50kWp屋顶分布式光伏并网发电系统的研究

何志诚 吕建 杨洪兴

50kWp屋顶分布式光伏并网发电系统的研究

何志诚1吕建1杨洪兴2

1天津城建大学能源与安全工程学院
2香港理工大学屋宇设备工程系

结合天津地区某小区屋顶分布式光伏发电系统，对其运行状态进行实时测试和分析。从发电效率、累计发电量、逆变器效率等指标评价实际工程的运行效果。针对分布式发电的特点，比较售楼处4个发电单元的运行情况，验证了发电单元朝向正南、倾角为当地纬度安装才有最佳的运行效果。并网逆变器能在阵列输出功率较小时达到较高的效率，且能量损失小。

分布式光伏系统发电效率并网逆变器

0引言

并网光伏发电技术作为发展可再生、绿色能源的主力军，已经经历了仅十几年的迅猛发展。作为并网光伏发电系统的新生力量，分布式并网发电将在今后的很长一段时间内得到重视、广泛推广和应用。《可再生能源发展“十二五”规划》中指出，“十二五”期间分布式光伏发电容量将超过1000万kW，而且支持分布式发电能并网[1]。由此可见，不管是与公共建筑还是与民用住宅相结合的分布式光伏并网发电系统将是我国推行可再生能源的一种重要形式，目前相关技术和运用还不够成熟，还需进一步通过示范工程对其做总结和应用推广工作。

分布式并网发电通常是把光伏电池阵列与建筑围护结构结合起来的一种形式，一般安装在平屋顶和坡屋面。屋顶分布式光伏系统不占用土地资源，特别适合于在建筑物密集、土地资源紧缺的城市中应用；产生的电力可以就近使用或并网，减少了电力传输及配电过程的能量损失；日照强时恰好是用电高峰，可以降低建筑物的用电峰值负荷，有效缓解电网负担；装机容量较小，对电网冲击小，电网消纳能力强[2]。

为了达到系统的最优化运行，在规划和设计阶段需要有针对性地预测和评估系统的发电能力和运行效果。文献[3]通过检测、采集由不同类型电池构成的光伏系统的电气变量和全年运行数据，并对其做经济性分析。文献[4]介绍了大型屋顶光伏并网示范电站的系统构成和设计研究，分析安装在不同围护结构处的光伏系统的运行情况，并开发出一套数据采集系统。另有光伏发电系统免费设计软件，具备较全面的数据库、系统设计、发电量预测及经济效益分析等功能。但是，实际工程应用中，多种因素综合影响光伏系统运行，太阳辐射（直射辐射和散射辐射）、温/湿度、空气透明度、光伏组件类型、表面积灰和周围环境。其中有些影响因素可以建立量化模型，而有些因素则由于地域性差异大，造成设计阶段的预测与现场实测有偏差，还需要积累更多更全面的现场数据，进一步完善模型的构建。

本文针对天津市滨海新区中新生态城某小区内的屋顶分布式并网光伏发电系统做长期数据运行观察和实验研究[5]，寻求实际应用中的分布式并网发电系统的发电能力、运行特性，综合评价分布式并网发电系统的应用效果。

1实验系统概况

1.1气候特征

该系统位于天津市滨海新区某小区内（北纬39° 06'～39°07'，东经117°43'～117°45'）。项目所在地属于大陆性半湿润季风气候，四季分明。春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集中；秋季天高气爽；冬季寒冷，干燥少雪。年平均日照时数为2998.9h，平均日照百分率为64.7%，属于太阳能资源较丰富区。

