包黨泉

（廣東四維電力工程有限公司，廣東 江門 529300）

1 項(xiàng)目背景簡述

佛山市寶捷精密機(jī)械有限公司3.5 MW屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目位于廣東省佛山市三水區(qū)創(chuàng)新西路寶捷精密機(jī)械有限公司屋頂，地理位置：東經(jīng)112.998°，北緯23.239°，運(yùn)行環(huán)境年平均氣溫21.9℃，年降水量1682.8mm，年平均日照1 721.7 h，項(xiàng)目安裝光伏組件最大標(biāo)稱容量為3 306.6 kWp，采用275 Wp多晶硅電池組件（1 650 mm×991 mm×35 mm）12 024塊，安裝于廠區(qū)的廠房彩鋼瓦屋面上，彩鋼瓦屋面光伏組件沿屋面平鋪。10 kV光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能光伏組件、逆變器（共配置41臺(tái)70 kW并網(wǎng)逆變器及2臺(tái)50 kW并網(wǎng)逆變器）、匯流箱（10臺(tái)）、升壓變壓器（2臺(tái)1 250 kVA及1臺(tái)800 kVA）、10 kV并網(wǎng)柜、監(jiān)控系統(tǒng)等主要設(shè)備組成。光伏系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 光伏電站布局

佛山市寶捷精密機(jī)械有限公司屋頂一共被分成5個(gè)車間區(qū)域，光伏系統(tǒng)采取自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式，在用戶側(cè)并網(wǎng)，用戶側(cè)優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)電能，光伏系統(tǒng)多余電量輸送到公共電網(wǎng)。在原有并網(wǎng)點(diǎn)，10 kV冶創(chuàng)金屬配電站將原有一套10 kV單向關(guān)口計(jì)量表改為雙向計(jì)量表，用以計(jì)量上網(wǎng)電量；在新建戶外箱式高壓室內(nèi)新增一套10 kV雙向計(jì)量表，用以計(jì)量光伏發(fā)電電量；由供電部門安裝計(jì)量裝置。在5個(gè)車間屋頂?shù)囊淮卧O(shè)備的布局設(shè)計(jì)中，主要考慮光伏陣列的傾角和間距問題，優(yōu)化光伏陣列的排布，在有限的空間內(nèi)獲得年最優(yōu)輻照量即目標(biāo)函數(shù)為最大的平均發(fā)電率，再根據(jù)陣列的排布優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的直流匯流箱和逆變器排布，節(jié)省電纜用量并降低工程造價(jià)[1]。

針對(duì)佛山寶捷屋頂分布式光伏發(fā)電效率的問題，根據(jù)光伏陣列的空間位置，對(duì)屋頂分布式光伏多晶硅電池組件位置、朝向、傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高屋頂分布式光伏組串所接受的年輻照度，增加屋頂分布式光伏電站年發(fā)電量。如圖2所示，假設(shè)屋頂所有的多晶硅電池組件具有同一物理屬性，其多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm保持不變，且組件與屋頂平行水平放置。

顯然，多晶硅電池組件的傾角γ和朝向角θ決定了其單位法向量所在的位置，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

太陽光照射在光伏發(fā)電板的方向角vs由其所在的太陽方位角α和太陽高度角β決定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

太陽方位角α和太陽高度角β可以由太陽赤緯角φ和時(shí)間角δ計(jì)算得出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：μ為佛山寶捷光伏電站所在的緯度。

故不考慮光伏發(fā)電板互相遮擋時(shí)，假定單塊光伏組件在2022年第N天（N的最大值為365）的t時(shí)刻的輻照度為EN.t，則其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：GN.t為第N天的t時(shí)刻太陽光照強(qiáng)度；S為單塊光伏組件受光照的面積；η為方向角vs與多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm的夾角。

但在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，不得不考慮光伏發(fā)電板的間距帶來遮擋問題的影響，假如光伏發(fā)電板的間距較大，使得前后光伏發(fā)電板互不遮擋，即太陽光過前排光伏陣列的頂點(diǎn)時(shí)投射在后排光伏陣列的最低點(diǎn)邊緣，此時(shí)雖然單塊的輻照度具備最大值，但在屋頂有限的面積內(nèi)光伏發(fā)電板前后的間距過大會(huì)導(dǎo)致屋頂排布的光伏發(fā)電板數(shù)量減少，其年平均發(fā)電量并不一定具有極大值；而前后間距過窄則會(huì)導(dǎo)致遮擋的部分陰影面積過大，單塊光伏組件發(fā)電效率低。因此要進(jìn)一步考慮前后光伏發(fā)電板的遮擋問題，如圖3所示，第i塊光伏發(fā)電板下邊緣的中點(diǎn)坐標(biāo)為p（xi，yi，zi），與第i+1塊光伏發(fā)電板遮擋部分的陰影的4個(gè)角坐標(biāo)為：

