浅谈分布式光伏发电系统在建筑设计的应用研究及光伏监控系统的设备选型

摘要：当前分布式光伏发电系统在建筑设计中的应用日趋成熟，本文对民用建筑分布式光伏发电系统的组成、设计要点、并网方案进行了研究，结合某小区的发电系统设计分析了分布式光伏发电系统的并网优势和效益，提出了光伏发电系统在建筑设计中的可行性的设计方法，进行电气设计和并网设计，旨在为分布式光伏发电系统在建筑设计中的进一步推广和应用提供参考。

关键词：光伏发电；并网设计；分布式光伏系统；物联网；储能

1引言

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特原理而将光能直接转变为电能的一种技术。无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的。中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的百分之十。太阳能，取之不尽，且具有清洁性、安全性、相对的广泛性、长寿命性和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。在《新能源法》及配套政策的支持下，我国光伏产业快速发展，光伏发电技术和成本均已形成一定的国际竞争力。

2013发布的《光伏产业健康发展的若干意见》，明确鼓励了建设各类分布式光伏。发电系统，但我国民用建筑光伏系统的推广和应用才刚刚起步，民用建筑光伏系统的电气设计经验尚且不足，阻碍了分布式光伏发电技术的发展，使民用建筑光伏发电系统的设计如何更好的结合我国国情已经成为了研究的重要点，随着由国家推动建设绿色环保型建筑的步伐不断进步，分布式光伏系统在建筑设计中的“中国化”指日可待，这必将在减少污染物排放、建设环保节约型社会、实现可持续发展的目标中发挥巨大作用。本文对分布式光伏发电系统结合某住宅小区的电气设计和并网设计，进行在用建筑中的应用研究。

2系统组成

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成，交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。如何将其应用在民用建筑上，需从光伏方阵、储能装置和逆变器。

2.1光伏方阵

光伏方阵(PV Array)又称光伏阵列，是由若干个光伏组件或光伏板在机械和电气上按一定方式组装在一起并且具有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。其基本发电单元是光伏电池，工程上往往将若干 个光伏电池串并联后封装成光伏组件来提高功率，再按照不同的需要进行串并联和线路设计就组成了满足不同设计要求的光伏方阵。在实际应用中，光伏方阵常出现热板效应，当某个电池出现故障导致输出功率大幅减小时，此时该电池相当于一个电阻，消耗其它光伏电池产生的能，热功率加大从而温度上升。为了避免这种现象的出现，需要在光伏电池的串联线路上安装旁路二及管作为电流能够绕过障碍电池的备用通路，接入住宅小区需要做继电保护和计量设计。

2.2储能装置

光伏发电的特性具有不稳定性，作为民用建筑使用，从电网安全、稳定、经济运行的角度分析，不加储能的光伏并网发电系统将对线路潮流、系统保护、电网经济运行、电能质量和运行调度等方面产生不利影响，目前解决光伏电站对电网影响的途径是提高电网活跃性或为并网光伏电站配置储能装置。常见的储能装置有蓄电池、超导磁和超电容等几种方式，其中蓄电池能够为光伏发电系统提供持续稳定的电能供应，故蓄电池成为分布式光伏发电系统中应用广泛的储能装置。

2.3逆变器

光伏逆变器是光伏发电系统两大主要部件之一，光伏逆变器的核心任务是跟随光伏阵列的大输出功率，并将其能以小的变换损耗、好的电能质量馈入电网。根据功率等级、内部电路结构及应用场合不同，一般可分为集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器三种类型。其中集中型逆变器具有初始投资小、运维稳定方便、单机功率大等特点，是目前大部分中大型光伏电站的重要选择，在全球5MW以上的光伏电站中，其选用比例超过百分之九十八。

