屋顶分布式光伏发电工程设计

屋顶分布式光伏发电工程设计

赵鹏飞 许思佳 陈乙媚

（海南科税电力设计有限公司） （河南平高电气股份有限公司） （海口经济学院）

摘要：本文主要从光伏组件选型、逆变器选型、组串及阵列间距设计等方面介绍屋顶分布式光伏电站设计方法，并给出选型建议。

关键词：分布式；光伏发电；设备选型；设计方法

0 前言

习近平总书记自2020年9月22日在第七十五届联合国大会上发表讲话至今，多次在重大国际场合就“中国力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和”发表重要讲话。屋顶分布式光伏不受资源地域限制，能充分利用建筑屋面的优势，安全可靠，，无污染排放，是国家“碳达峰、碳中和”布局中重要的一环。

1、屋顶分布光伏发电系统

光伏发电系统是指通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统，分为离网或并网发电光伏系统，离网型光伏系统为弧岛运行，应用较少。屋顶分布式光伏发电系统，为并网型系统，应用最为广泛，主要部件包括电池组件、直流电缆、逆变器、交流电缆和并网箱等，通常不配备储能设备，采用0.4kV并网运行方式。当装机容量大于已有变压器容量时，则需新建升压变以高电压等级接入电网，本文主要介绍0.4kV接入系统的屋顶分布式光伏电站设计。

2、设计收资

(1)建设场地的经纬坐标、太阳辐射、海拔、地震烈度及历史极限温度。

(2)建设地点建筑物高度、朝向、面积、坡度、屋面形式、防水情况，通常采用无人机勘察。

(3)建筑物年限，建筑荷载，由具备资质的第三方进行荷载检测。

(4)用户的配电网现状，如接火点位置、线路走向、设备布置等。

(5)公共电网现状，公用变压器位置及容量等。

3、屋顶分布式光伏电站一次设计

3.1确定接入系统方案

光伏电站接入电网方式分为“全额上网”、“自发自用、余电上网”和“全部自用”三种模式。

（1）全额上网

如图3.1-1，光伏电站所发电能直接进入公共电网，该方式一般用于能源企业投资，租用屋面进行建设，光伏发电收益投资企业与电网公司直接结算。

图3.1-1 全额上网 图3.1-2 自发自用，余电上网 图3.1-3 全部自用

1.2自发自用，余电上网

如图3.1-2，光伏并网箱出线接入原计量内部，所发电能优先供业主消纳，剩余电能并入公共电网，该方式应用最为广泛，因电网电价高于上网电价，所以该方式收益较好。

1.3全部自用

如图3.1-3，在“自发自用，余电上网”基础上，增加防逆流装置，通过实时监测并网点电压、电流信号计算电力潮流方向，若出现向电网输送电能，则控制逆变器降低输出电流，减小光伏系统发电功率，实现全部自用，该并网方式应用较少。

设计时首先确定接入系统方式，并明确接入电压、计量装置的数量、并网点的位置，并取得当地供电部门的批复，作为具体设计的依据。采用0.4kV线路接入公共电网时，提前取得接入批复尤为重要，如果线路已接有光伏电站，且容量超过变压器容量一定比例后，项目可能无法并网。

3.2光伏组件选型

光伏组件是光伏电站的基本发电设备，太阳电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池等类型。单晶硅电池长期衰减率较小，低辐照度时的相对效率较高，并具有良好的机械性能，电池破碎的概率小，耐候性较好，应用最为广泛，多晶硅已逐步市场。目前国内技术成熟单晶硅光伏组件，首年衰减率首年2%，而以后每年功率衰减仅为 0.55%，使用寿命可达三十年。所以，屋顶分布式光伏电站设计通常选用单晶硅光伏组件，如主流550Wp单晶硅PERC光伏组件。

3.3逆变器选型

组串式逆变器的功率器件采用小电流MOSFET，系统拓扑结构采用DC-DC BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换方式，设备功率在8kW～225kW之间。其拥有多路MPPT，能够根据不同光伏组串的工作状态灵活调整，并且MPPT电压范围较宽，对阴雨天气有良好的适应性，能够延长发电时间，适合于组件布置分散，工作环境复杂的工程。

屋顶分布式光伏电站，光伏组件布置在各建筑单体屋面上，屋面场地较为复杂，组件受屋面障碍及阴影遮挡影响，采用组串式逆变器，可减小组件不匹配造成的功率损失。所以，逆变器设计选型为组串式逆变器。

