建筑并网型光伏发电系统设计研究(邻颖)http://www.jzdq.net.en制定过程中，用户侧电网制定过程中，用户侧电网接入标准和管理办法具体“自发自用”的光伏发电建筑，深圳供电部门目前是允许的。光伏发电系统在计费点用户侧并入电网，称作“用户侧并网”。当光伏穿透率(PVpenetration,指光伏装机容量占峰值负荷何技术问题；而当光伏穿 按该大厦现有负荷情况，变配电系统装机容量为10000kVA,确定光伏系统装机容量为266.83kWp,Pjs=Sjs×cosφ=10000×0.92=92kW÷(9200+266.83)=2.8%,满足光伏系统装机容量占建筑总用电量2%的要求。在该大厦屋顶，建筑物的东、南、西侧立面及裙房屋顶位置，设置了2818块太阳能电池组件，包括光伏建筑一体化的多晶硅BIPV组件和单晶硅BIPV组件，以及标准单晶硅组件，组成太阳能电池阵列，太阳能电池板总安装面积2524m²。太阳能电池组件支架采用全铝结构。该大厦位于东经113°52'～114°21',北纬222°27'～222°39',光伏组件安装倾角确定太阳能电池组件将太阳的光能转变为直流电能，通过直流汇线箱后，进入并网逆变器逆变为220/380V,频率50Hz±2%的交流电后，供大厦办公楼普通照明、景观照明及地下车库普通照明等负载使用。该大厦并网型光伏发电系统设计方案采用不带蓄电池储能，间接转换的，由光伏发电与市电通过光伏逆变器同时向负载供电的系统。在晚上或阴雨天，光伏阵列发出的电力不足时，由电网通过光伏逆变器向负载供电，保证负载得到稳定的电力供应。目前深圳供电部门对光伏发电并网的要求正在Tab.1透率较大，在白天负荷较小的情况下，有可能出现光伏总功率高于总负荷，光伏发电量通过配电变压器向高压侧反送电，称作“逆功率”,这会使配电网网压升高，造成安全隐患。对此，可以采用无功调压或安装防逆流装置来防止网压升高，仅会损失部分光伏发电量。因此，无论是低穿透率还是高穿透率，光伏在用户侧并网都不会造成安全隐患，用户侧光伏并网的电能质量和安全性已经有相应的IEC标准和国家标准来规范，所有技术问题都有成熟的解决方案。光伏发电系统主要由光伏组件、直流汇线箱(带防雷保护功能)、并网逆变器、配电柜、监控系统、相关电气设备、附件组成。3.1光伏组件本系统选用各种功率的光伏组件共计2818块266.83kWp,其中屋顶46.36kWp,立面220.47kWp。各光伏组件的性能参数如表1所示。1～13层立面的太阳能电池组件所发电能并入地下二层变配电房，供13层及以下的用电负荷使用；14层及以上立面的太阳能电池组件所发电能并入避难层变配电房，供14层及以上用电负荷使用，表1光伏组件性能参数PerformanceparametersofPVmodules电池类型峰值功率/Wp30Feb.2013Vol.32No.2峰值功率1~13层多晶硅BIPV组件266块2台多晶硅BIPV组件282块2台14层4台多晶硅BIPV组件4台多晶硅BIPV组件308块2台264块8台多晶硅BIPV组件528块3台3.2光伏发电系统主要电气设备配置主要电气设备配置见表3。并网逆变器是光伏发电系统中的重要设备，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电逆变为单相或者三相正弦交流电，输出符合电网要求的电能。并网逆变器分为带隔离变压器和不带隔离变压器两种，其输出谐波电压均<4%,满足公用电网对注入公共连接点的电压总谐波畸变率(0.38kV不大于5%)的要求。考虑到不带隔离变压器的并网逆变器具有更高的转换效率，本工程采用不带隔离变压器的并网逆变器。4.1并网逆变器功能并网逆变器具有以下功能或满足以下要求：a.功率因数和电能质量满足国家电网的相关要求。b.安装简便(室内挂墙安装)。c.采用太阳能电池组件最大功率跟踪技术d.并网逆变器运行状态“可视化”程度高，可通过显示屏清晰显示历史及实时的各项运行数据，同时有故障数据自动记录和存储功能。TabMajorelectricaleq多晶硅BIPV组件25台3台直流汇线箱(带防雷保护功能)配电柜(带计量)e.并网逆变器具有极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、超温保护、交流过流及直流过流保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠电压、电网过欠频、接地检测等保护功能。f.并网逆变器平均无故障运行时间不低于5年，使用寿命不低于20年。g.采用不带隔离变压器的高效并网逆变器，转换效率不低于96%。h.当公共电网失压时，防孤岛效应保护能在2s内完成，将光伏系统与公共电网断开。31绿色建筑并网型光伏发电系统设计研究(邮颖)在电网的电压及频率恢复正常后的20s到5min,光伏系统不向电网供电；在非超限状态电网恢复正常5～10min后，光伏系统恢复并网供电。