摘要：當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用日趨成熟，本文對民用建筑分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成、設(shè)計要點、并網(wǎng)方案進行了研究，結(jié)合某小區(qū)的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計分析了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)優(yōu)勢和效益，提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的可行性的設(shè)計方法，進行電氣設(shè)計和并網(wǎng)設(shè)計，旨在為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的進一步推廣和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)設(shè)計；分布式光伏系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；儲能

1引言

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特原理而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。無論從世界還是從中國來看，常規(guī)能源都是很有限的。中國的一次能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的百分之十。太陽能，取之不盡，且具有清潔性、安全性、相對的廣泛性、長壽命性和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。在《新能源法》及配套政策的支持下，我國光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)和成本均已形成一定的國際競爭力。

2013發(fā)布的《光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，明確鼓勵了建設(shè)各類分布式光伏。發(fā)電系統(tǒng)，但我國民用建筑光伏系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用才剛剛起步，民用建筑光伏系統(tǒng)的電氣設(shè)計經(jīng)驗尚且不足，阻礙了分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，使民用建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計如何更好的結(jié)合我國國情已經(jīng)成為了研究的重要點，隨著由國家推動建設(shè)綠色環(huán)保型建筑的步伐不斷進步，分布式光伏系統(tǒng)在建筑設(shè)計中的“中國化"指日可待，這必將在減少污染物排放、建設(shè)環(huán)保節(jié)約型社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)中發(fā)揮巨大作用。本文對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合某住宅小區(qū)的電氣設(shè)計和并網(wǎng)設(shè)計，進行在用建筑中的應(yīng)用研究。

2系統(tǒng)組成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成，交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。如何將其應(yīng)用在民用建筑上，需從光伏方陣、儲能裝置和逆變器。

2.1光伏方陣

光伏方陣(PV Array)又稱光伏陣列，是由若干個光伏組件或光伏板在機械和電氣上按一定方式組裝在一起并且具有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元。其基本發(fā)電單元是光伏電池，工程上往往將若干 個光伏電池串并聯(lián)后封裝成光伏組件來提高功率，再按照不同的需要進行串并聯(lián)和線路設(shè)計就組成了滿足不同設(shè)計要求的光伏方陣。在實際應(yīng)用中，光伏方陣常出現(xiàn)熱板效應(yīng)，當(dāng)某個電池出現(xiàn)故障導(dǎo)致輸出功率大幅減小時，此時該電池相當(dāng)于一個電阻，消耗其它光伏電池產(chǎn)生的能，熱功率加大從而溫度上升。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要在光伏電池的串聯(lián)線路上安裝旁路二及管作為電流能夠繞過障礙電池的備用通路，接入住宅小區(qū)需要做繼電保護和計量設(shè)計。

2.2儲能裝置

光伏發(fā)電的特性具有不穩(wěn)定性，作為民用建筑使用，從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度分析，不加儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對線路潮流、系統(tǒng)保護、電網(wǎng)經(jīng)濟運行、電能質(zhì)量和運行調(diào)度等方面產(chǎn)生不利影響，目前解決光伏電站對電網(wǎng)影響的途徑是提高電網(wǎng)活躍性或為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置。常見的儲能裝置有蓄電池、超導(dǎo)磁和超電容等幾種方式，其中蓄電池能夠為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能供應(yīng)，故蓄電池成為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的儲能裝置。

2.3逆變器

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大主要部件之一，光伏逆變器的核心任務(wù)是跟隨光伏陣列的大輸出功率，并將其能以小的變換損耗、好的電能質(zhì)量饋入電網(wǎng)。根據(jù)功率等級、內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場合不同，一般可分為集中型逆變器、組串型逆變器和微型逆變器三種類型。其中集中型逆變器具有初始投資小、運維穩(wěn)定方便、單機功率大等特點，是目前大部分中大型光伏電站的重要選擇，在全球5MW以上的光伏電站中，其選用比例超過百分之九十八。

