遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司 ■ 王志喜

0 引言

遼寧省第十二屆全運(yùn)會文化場館的太陽能光伏項目具有較高的社會知名度和社會影響力。項目具有“建筑規(guī)模大、功能復(fù)雜、工藝要求高、設(shè)計施工難點較集中、新技術(shù)新工藝應(yīng)用涵蓋多專業(yè)、建設(shè)工期高度緊迫”等特點。作為本項目四大單體工程中的光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站，以其所具有的技術(shù)先進(jìn)性，系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、可靠性，以及所帶來的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值成為遼寧省第十二屆全運(yùn)會文化場館的一大亮點。

光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)是由光伏方陣、光伏匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、防逆流系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和顯示電能相關(guān)參數(shù)的儀表組成。光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)為用戶側(cè)并網(wǎng)，在遼寧省科技館屋頂建設(shè)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目。本項目采用230 W/29.5 V太陽電池板，22塊串聯(lián)為一組，3個組串通過1臺防雷匯流箱，共采用光伏匯流箱4臺進(jìn)入交直流配電柜。直流電通過逆變器逆變后，交流電進(jìn)行并網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。樓頂共放置太陽電池組件264塊，總裝機(jī)容量為60.72 kW。此系統(tǒng)采用先進(jìn)的防逆流控制技術(shù)，光伏發(fā)電首先提供給負(fù)載用電，即發(fā)即用原則，當(dāng)用電量小于光伏發(fā)電量時，防逆流控制器減小逆變器功率輸出，避免向上一級變壓器輸送電量。整個系統(tǒng)具備監(jiān)測功能，通過逆變器與PC機(jī)通信，顯示系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。

圖1 現(xiàn)場施工圖

1 系統(tǒng)組成與設(shè)計

1.1 光伏組件的設(shè)計選型

光伏組件是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本組成單元，是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的主要部件。根據(jù)文化場館建筑設(shè)計及其電力負(fù)荷確定光伏組件的類型、規(guī)格、數(shù)量、安裝位置、安裝方式和可安裝場地面積；根據(jù)光伏組件規(guī)格及安裝面積確定光伏系統(tǒng)最大裝機(jī)容量；根據(jù)并網(wǎng)逆變器的額定直流電壓、最大功率跟蹤控制范圍、光伏組件的最大輸出工作電壓及其溫度系數(shù)確定光伏組件的串聯(lián)數(shù)；根據(jù)總裝機(jī)容量及光伏組件串的容量確定光伏組件串的并聯(lián)數(shù)。在對光伏組件進(jìn)行設(shè)計選型時，要首先考慮并網(wǎng)逆變器的額定直流電壓、最大功率跟蹤控制范圍。

圖2 光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)

1.2 光伏組件支架

光伏系統(tǒng)設(shè)計過程中，支架系統(tǒng)作為直接支撐光伏組件的核心結(jié)構(gòu)，其成本在整個光伏系統(tǒng)中所占比重雖然不大，但對系統(tǒng)的安全性及其發(fā)電效率卻有至關(guān)重要的作用。合理的支架結(jié)構(gòu)形式能提升系統(tǒng)抗風(fēng)抗雪載的能力；合理的運(yùn)用支架系統(tǒng)在承載方面的特性，可進(jìn)一步對其尺寸參數(shù)做優(yōu)化，節(jié)約材料、降低成本，同時增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)一步做出貢獻(xiàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)及地理條件，文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站的結(jié)構(gòu)支架設(shè)計采用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計流程，以均勻分布載荷作用下光伏組件的變形均值為參數(shù)目標(biāo)，通過對C型鋼光伏支架系統(tǒng)的分析模擬，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，做出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。應(yīng)用先進(jìn)的三維軟件的參數(shù)化設(shè)計功能，按照每個連接點間的參數(shù)關(guān)系式建立完整的支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；模型建立后，應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行整體流體力學(xué)分析(如圖3所示)，對支架整體結(jié)構(gòu)方陣抗風(fēng)荷載能力進(jìn)行模擬校核，實現(xiàn)光伏支架結(jié)構(gòu)完全數(shù)字化設(shè)計。

圖3 光伏支架FLUENT流體分析

1.3 光伏并網(wǎng)逆變器及智能監(jiān)控裝置

光伏并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，主要功能是將光伏組件發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)；同時實現(xiàn)對中間電壓的穩(wěn)定，便于前級升壓斬波器對最大功率點的跟蹤；并且其具有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)行。光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)該具備兩個特點：穩(wěn)定性和高效性。

文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站所采用的光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏串輸入電壓通過Boost電路傳輸?shù)街绷髂妇€上，再將直流輸入進(jìn)行最大功率點跟蹤，以確保即使在不同的PV輸入條件下，也可獲得最大功率。三電平逆變電路將直流轉(zhuǎn)化為交流電，交流電將通過五芯端子饋入電網(wǎng)。保護(hù)電路用于保證逆變器的安全運(yùn)行與人員安全。逆變器內(nèi)存在直流開關(guān)，用于安全斷開直流電流；逆變器還提供標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊接口，便于對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。該逆變器擁有極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、對地絕緣監(jiān)測、逆變器輸出電壓監(jiān)測、逆變器輸出頻率監(jiān)測、剩余電流保護(hù)、交流輸出電流的直流分量監(jiān)測、反孤島保護(hù)、環(huán)境溫度監(jiān)測、直流過壓保護(hù)、過流保護(hù)、功率模塊溫度保護(hù)等保護(hù)功能；也可對有功功率和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 防逆流裝置與智能監(jiān)控裝置