低而升高(开路电压的温度系数可查看光伏组件供应商提供的资料),光伏组件串联后的开路电压在低温(指光伏发电系统安装地点的最低平均温度，深圳市一般取1.4℃)的时候必须小于并网逆变器允许的最b.光伏组件串并联后的最大电流不超过并网逆端电压(220/380V)等因素，选择与光伏组件总功逆变器(通常10kW以上的并网逆变器都是三相输出380V)。,通常情况下，95%<S<105%,当S=1时为最佳。下面以南立面(13层及以下区域),266块67.5Wp多晶硅BIPV光伏组件，配置2台10kW并初步选定采用2台10kW三相并网逆变器，其MPP(最大功率跟踪)电压范围330～800V。在深圳地区最低温度1.4℃时，与标准工作温 度25℃相差23.6K。此时，每块光伏组件的开路电压随温度降低而升高，开路电压为：11V×(1在深圳地区最高温度36.6℃时，光伏组件表面温度约65℃,与标准工作温度25℃相差40K。此时，每块光伏组件电压随温度升高而降低，电压为11V×(1-0.36%/K×40K)=9.在MPP电压范围330～800V内，串联数量为(330/9.416)～(800/11.9)=35～67块光伏组件。通常我们可以取中间偏上值，防止超出最高上再根据安装位置来设计串联数量，67块光伏组件共有67×67.5Wp=4.52kW,而每台10kW并网逆变器可输入约130～148块光伏组件；取其中67块逆变器中，满足10kW并网逆变器要求。的有机结合光伏建筑一体化有以下一些优点：建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地；能省去光伏系统的支撑结构、省去输电费用；光伏阵列可代替常规建筑材料，节省材料费用；安装与建筑施工结合，节省安装成本；使建筑物的外观更有魅力。把太阳能同建筑结合起来，将房屋发展成具有独立电源，自我循环式的新型建筑，是人类进步和社会、科学技术发展的必然。联合国能源机构的调查报告显示，BIPV将成为21世纪最重要的新兴产BIPV是光伏系统依赖或依附于建筑结构中的新jalg 6能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此BIPV设计以不损害和影响建筑效果和结构安全为基本原则，运用幕墙设计原理，合理设计BIPV光伏组件的构造形式，并对其细节进行优化和完善。主要包括风压变形性能、空气渗透性能、雨水渗漏性能、保温性能、隔声性能、平面内变形性能、耐冲击性能、防火性能、防雷性能、防腐性能、节能环保性能、经济合理性等。视觉效果包括整体效果的完整性、美观性，以及局部细节的高品质。在中国移动深圳信息大厦屋顶，建筑物的东、南、西侧立面及裙房屋顶位置，分别设置67.5Wp、95Wp、300Wp三种规格的太阳能电池组件组成太阳能电池阵列，太阳能电池组件总安装面积约2524m²。根据当地纬度和太阳辐射角等条件计算，光伏组件该大厦选用间接转换并网型光伏发电系统的方式；设计为大厦“自发自用”的光伏发电两套配电系统就近供给用电负荷。光伏发电系统1～13层立面的太阳能电池组件所发电能并入地下二层变配电房，供13层及以下的办公楼普通照明及地下车库普通照明等三级负荷使用；14层及以上太阳能电池组件所发电能并入29层避难层变配电房，供14层及以上办公楼普通照明、景观照明等三级负荷使用。经过以上修改设计达到节能的效果。13层及以下光伏发电系统原理图见图1。由于太阳能电池组件安装在建筑物外部，故对光伏发电系统采取以下防雷措施：a.光伏组件与建筑结构主体防雷系统应有可靠连接。b.直流汇线箱(带防雷保护功能)内设Ⅱ级试c.对沿交流输出线侵入的感应雷的防护，并网逆变器本身已经具有过电压保护功能，同时并接的外部电网系统也有雷电防护系统进行保护。d.对所有引入配电室的线槽金属外壳进行可靠接地。直流汇线箱(带防雷保护功能)全部采用厚度不小于1.5mm的冷轧钢板制作，外形美观，并做防腐处理，直流工作耐压1000V,防护等级不低于IP54,除了能满足太阳能电池组件直流汇流的需要，还具备防雷保护功能，以及电能计量、隔离、逆功率控制、过负荷保护等综合功能。本项目光伏发电监控系统包括以下设备：数据采71串2并70串2并22串3并(5台，具防雷保护功能)×安装区域：南、西立面(13层及以下)组件：548块67.5Wp多晶硅BIPV组件+66块95Wp标准单晶硅组件 (安装于地下二层变配电房)×图213层及以下光伏发电系统原理图(原方案)集器、光照传感器、温度传感器、监控电脑、显示设备等。监控系统可测量和显示系统工作电压和电流、系统的工作状态、直流侧的电压和电流、交流输出电压和电流、功率、功率因数、频率、故障报警信息以及环境参数，统计和显示日发电量、总发电量、节能减排指标等信息，并可打印报表；系统具有数据存储、查询功能，能够记录5年以上的数据，以方便归档查询；系统还具有开放的通信协议、标准通信接口，能实现实时通信，进行集中监控并实现故障自动记录、用电评价指标的记录计算。a.在该大厦早期的光伏发电系统方案中也曾考虑过使用新型的镍氢电池组储能的并网方式供电，但由于考虑满