某辦公樓光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘

要：光伏發(fā)電系統(tǒng)具備實(shí)施方便、清潔無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，在既有建筑照明系統(tǒng)老化的情況下，引入光伏發(fā)電、直流配電、分布式電源等形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，綠色節(jié)能，可降低既有配電網(wǎng)峰值壓力，提高照明系統(tǒng)可靠性。現(xiàn)以某辦公樓照明系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，對(duì)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的搭建、設(shè)計(jì)以及在既有建筑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，包括光伏方陣設(shè)計(jì)、直流配電電壓選擇、儲(chǔ)能電池容量選擇、年發(fā)電量估算等。關(guān)鍵詞：光伏組件；直流配電；儲(chǔ)能電池；光伏微電網(wǎng)

0

引言在能源消耗和碳排放“大戶”的建筑領(lǐng)域，在雙碳戰(zhàn)略背景下，以數(shù)字化、智能化為主的新型智慧配電系統(tǒng)，以消納新能源為主的微電網(wǎng)、局域網(wǎng)，是加速建筑碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要舉措?；诖?，研究構(gòu)建既有建筑物光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，并提出直流配電及分布式電源的應(yīng)用問(wèn)題。太陽(yáng)能作為清潔可再生能源，廣泛存在于各地，光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的重要途徑，往往以大面積的光伏電站、民用的小型屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)，大面積光伏發(fā)電站存在并網(wǎng)、輸送電的困難，民用小型屋面光伏發(fā)電存在供電穩(wěn)定性、可靠性不足的問(wèn)題，這些問(wèn)題都體現(xiàn)了太陽(yáng)能整體利用率不高的現(xiàn)狀。而光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合建筑內(nèi)的某個(gè)小型配電系統(tǒng)形成以光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、直流配電、柔性供電為核心的微電網(wǎng)系統(tǒng)，能夠有效提高太陽(yáng)能的利用率，解決光伏發(fā)電供電可靠性和穩(wěn)定性不足的問(wèn)題[1]。

1

項(xiàng)目概述某辦公樓為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，陶?；炷量招钠鰤K填充墻，層高均為3.5

m，建筑高度55.9

m，總建筑面積24

500

m2。該辦公樓地下1層，地上14層，其中第14層為局部建筑，功能為多功能大廳。辦公樓目前照明系統(tǒng)以T5熒光燈為主，由于照明使用頻率較高，鎮(zhèn)流器頻繁燒壞，燈管經(jīng)常更換，擬對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，現(xiàn)對(duì)全樓照明燈具統(tǒng)計(jì)如表1所示。此辦公樓照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造的主要內(nèi)容有：照明燈具更換為直流LED燈管，交流配電線路更換為直流配電線路，新增直流配電箱和分布式儲(chǔ)能電池，新增屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等。

2

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)框架搭建微電網(wǎng)屬于一種將分布式電源和負(fù)荷進(jìn)行儲(chǔ)能，將監(jiān)控防護(hù)裝置有效聚合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以有效提高整個(gè)光伏發(fā)電的質(zhì)量及可靠性[1]。本工程為既有建筑提升改造，擬采用直流系統(tǒng)為辦公樓照明負(fù)荷供電，與建筑新增光伏發(fā)電單元、分布式電源形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建圖1所示框架圖。該系統(tǒng)用電負(fù)載是直流負(fù)載，有光照時(shí)，組件將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用，并同時(shí)向蓄電池充電；夜間或者陰雨天，則由蓄電池或電網(wǎng)向負(fù)載供電，優(yōu)先選擇蓄電池，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，通過(guò)雙電源切換裝置切換至電網(wǎng)向負(fù)載供電[2]。

3

微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1

光伏方陣的串并聯(lián)設(shè)計(jì)本工程辦公樓總裝機(jī)容量為69.12Wp，采用單晶硅屋頂固定支架方陣。本工程選用的逆變器容量為40kW兩臺(tái)，最大陣列開路電壓為1000V，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電壓范圍300～850V，假定每一個(gè)光伏方陣的串聯(lián)組件數(shù)為N。3.1.1

光伏方陣的串聯(lián)設(shè)計(jì)電池組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[3]GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算公式如下：式中：N為電池組件串聯(lián)數(shù)；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Vmpptmin為逆變器輸MPPT最小電壓；Vmpptmax為逆變器輸MPPT最大電壓；Voc為光伏組件開路電壓；Vpm為光伏組件工作電壓；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；Kv’為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t’為光伏組件工作條件下的極限高溫。綜合考慮組件方陣布置情況及逆變器的選型，本工程的光伏組件均采用16塊組成一個(gè)串聯(lián)。3.1.2

光伏方陣的并聯(lián)設(shè)計(jì)光伏方陣的并聯(lián)數(shù)量根據(jù)逆變器容量大小來(lái)定，本工程選用單晶硅組件峰值功率為540Wp，則每臺(tái)40kW逆變器采用每串16塊540Wp單晶硅組件，單個(gè)逆變器安裝64塊光伏組件，共接入1個(gè)逆變器所安裝的光伏組件為4串。3.2