3住宅小区分布式光伏的电气设计

3.1光伏方阵设计

光伏方阵的设计主要包括了结合住宅小区进行布置，考虑朝向、间距和布局三个方面。光伏方阵的朝向通常指光伏方阵的方位角和光伏组件的倾角。通常情况下，在北半球组件方位角为正南时，光伏组件能够接受的太阳辐射量大。较好的倾角的计算需要考虑连续性、均匀性和较大性三个方面，其中连续性是由气象资料查得某个地点的各月水平辐射总量较大的位置，当方位角偏离正南方向时，组件的较佳倾角随方位角的增加而减小。均匀性是指选择倾角时，较好能使方阵面上全年接收到的平均日辐射量比较均匀，比较接近，以免造成夏天较大的浪费。较大性是指选择倾角时，还应尽量使方阵面上在冬季的平均日辐射量达到较大值，同时兼顾到全年平均日辐射不能太小。考虑本次设计是嘉兴某小区，其方阵的间距主要考虑冬季时太阳高度较低，后排方阵容易被前排遮挡。相关技术规范规定，为了确保在日出后或日落前3小时在冬至日后排方阵不被前排方阵遮挡，即保证全年每天中当地时间的上午9时至下午3时之间光伏组件无阴影遮挡，此次倾角设计为32˚。另外在方阵设计过程中要计算方阵的较小间距。实际情况下，周边环境如建筑的改造、植被生长等往往难以预知，所以在设计时还需要预留出一部分面积作为“缓冲带”。

3.2逆变器设计

逆变器的设计需要在光伏系统生命周期内寻找总发电量和总成本的平衡点，还要考虑电网接入，如故障穿越能力、电能质量、电网适应性等方面的要求。依据各种逆变器的特点，结合所应用的光伏电站实际情况，从电网友好、方便建设维护等方面进行科学合理的选用。逆变器常采用被动与主动相结合的孤岛效应保护措施，当检测到公共电网失压后，将立刻切断与电网的联结，避免电能输送，当逆变器检测到公共电网恢复后，不会马上输送电能，而是对电网进行一定时间(通常为180s)的监测，确保系统线路稳定后才入网。

4住宅小区并网设计

4.1并网设计

民用建筑光伏系统并网设计内容包括系统设计、方案划分、继电保护计量。其中，民用建筑光伏系统并网设计方案通常有以下三种(表1)。嘉兴某小区供电电源由市政提供，电压等级为10KV，计划将变电站设在小区地下一层，主电缆经室外引至各楼配电室，即采用方案3的设计方案。光伏系统在小区地下一层进行380V/220V配电室处并网，优先向储能设备供电，剩余电接入10KV中压变电站380V母线，经变压器升压后接入10 KV公共电网。并网配电柜采用单母线接线，如图1所示。

4.2继电保护和计量装置设计

对该小区的发电系统选用瑞士ABB的微型断路器，利用断路器的脱扣特性和宽范围的电流等级为小区分布式发电系统提供过载和断路保护，并且配备母线保护装置和孤岛检测装置的逆变器装置。在并网点设置并网电能表，在产权分界点设置关口计量电能表，电能表采用静止式多功能型，具备电流、电压、电量等信息和三相电流不平衡监测功能，采集的信息分别接入管理部门和光伏发电管理部门，为电能计量和电价补贴提供依据。

表1分布式光伏系统设计方案

5 Acrel-1000DP分布式光伏监控系统

安科瑞作为一家致力于智能电网用户端智能电力监控和电能计量管理的研发与运用。其应用于光伏发电站的产品包括光伏电站监控系统、光伏运维云平台、智能通信管理机、电能质量监测和治理装置、微机保护装置等仪表和装置产品。

安科瑞的Acrel-1000DP分布式光伏监控系统可对用户光伏发电、用电进行集中监控、统一调度、统一运维，满足用户可靠、安全、节约、效率、有序用电的要求。对用户提供运维服务，实现能源互联，信息互通，打破信息孤岛；根据用电设备负荷重要性分级管理，错峰有序用电。同时，该系统满足GB/T 38946《分布式光伏发电系统集中运维技术规范》中对运维子站的相关技术要求。

5.1 Acrel-1000DP分布式光伏监控系统的特点

输出功率相对较小。容量在数千瓦以内。污染小，环保效益突出。发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染。能够在一定程度上缓和局地的用电紧张状况。发用电并存。分布式光伏发电是接入配电网，发电用电并存，且要求尽可能地就地消纳。