3.4组串设计

组件经过串联后接入组串式逆变器，串联数量必须满足逆变器的直流输入电压要求，串联数量应按照公式3.4-1、3.4-2计算。

(式3.4-1)

(式3.4-2)

式中：

Voc－光伏组件的开路电压（V）；

Vpm－光伏组件的工作电压（V）；

t－为光伏组件工作条件下的极限低温（℃）；

t′－为光伏组件工作条件下的极限高温（℃）；

Kv－光伏组件的开路电压温度系数；

Kv′－光伏组件的工作电压温度系数；

N－光伏组件的串联数（N 向下取整）；

Vdcmax－逆变器允许的最大直流输入电压（V）；

Vmpptmax－逆变器 MPPT电压最大值（V）；

Vmpptmin－逆变器 MPPT电压最小值（V）；

从上式中可以看出，组串的光伏组件串联数量由组件电气参数、逆变器直流输入电压参数、气象条件确定。设计时适当考虑组件运行时带来的温升，另外串联数越大，所需MPPT数量越少，直流电缆相应减少，直流侧电能损耗也相应减少，因此设计时按计算结果尽量选择较大的组串数。

3.5阵列间距设计

阵列布置设计时，要考虑前、后排及障碍物的阴影遮挡问题，应满足冬至日当天早晨9:00至下午15:00的时间段内，光伏组件不被遮挡。如图3.4-1，阵列间距离计算方法如下。

图3.4-1 光伏阵列间距离示意图

太阳高度角：sinα=sinΦsinδ+cosΦcosδcosω

太阳方位角：sinβ=cosδsinω/cosα

式中：

Φ：当地纬度；

Δ：太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5°；

Ω：时角，上午9:00的时角为-45°。

H：障碍高度差。

D=cosβ×L，L=H/tanα，α=arcsin(sinΦsinδ+cosΦcosδcosω)

即：

（式3.5-1）

例如海口市某项目，纬度为20.018°，阵列前有高度差1m的障碍物，根据式3.5-1计算，D为1.32米。实际设计过程中，一般编制excel计算表格计算，提高设计效率。

3.6电缆选型

直流侧电缆应满足耐火、耐气候、耐高温的要求，设计选型采用PV1-F型光伏专用电缆，绝缘层和外部护套经辐射交联，具有较好的绝缘和机械性能命。屋顶分布式光伏直流电缆距离较短，截面积选用4mm2，当压降和损耗不满足要求时，选用较大截面。交流电缆选型一般为阻燃低烟无卤铠装电缆，根据逆变器容量选择电缆载面，采用电缆穿管、槽盒或桥架敷设，进出管、墙等处的电缆孔洞采用防火堵料封堵设计。

3.6防雷接地设计

整个光伏电站接地电阻不大于4Ω，当不满足要求时，应新设计接地体，敷设以水平接地体为主，垂直接地体为辅，联合构成的闭合回路的接地装置。光伏组件边框设计采用黄绿线接地，组件安装檩条应直接与避雷带连接。将方阵支架通过屋面扁铁（圆钢）与屋面避雷带连接接地。箱体外壳单独接地，接地线设计一般不小于16mm2。

4.屋顶分布式光伏电站二次设计

4.1继电保护及安全自动装置

设计中选型的组串式并网逆变器为制造厂成套供货设备，设备中包含有欠电压保护、过电压保护、低频保护、孤岛保护、短路保护等功能。

2、防孤岛保护

除逆变器具有防弧岛保护外，光伏系统主断路器设计具有欠压脱扣、延时自动重合闸功能，同时具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时保护、短路速断保护、漏电保护。

3、电能计量

电能计量回路为标准化设计，以当地供电部门要求进行，计量表表可实时测量并计算各相的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、电网频率、表内温度、当前有功需量及当前无功需量等数据。通过载波通讯至集中器或直接通过负控终端进行通信。

4、后台监控

屋顶分布式光伏单体电站容量较小且站址比较分散，为逆变器的配置4G或GPRS通信棒，采用无线通信，通过手机APP或网络后台进行实时监控。

结束语

随着“碳达峰、碳中和”政策的不断贯彻，屋顶分布式光伏项目也出现的爆发式增加，本文全面介绍了屋顶分布式光伏的设计方法，并推荐现有产品选型，提升设计工作效率。

参考文献

[1]汤琳娜. 分布式光伏电站的发展与应用分析[J]. 光源与照明,2021,(09):60-61

[2]石巍,崔旭萌,张彦昌.屋顶分布式光伏电站优化设计[J].电力勘测设计,2018(01):75-80.