3住宅小區(qū)分布式光伏的電氣設(shè)計

3.1光伏方陣設(shè)計

光伏方陣的設(shè)計主要包括了結(jié)合住宅小區(qū)進行布置，考慮朝向、間距和布局三個方面。光伏方陣的朝向通常指光伏方陣的方位角和光伏組件的傾角。通常情況下，在北半球組件方位角為正南時，光伏組件能夠接受的太陽輻射量大。較好的傾角的計算需要考慮連續(xù)性、均勻性和較大性三個方面，其中連續(xù)性是由氣象資料查得某個地點的各月水平輻射總量較大的位置，當(dāng)方位角偏離正南方向時，組件的較佳傾角隨方位角的增加而減小。均勻性是指選擇傾角時，較好能使方陣面上全年接收到的平均日輻射量比較均勻，比較接近，以免造成夏天較大的浪費。較大性是指選擇傾角時，還應(yīng)盡量使方陣面上在冬季的平均日輻射量達到較大值，同時兼顧到全年平均日輻射不能太小。考慮本次設(shè)計是嘉興某小區(qū)，其方陣的間距主要考慮冬季時太陽高度較低，后排方陣容易被前排遮擋。相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，為了確保在日出后或日落前3小時在冬至日后排方陣不被前排方陣遮擋，即保證全年每天中當(dāng)?shù)貢r間的上午9時至下午3時之間光伏組件無陰影遮擋，此次傾角設(shè)計為32?。另外在方陣設(shè)計過程中要計算方陣的較小間距。實際情況下，周邊環(huán)境如建筑的改造、植被生長等往往難以預(yù)知，所以在設(shè)計時還需要預(yù)留出一部分面積作為“緩沖帶"。

3.2逆變器設(shè)計

逆變器的設(shè)計需要在光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)尋找總發(fā)電量和總成本的平衡點，還要考慮電網(wǎng)接入，如故障穿越能力、電能質(zhì)量、電網(wǎng)適應(yīng)性等方面的要求。依據(jù)各種逆變器的特點，結(jié)合所應(yīng)用的光伏電站實際情況，從電網(wǎng)友好、方便建設(shè)維護等方面進行科學(xué)合理的選用。逆變器常采用被動與主動相結(jié)合的孤島效應(yīng)保護措施，當(dāng)檢測到公共電網(wǎng)失壓后，將立刻切斷與電網(wǎng)的聯(lián)結(jié)，避免電能輸送，當(dāng)逆變器檢測到公共電網(wǎng)恢復(fù)后，不會馬上輸送電能，而是對電網(wǎng)進行一定時間(通常為180s)的監(jiān)測，確保系統(tǒng)線路穩(wěn)定后才入網(wǎng)。

4住宅小區(qū)并網(wǎng)設(shè)計

4.1并網(wǎng)設(shè)計

民用建筑光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計、方案劃分、繼電保護計量。其中，民用建筑光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計方案通常有以下三種(表1)。嘉興某小區(qū)供電電源由市政提供，電壓等級為10KV，計劃將變電站設(shè)在小區(qū)地下一層，主電纜經(jīng)室外引至各樓配電室，即采用方案3的設(shè)計方案。光伏系統(tǒng)在小區(qū)地下一層進行380V/220V配電室處并網(wǎng)，優(yōu)先向儲能設(shè)備供電，剩余電接入10KV中壓變電站380V母線，經(jīng)變壓器升壓后接入10 KV公共電網(wǎng)。并網(wǎng)配電柜采用單母線接線，如圖1所示。

4.2繼電保護和計量裝置設(shè)計

對該小區(qū)的發(fā)電系統(tǒng)選用瑞士ABB的微型斷路器，利用斷路器的脫扣特性和寬范圍的電流等級為小區(qū)分布式發(fā)電系統(tǒng)提供過載和斷路保護，并且配備母線保護裝置和孤島檢測裝置的逆變器裝置。在并網(wǎng)點設(shè)置并網(wǎng)電能表，在產(chǎn)權(quán)分界點設(shè)置關(guān)口計量電能表，電能表采用靜止式多功能型，具備電流、電壓、電量等信息和三相電流不平衡監(jiān)測功能，采集的信息分別接入管理部門和光伏發(fā)電管理部門，為電能計量和電價補貼提供依據(jù)。

表1分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計方案

5 Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

安科瑞作為一家致力于智能電網(wǎng)用戶端智能電力監(jiān)控和電能計量管理的研發(fā)與運用。其應(yīng)用于光伏發(fā)電站的產(chǎn)品包括光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)、光伏運維云平臺、智能通信管理機、電能質(zhì)量監(jiān)測和治理裝置、微機保護裝置等儀表和裝置產(chǎn)品。

安科瑞的Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)可對用戶光伏發(fā)電、用電進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運維，滿足用戶可靠、安全、節(jié)約、效率、有序用電的要求。對用戶提供運維服務(wù)，實現(xiàn)能源互聯(lián)，信息互通，打破信息孤島；根據(jù)用電設(shè)備負荷重要性分級管理，錯峰有序用電。同時，該系統(tǒng)滿足GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運維技術(shù)規(guī)范》中對運維子站的相關(guān)技術(shù)要求。

5.1 Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的特點

輸出功率相對較小。容量在數(shù)千瓦以內(nèi)。污染小，環(huán)保效益突出。發(fā)電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產(chǎn)生污染。能夠在一定程度上緩和局地的用電緊張狀況。發(fā)用電并存。分布式光伏發(fā)電是接入配電網(wǎng)，發(fā)電用電并存，且要求盡可能地就地消納。