平台管理层：

5.2 系统功能

5.2.1 实时监测

Acrel-1000DP分布式光伏监控系统人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。同时可以设计整体界面，供用户选择对应配电房对应光伏组件或高压部分进行查看。

5.2.2逆变器监视

在逆变器监控图中，可以直接查看该回路详逆变器的交直流两侧电压电流情况、输入功率、输出功率、逆变器的温度等信息。并根据项目光伏发电实际接入情况，分开查看对应光伏逆变器组件数据。

5.2.3网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

5.2.4曲线查询

在曲线查询界面可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等曲线。 

在“双碳”背景下，随着分布式新能源的广泛建设，分布式光伏接入配电网后势必产生的电压问题，因此在发展分布式光伏并网过程中需要一套安全可靠的分布式光伏监控系统解决方案，为用户、电网助力分布式光伏高比例有序并网，强化分布式光伏的统一管控，推动分布式光伏和大电网的协调运行，搭建数据透明、调控便捷、能源互动的新型分布式新能源调度管理体系。

6 相关硬件配置

6.1ANET2E4SM智能通信管理机

ANet-2E4SM模块化能源网关是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款通用型智能通信管理机，将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块，其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作，整个设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线等链路采集水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据，标配的8路无源干接点可实时采集门禁、水浸、烟感等开关量信息，可通过有线网络、WiFi网络、4G网络等链路上传告警、实时数据等信息。主模块搭配从模块可灵活扩展，增加更丰富的应用场景，同时还可提供边缘计算等需求。

6.1.1 ANET2E4SM智能通信管理机特点

模块化可灵活扩展8路无源干接点开关量采集，可实时采集仪表、门禁、水浸、烟感等开关量信息

1个主Lora选配内嵌模块可无线采集32个从Lora仪表，免于布线实现快速部署，可扩展1个4G全网通无线模块，提供4G上传及4G无线路由功能可扩展3个485串口模块，每个串口模块提供4个RS485串行接口。

可扩展1个USB无线网卡，支持接入wifi无线网络，可支持wifi仪表的数据采集或wifi网络的数据转发上传

支持掉电后运行5秒以上时间，并支持运维等协议的掉电报警需求

所有扩展模块都可单独采购，更能方便现场环境改造及业务扩容，节省成本硬件篇技术参数 指标电压/功耗DC12V～36V小于10W处理器ARM32位Cortex-A7内核，528MHz存储内存 256MB，DDR3内存+256MB，NANDFlash电子硬盘串行接口主模块：4路光耦隔离RS48+1路 RS232(调试口)以太网接口2路 10/100M自适应Lora无线选配，1路，载波频率410MHz~525MHz，Lora调制方式USB，HOST1路USB2.0高速接口，支持接入U盘作断点续传或无线wif网卡（选配）

6.1.2 产品图片

6.2 DJSF1352型电子式直流电能表

6.2.1 概述

DJSF1352型电子式直流电能表采用液晶显示，具有RS485功能可与微机进行数据交换。产品由测量单元、数据处理单元、通讯单元、显示单元等组成，具有电能测量、数据处理、实时监测等功能。DJSF1352-RN导轨式直流电能表带有双路直流输入，主要针对电信基站、直流充电桩、太阳能光伏等应用场合而设计，该系列仪表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等。在实际使用 现场，即可计量总电能，又可计量规定时间段内的电能。检测的结果既可用于本地显示，又能与工控设备、计算机连接，组成测控系统。仪表可具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645-97(07)协议；可带继电器报警输出和开关量输入功能；根据不同要求，通过仪表面板按键，对变比、报警、通讯进行设置；具有开关量事件记录（Modbus协议）、编程和事件设置记录（645协议）、数据瞬时和定时冻结功能（645协议）、电压电流功率最大值、最小值记录功能。

6.2.2 产品图片

【参考文献】

[1]姚兴佳,刘国喜,朱家玲.可再生能源及其发电技术[J].北京:科学出版社,2010.

[2]肖潇,李德英.太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势[J].节能,2010(2):12-18.

[3]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京: 电子工业出版社,2014.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11月版 

作者介绍：

虞佳豪，男   现任职于江苏安科瑞电器制造有限公司，主要研究方向为电能计量管理与保护。

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