1.4.1 防逆流裝置

在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中為了防止光伏發(fā)電系統(tǒng)把剩余電能送入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成影響，一般都需要在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)置防逆流裝置。這樣可避免增加電表的讀數(shù)，消除用戶的電費(fèi)損失。通過檢測母線功率及各光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，運(yùn)用一定的邏輯判斷來防止電流流向電網(wǎng)。

全運(yùn)會文化場館光伏智能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防逆流裝置是在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，檢測流經(jīng)電表的電流并產(chǎn)生逆流信號，根據(jù)逆流信號產(chǎn)生防逆流控制信號并發(fā)送到組件逆變器。在已出現(xiàn)逆流的情況下，系統(tǒng)判斷逐級與下位機(jī)通訊減掉多發(fā)出的電量；當(dāng)出現(xiàn)不足的情況時，逐級增加電池板的發(fā)電量，直到全部打開，如果仍不滿足，需要由市電補(bǔ)充。

1.4.2 光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 防逆流系統(tǒng)原理圖

光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)是對系統(tǒng)中的各項電流和電壓燈信號進(jìn)行采集顯示，將多個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和電流信號在一個現(xiàn)場控制中心顯示屏內(nèi)顯示，并且可顯示實時波形、讀取歷史數(shù)據(jù)波形、檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、監(jiān)控逆變器的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息等。遠(yuǎn)程控制中心也能讀取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)便于各部門信息共享。光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)的使用能實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)電站完整、統(tǒng)一的實時監(jiān)控和控制，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)是通過逆變器中的各項數(shù)據(jù)采集模塊，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的各項電壓電流信號進(jìn)行采集匯總，采用阻抗匹配RS485專用電纜與逆變器進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)信號反饋給監(jiān)控中心。同時，監(jiān)控中心也可通過監(jiān)控軟件對逆變器的一些簡單易用的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。所設(shè)置的參數(shù)通過通信電纜反饋到逆變器中，進(jìn)而改變逆變器中的參數(shù)，做到對系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整。

2 光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)綜合性分析

2.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

由光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的特點可知，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏組件使用壽命可達(dá)20～25年。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)總成本只包括初始設(shè)備費(fèi)和施工費(fèi)，由于其可靠性高，又不消耗常規(guī)能源，每年的維修費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)基本為零，可不必考慮。

根據(jù)目前非居民用電電價0.6元/kWh及《中國電價和電力發(fā)展研究》課題組的最新研究結(jié)論，無論是從宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還是從行業(yè)發(fā)展來看，電價水平還有一定的調(diào)升空間；適當(dāng)調(diào)整電價水平及其結(jié)構(gòu)，不僅不會導(dǎo)致價格總水平的顯著上漲，而且還會有利于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。經(jīng)過測算，目前中國的經(jīng)濟(jì)和社會狀況能承受的電價水平的合理上漲系數(shù)是每年0.04元/kWh。 按光伏并網(wǎng)系統(tǒng)20年運(yùn)行周期計算，同時考慮社會利率及電價上漲因數(shù)，節(jié)約的電費(fèi)現(xiàn)值分別計算如下：

每年節(jié)約的用電量(60 kW裝機(jī)容量，峰值日照時間4.67 h，發(fā)電效率按70%計算)：

60 kW × 4.67 h × 365 d × 0.7=71591.1 kWh

每年節(jié)約的電費(fèi)A1=71591.1 kWh × 0.6元/kWh=42954.66元，每年節(jié)約的電費(fèi)增加額G1=71591.1 kWh × 0.04 元 /kWh=2863.644 元。分別利用等額收付和遞增等差收付序列現(xiàn)值計算公式，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)20年節(jié)約電費(fèi)現(xiàn)值P1計算過程如下：

式中，i是對應(yīng)于可再生能源系統(tǒng)的社會年利率，取10%；n是光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏組件工作年限；A1是每年太陽能路燈節(jié)省的等年值電費(fèi)；G1是太陽能路燈每年節(jié)省的因電價預(yù)期上調(diào)增加的等差變額電費(fèi)。

2.2 社會效益分析

光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)對于一個城市甚至一個國家來說，標(biāo)志著現(xiàn)代物質(zhì)文明和精神文明的進(jìn)步、人們觀念的更新和環(huán)保意識的增強(qiáng)；對于帶動一個城市的科技文化進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展意義重大，也是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)繁榮的重要標(biāo)志；其社會效益顯著，大幅縮短了一個城市與現(xiàn)代文明社會的距離，使其早日步入新天地。

2.3 環(huán)境效益分析

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電原理工作，不消耗化石燃料，無CO2、SO2等有害氣體的排放，清潔干凈，環(huán)境效益良好。據(jù)估算，本項目在光伏組件使用壽命20年內(nèi)可減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒430.196 t，減少CO2排放量651.81 t，減少SO2排放量3.17 t。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用對于保護(hù)相關(guān)地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境有著特殊意義。

3 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場實際運(yùn)行和詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)計算分析表明，遼寧省第十二屆全運(yùn)會文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性、穩(wěn)定性；無論從經(jīng)濟(jì)評估角度、社會評估角度和環(huán)境評估角度，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)都必將為人類所接受，在太陽能的應(yīng)用上人類必將迎來光伏智能并網(wǎng)的新時代。

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