光伏子方陣的間距及傾角計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[3]中7.2.2條規(guī)定，光伏組件排或列的間距應(yīng)保證每天09：00—15：00時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋，此為計(jì)算光伏組件間距的基本依據(jù)。計(jì)算當(dāng)光伏方陣前后安裝時(shí)的最小間距D，如圖2所示。計(jì)算公式如下：太陽(yáng)高度角的公式：太陽(yáng)方位角的公式：式中：Φ為當(dāng)?shù)鼐暥葹?9.8°；d為太陽(yáng)赤緯，冬至日的太陽(yáng)赤緯為-23.5°；ω為時(shí)角，上午09：00的時(shí)角為-45°。式中：H為方陣前排最高點(diǎn)與后排組件最低位置的高度差。本工程的光伏組件沿混凝土屋面采用固定支架安裝，根據(jù)表2光伏陣列最佳傾角參考值可知，本工程光伏組件安裝傾角43.8°，組件之間安裝間距按上式計(jì)算可得D=4454mm。但在進(jìn)行光伏組件的布置時(shí)要避開女兒墻的陰影，并避開采光帶等構(gòu)筑物，方陣與女兒墻及采光帶留出1500～2000mm檢修通道。3.3

直流配電電壓的選擇根據(jù)T/CEC107—2016《直流配電電壓》，直流可選擇電壓如表3所示。建筑內(nèi)照明供電系統(tǒng)一般為AC220V供電，供電容量一般不超2kW。建筑內(nèi)常規(guī)照明AC220V供電系統(tǒng)改為直流供電，可優(yōu)選DC48V和DC220V，其中DC48V供電電壓為安全電壓，但是供電半徑比較短，無(wú)法滿足走廊、樓梯間等較長(zhǎng)距離的照明供電，而DC220V供電電壓雖不是安全電壓，但是跟常規(guī)AC220V供電電壓吻合，不存在供電半徑無(wú)法覆蓋的問(wèn)題。為進(jìn)一步確定該辦公樓照明系統(tǒng)的供電電壓，分別針對(duì)不同供電電壓下各種供電導(dǎo)線截面不同的情況，計(jì)算供電容量的極限和供電半徑的覆蓋范圍。式中：ρ為電阻系數(shù)，取0.0184Ω·mm2/m；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度（m）；P為回路容量（kW）；S為導(dǎo)線計(jì)算截面（mm2）；UDC為回路供電電壓（V）。忽略變電所至樓層配電干線壓降，僅考慮末端配電線路壓降不超過(guò)5%，通過(guò)計(jì)算，DC48V和DC220V照明供電容量和供電半徑對(duì)比如表4所示。從表4可知，選擇DC48V安全供電電壓需增加供電導(dǎo)線截面解決供電半徑不足的問(wèn)題，不是很經(jīng)濟(jì)。考慮到常規(guī)AC220V雖然為非安全電壓，但也作為照明供電電壓的優(yōu)選電壓經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐運(yùn)行證實(shí)其安全可靠，直流配電電壓亦可選擇DC220V，同時(shí)可通過(guò)加強(qiáng)絕緣、接地保護(hù)等間接接觸防護(hù)措施保證用電的安全性。本工程辦公樓綜合考慮選擇DC220V為辦公樓照明供電。3.4

儲(chǔ)能電池的容量本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池的容量按下式計(jì)算[4]：在本項(xiàng)目中，考慮最多1天的陰雨是合適的，所以此處蓄電池的容量應(yīng)為4410kW·h。蓄電池電壓需匹配電網(wǎng)電壓，即為220V，則蓄電池容量為20

045Ah，取整20800Ah。每串蓄電池組由110塊2V蓄電池組成，26串并聯(lián)，共計(jì)2860塊2V蓄電池。本項(xiàng)目共地下1層、地上14層，26串蓄電池組分5組，其中-1F～2F設(shè)置6串并聯(lián)，共660塊電池組；3F～5F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；6F～8F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；9F～11F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組；12F～14F設(shè)置5串并聯(lián)，共550塊電池組，從而構(gòu)成分布式電源。

4

年發(fā)電量計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[3]，光伏發(fā)電量計(jì)算如下：式中：EP為上網(wǎng)發(fā)電量（kW·h）；HA為水平面太陽(yáng)能總輻射量（kW·h/m2，峰值小時(shí)數(shù)）；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1

kW·h/m2）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數(shù)。綜合效率系數(shù)K包括：光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。本工程系統(tǒng)綜合效率系數(shù)取值82.5%。按照Meteonorm太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)，辦公樓屋頂水平面太陽(yáng)總輻射年平均值為1

391

kW·h/m2。根據(jù)光伏組件電池組件25年衰減率，按照分段線性衰減，第1年衰減2%，第2年至第25年，年平均年衰減率0.45%，按此計(jì)算得出25年分年發(fā)電量，考慮組件衰減性，第一年發(fā)電量理論計(jì)算值為8.5萬(wàn)kW·h，比年平均上網(wǎng)電量高出5.2%。25年總計(jì)發(fā)電量為201.41萬(wàn)kW·h，平均每年發(fā)電量為8.06萬(wàn)kW·h，平均每天發(fā)電量為221kW·h[5]。25年分年發(fā)電量如表5所示。

5

結(jié)語(yǔ)辦公樓照明系統(tǒng)原有熒光燈、節(jié)能燈等安裝容量145kW，年耗電量約36萬(wàn)kW·h，本辦公樓用電為商業(yè)用電每度電1.1元，考慮燈管更換等運(yùn)行費(fèi)用，原照明系統(tǒng)年消耗成本約43.56萬(wàn)元。光伏微電網(wǎng)安裝后，