平臺管理層：

5.2 系統(tǒng)功能

5.2.1 實時監(jiān)測

Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。同時可以設(shè)計整體界面，供用戶選擇對應(yīng)配電房對應(yīng)光伏組件或高壓部分進行查看。

5.2.2逆變器監(jiān)視

在逆變器監(jiān)控圖中，可以直接查看該回路詳逆變器的交直流兩側(cè)電壓電流情況、輸入功率、輸出功率、逆變器的溫度等信息。并根據(jù)項目光伏發(fā)電實際接入情況，分開查看對應(yīng)光伏逆變器組件數(shù)據(jù)。

5.2.3網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。

5.2.4曲線查詢

在曲線查詢界面可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等曲線。 

在“雙碳"背景下，隨著分布式新能源的廣泛建設(shè)，分布式光伏接入配電網(wǎng)后勢必產(chǎn)生的電壓問題，因此在發(fā)展分布式光伏并網(wǎng)過程中需要一套安全可靠的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，為用戶、電網(wǎng)助力分布式光伏高比例有序并網(wǎng)，強化分布式光伏的統(tǒng)一管控，推動分布式光伏和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，搭建數(shù)據(jù)透明、調(diào)控便捷、能源互動的新型分布式新能源調(diào)度管理體系。

6 相關(guān)硬件配置

6.1ANET2E4SM智能通信管理機

ANet-2E4SM模塊化能源網(wǎng)關(guān)是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統(tǒng)管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標(biāo)準(zhǔn)智能通信管理機獨立工作，整個設(shè)備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)，標(biāo)配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關(guān)量信息，可通過有線網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的應(yīng)用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

6.1.1 ANET2E4SM智能通信管理機特點

模塊化可靈活擴展8路無源干接點開關(guān)量采集，可實時采集儀表、門禁、水浸、煙感等開關(guān)量信息

1個主Lora選配內(nèi)嵌模塊可無線采集32個從Lora儀表，免于布線實現(xiàn)快速部署，可擴展1個4G全網(wǎng)通無線模塊，提供4G上傳及4G無線路由功能可擴展3個485串口模塊，每個串口模塊提供4個RS485串行接口。

可擴展1個USB無線網(wǎng)卡，支持接入wifi無線網(wǎng)絡(luò)，可支持wifi儀表的數(shù)據(jù)采集或wifi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳

支持掉電后運行5秒以上時間，并支持運維等協(xié)議的掉電報警需求

所有擴展模塊都可單獨采購，更能方便現(xiàn)場環(huán)境改造及業(yè)務(wù)擴容，節(jié)省成本硬件篇技術(shù)參數(shù) 指標(biāo)電壓/功耗DC12V～36V小于10W處理器ARM32位Cortex-A7內(nèi)核，528MHz存儲內(nèi)存 256MB，DDR3內(nèi)存+256MB，NANDFlash電子硬盤串行接口主模塊：4路光耦隔離RS48+1路 RS232(調(diào)試口)以太網(wǎng)接口2路 10/100M自適應(yīng)Lora無線選配，1路，載波頻率410MHz~525MHz，Lora調(diào)制方式USB，HOST1路USB2.0高速接口，支持接入U盤作斷點續(xù)傳或無線wif網(wǎng)卡（選配）

6.1.2 產(chǎn)品圖片

6.2 DJSF1352型電子式直流電能表

6.2.1 概述

DJSF1352型電子式直流電能表采用液晶顯示，具有RS485功能可與微機進行數(shù)據(jù)交換。產(chǎn)品由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通訊單元、顯示單元等組成，具有電能測量、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)測等功能。DJSF1352-RN導(dǎo)軌式直流電能表帶有雙路直流輸入，主要針對電信基站、直流充電樁、太陽能光伏等應(yīng)用場合而設(shè)計，該系列儀表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等。在實際使用 現(xiàn)場，即可計量總電能，又可計量規(guī)定時間段內(nèi)的電能。檢測的結(jié)果既可用于本地顯示，又能與工控設(shè)備、計算機連接，組成測控系統(tǒng)。儀表可具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645-97(07)協(xié)議；可帶繼電器報警輸出和開關(guān)量輸入功能；根據(jù)不同要求，通過儀表面板按鍵，對變比、報警、通訊進行設(shè)置；具有開關(guān)量事件記錄（Modbus協(xié)議）、編程和事件設(shè)置記錄（645協(xié)議）、數(shù)據(jù)瞬時和定時凍結(jié)功能（645協(xié)議）、電壓電流功率最大值、最小值記錄功能。

6.2.2 產(chǎn)品圖片

【參考文獻】

[1]姚興佳,劉國喜,朱家玲.可再生能源及其發(fā)電技術(shù)[J].北京:科學(xué)出版社,2010.

[2]肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)能,2010(2):12-18.

[3]楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2014.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11月版 

作者介紹：

虞佳豪，男   現(xiàn)任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電能計量管理與保護。

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