1.2系统构成

该系统于2010年12月份建成，主要由光伏阵列、并网逆变器及通讯监控装置组成（图1）。光伏阵列总峰值功率为51.3kWp。光伏电池板采用单晶硅电池，共计342块，分别安装在售楼处和6栋住宅楼屋面，其中售楼处由于其屋面限制，将光伏阵列按照不同方位角和不同倾角安装为4个7200Wp发电单元，每个发电单元用一台型号SMC7000HV的并网逆变器，其交流侧分别与四个30A可上锁的双级隔离器相连，之后由一根安装有单相电表的母线统一接至配电箱，在配电箱处光伏系统与屋苑公共电网系统相连，实现并网。接入电网部分的相关设备（隔离器，单相电表，配电箱等）均设于逆变机房内。住宅楼所使用的逆变器为SB3000型，安装形式与售楼处相似。

图1分布式并网光伏系统系统图

所用到的逆变器均为德国SMA公司所生产，自身就带有数据采集功能，采集的数据能满足要求，无需再添加相关数据采集设备，仅使用与逆变器配套使用的逆变器控制器即可完成与数据采集监控软件直接的通讯。采用PT100铂热电阻作为温度传感器，对光伏阵列和环境温度进行温度采集监控，PT100热电阻是利用其温度随电阻值之间的线性关系，将温度变量转换为可传送的标准化输出信号来测温。使用太阳辐射测试仪作为监控太阳辐射强度的仪器，并能通过相关采集模块把模拟信号转换为电信号传输至数据采集监控软件。

2数据分析

2.1发电量分析

影响屋顶分布式光伏发电系统输出电能的主要因素是照射到光伏组件表面的太阳辐射强度。由于太阳辐射强度的不稳定性，光伏系统的输出电量也不恒定。除这个主要因素之外，光伏组件工作温度、环境温度、组件表面积灰、连线损耗和传输线损也会影响到发电量。

50kWp分布式发电系统自2011年11月投入运行，截至2013年2月，已累计并网发电42403kWh。运行期间各部分光伏组件的发电量如图2所示。

图2分布式并网光伏系统各组件发电量的比较（kWh）

表1 4个光伏发电单元的安装方位角和倾角

售楼处的光伏阵列由于安装场地受限，将其划分成4个发电单元（7200Wp），每个发电单元用一个并网逆变器，其中每个单元的安装方位角和倾角如表1所示。

利用数据采集系统采集了售楼处4个发电单元2012年全年的运行数据，采样周期为1s，每个发电单元的峰值功率为7.2kWp，其运行的室外环境相似，但安装方位角和倾角有所差异，导致了阵列在发电量上的差别（图3）。

图3 2012年每个发电单元的并网发电量

从图3中看出，方位角朝正南，倾角为当地纬度的发电单元D具有最好的发电效果，其次是朝向正南，倾角较小的单元，发电能力最弱的为朝向南偏东方位，倾角与当地纬度相差较大的发电单元。在设计分布式光伏发电系统时，要根据现场的实际情况来选择最佳的设计方案，否则会导致实际运行情况与设计工况有较大偏差。

在利用光伏发电设计软件进行发电量的预测时，除了考虑软件中涉及的因素（如安装地点、方位角、倾斜角、峰值功率等），还要结合设备厂家提供的参考文件，对逆变器和其他杂项进行损耗估算，这样实际条件运行结果才会接近模拟结果。

2.2系统发电效率

定义发电效率N=Pa/Pd，实时发电效率为实测发电功率/峰值功率、累计发电效率为单位峰值功率电池在单位时间内发的电量。其中Pa为实测发电电功率，kW，Pd为系统峰值发电电功率。

图4售楼处光伏系统瞬时发电效率与辐射强度的关系

以售楼处的系统为例，图4所示是系统瞬时发电效率和太阳辐射强度之间的关系。在一天的运行当中，二者的变化趋势相似。上午，随着辐射强度的增大，发电效率增加较快，接近中午时候发电效率达到最大值，约为17%；午后，太阳辐射强度达到最大值，但发电效率略有降低，这是因为光伏电池板的温度升高，导致效率的下降。辐射强度的变化引起单晶硅电池系统的瞬时发电效率变化很明显，且延迟时间短。