式中：l、ω分別為光伏發(fā)電板的底邊長與等斜高；n為光伏發(fā)電板數(shù)量。

其陰影部分的面積為S′，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

所以第i塊光伏組件實(shí)際的輻照度為：

本文暫不考慮環(huán)境因素、并網(wǎng)條件、逆變器最大功率追蹤算法、線路載流量等因素帶來的影響，優(yōu)化目標(biāo)為寶捷光伏發(fā)電項(xiàng)目全年最大平均發(fā)電率，以此為目標(biāo)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

對(duì)上述表達(dá)式采用粒子群搜索收斂法進(jìn)行迭代求解，可以得出最優(yōu)的傾角和朝向組合，朝向?yàn)槟掀珫|65°，傾角為32°，間距的平均值為（4±0.6）m。

3 接入系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)

光伏電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為站控層和間隔層，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)對(duì)時(shí)網(wǎng)，站控層采用單以太網(wǎng)，連接主機(jī)/操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站等。在站控層設(shè)置遠(yuǎn)動(dòng)工作站，并配置調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備；間隔層采用單以太網(wǎng)，按間隔配置，實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)控功能，連接本間隔單元的智能I/O設(shè)備等[2]。

3.1 調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏電站從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上直接獲得站內(nèi)全部運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括但不限于并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無功功率、發(fā)電量、事故總信號(hào)等。與調(diào)度端的主站進(jìn)行通信，將其所需的各個(gè)遙測、遙信和電能信息傳給調(diào)度端，同時(shí)也可接收調(diào)度端發(fā)來的各種信息，并具有通道監(jiān)視功能。尤其是并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)，具備三遙功能，并將所測結(jié)果移交至當(dāng)?shù)毓╇姽菊{(diào)度控制中心。

3.2 繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

光伏電站在10 kV線路保護(hù)方面，配置10 kV微機(jī)型保護(hù)測控一體化裝置一套，具有時(shí)限電流速斷、過流、零序保護(hù)功能；另外，10 kV并網(wǎng)柜設(shè)低頻、低壓解列裝置一套，具有低頻、低壓解列功能，低頻≤49.5 Hz動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間0.3 s，低壓解列≤0.8Ue動(dòng)作，動(dòng)作出口時(shí)間1.8 s。

在10 kV箱式變壓器保護(hù)方面，配置10 kV箱變高壓柜，采用微機(jī)保護(hù)測控一體化裝置，保護(hù)具有帶方向的電流速斷、過流及零序保護(hù)，同時(shí)需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能；10 kV箱變低壓柜采用微機(jī)保護(hù)測控一體化裝置，保護(hù)具有帶方向的電流速斷、過流、零序保護(hù)及非電量保護(hù)，同時(shí)需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能。

在逆變器保護(hù)配置方面，逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要電力電子設(shè)備，由其自控裝置實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器的輸出，保證并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的同步運(yùn)行。逆變器具備極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、孤島效應(yīng)保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)、接地保護(hù)、低頻低壓保護(hù)等功能，一旦發(fā)生并網(wǎng)電網(wǎng)交流電壓或頻率異常，逆變器的自控裝置將按整定時(shí)間動(dòng)作，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，自控裝置將關(guān)閉（停）逆變器，主動(dòng)防止孤島效應(yīng)，能夠保障設(shè)備和人身安全，防止事故范圍擴(kuò)大。

3.3 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏電站配置電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置一臺(tái)，在線監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)對(duì)供用電雙方電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)督，能反映各種電能質(zhì)量指標(biāo)特征及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，精確描述實(shí)際的電能質(zhì)量問題，從而提供對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合治理的依據(jù)。電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置安裝在二次艙的公用屏內(nèi)。

3.4 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)口點(diǎn)電能表：采用帶雙RS485口的多功能雙向電子式電能表，有功0.5S級(jí)，無功2.0級(jí)，雙表配置；CT：精度為0.2S級(jí)，變比為300/5；PT：精度為0.2級(jí)，變比為10/0.1。關(guān)口計(jì)量點(diǎn)設(shè)置在電力設(shè)施產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)，本項(xiàng)目設(shè)在計(jì)量柜（即G02柜），包括兩個(gè)電能表和一個(gè)負(fù)荷管理終端，所有電能表均以RS485通信接口接入負(fù)荷管理終端。全站計(jì)量儀表安裝在相應(yīng)的10 kV開關(guān)柜上，可通過負(fù)荷管理終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，接入計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文以佛山寶捷3.5 MW屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為基礎(chǔ)，探討了屋頂有限面積內(nèi)多晶硅電池組件在位置、朝向、傾角等因素影響下的空間布局最優(yōu)組合，所提數(shù)學(xué)方法在工程實(shí)際應(yīng)用上具有一定的參考意義。接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，從調(diào)度自動(dòng)化、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量、計(jì)量四個(gè)方面提出解決方案，大大地縮短了屋頂分布式光伏電站并網(wǎng)的整體流程，在使光伏并網(wǎng)工作更加規(guī)范化的同時(shí)，對(duì)今后新能源并網(wǎng)工程的有序快速發(fā)展能夠起到一定的引導(dǎo)作用。