图5为各月的实测发电效率。可以看出各月的发电效率差异很大，7、8月份虽然太阳辐射量大，但环境温度和电池板温度也高，使得发电效率低下。4、5月的发电效率最高，因为天津地区在这个时期太阳辐射强度较强，环境温度不高，而且大气透明度较好。各月的发电效率差异会引起负载的用电不均衡性，所以有负载的光伏系统必须得从全年用电均衡性的角度来选择光伏阵列的安装倾角，保证光伏电池的发电能力的有效发挥。

图5不同月份的发电效率

2.3逆变器效率分析

售楼处光伏系统所用SMC7000HV型并网逆变器是正弦波输出逆变器，最大效率为96.1%，DC端最大直流输入功率为7500W，最大直流输入电压为800V；AC端额定交流输出功率为6650W，最大交流输出功率7000W。运行可靠，功率损耗只有0.25W，可根据太阳辐射强度自动投入并网运行和停止并网运行。通过实测，其最高输出功率可达96.50%。

从图6中可知，当输入功率小时其输出效率较低。输入功率为260W时，效率仅有60%；随着输入功率的增加，逆变器的输出功率增大。当输入功率为1.5kW时，逆变器具有一个较高的效率，可稳定在93%左右。

图6 SMC-7000HV型逆变器输入直流功率与效率曲线

居民楼光伏系统所用的SB3000HF型并网逆变器也具有和SMC7000HV逆变器类似的性能。

3结论

本文通过对天津地区某小区屋顶分布式光伏发电工程实际运行情况测试及长期运行数据分析，得到以下结论：

1）分布式光伏发电系统与公建和住宅小区结合起来相较于大型光伏电站，具有能合理有效利用空置空间，分散发电就近并网等特点和优势，有更好的发展空间。

2）太阳辐射强度最能影响光伏系统发电能力，同时，阵列的安装方位角和倾角也很重要。分布式光伏发电系统在设计阶段，要结合安装现场情况，尽量使发电单元朝向正南，倾角为当地纬度安装，这样光伏阵列才能达到最佳的运行效果。

3）逆变器能在阵列输出功率不大的情况下就能达到较高的效率，功率损失小。

[1]黄宏平.分布式光伏发电或成“寒潮”突破口[N].中国高新技术产业导报，2013-01-21（C03）

[2]彭晋卿.太阳能光伏建筑一体化技术研究[J].建筑科技,2012, 21:54-59

[3]徐政,樊丽娟.BAPV并网发电系统的实验研究[J].太阳能学报, 2011,11:1623-1628

[4]刘莉敏,曹志峰,许洪华.50kWp并网光伏示范电站系统设计及运行数据分析[J].太阳能学报,2006,26(2):146-151

[5]毕业亮,张华玲.光伏建筑一体化实验研究[J].建筑热能通风空调,2010,29(2):34-36

The Study of a 50kWp Re s ide ntia l Rooftop Dis tribute d PV Sys te m

HE Zhi-cheng1,LV Jian1,YANG Hong-xing2
1 School of Energy and Safety Engineering,Tianjin Chengjian University
2 Department of Building Services Engineering,The Hong Kong Polytechnic University

Combined with a rooftop distributed PV system of a district in Tianjin area,its running state was real-time tested and analyzed.Operation effect of practical engineering from power generation efficiency,total generating capacity and inverter efficiency was evaluated.According to the characteristics of distributed PV system,the running stations of four generation unit were analyzed.The system has an optimal running state when generation unit toward the south and is installed at the latitude angle is verified.Grid inverter can achieve a high efficiency when the array output power is low and has a small energy loss.

distributed PV system,generation efficiency,grid inverter

1003-0344（2014）05-071-4

2013-6-17

何志诚（1989～），男，硕士研究生；天津城建大学能源与安全工程学院（300384）；E-mail:martin0410@163.com