張羽雁

（中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100080）

1 某客運(yùn)綜合體光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目概況

項(xiàng)目由A、B兩座塔樓組成，其中塔樓A用地面積約1萬m2，總建筑面積約3.6萬m2，地上1.6萬m2，地下2萬m2，建筑功能為辦公（含公交辦公用房）、公交站場、汽車站、地下停車庫等；塔樓B用地面積約3.4萬m2，總建筑面積約16.8萬m2，其中地上建筑面積11.7萬m2，地下建筑面積5.1萬m2。建筑功能為商務(wù)辦公樓、客運(yùn)港、地下停車庫等?？瓦\(yùn)港裙房屋面面積共有約1.7萬m2，大部分區(qū)域可用于光伏組件的布置。

項(xiàng)目共設(shè)一個電業(yè)10 kV開關(guān)站，由該電業(yè)開關(guān)站引出7路10 kV市政電源供本項(xiàng)目使用，這7路電源編號為1#～7#。其中1#、2#電源接至客運(yùn)港變電所，內(nèi)設(shè)2臺2 000 kVA變壓器；3#、4#電源接至公交變電所，內(nèi)設(shè)2臺2 000 kVA變壓器；5#、6#電源（各5 500 kVA）接至商務(wù)辦公10 kV配電室，下設(shè)4個分變電所，分別是塔樓A的高區(qū)變電所（內(nèi)設(shè)2臺1 000 kVA變壓器）、塔樓A的中區(qū)變電所（內(nèi)設(shè)2臺1 250 kVA變壓器）、塔樓A的1層變電所（內(nèi)設(shè)2臺2 000 kA變壓器），塔樓B的1層變電所（內(nèi)設(shè)2臺1 250 kVA變壓器）；7#電源則供至冷機(jī)變電所和充電樁變電所。項(xiàng)目設(shè)1臺0.4 kV柴油發(fā)電機(jī)作為自備電源。

2 光伏組件電氣特性曲線和溫度系數(shù)

了解光伏組件的電氣特性需要從4個方面展開，分別是I-V曲線、P-V曲線、MPPT跟蹤、溫度系數(shù)[1]。首先是組件的I-V曲線（如圖1所示），圖中不同顏色的5條曲線分別對應(yīng)不同的輻照度?？梢悦黠@看到任何一條曲線都有三個部分，第一部分是“水平段”（近乎水平，略微下降），第二部分是“膝蓋”（近乎圓?。谌糠质恰皦Α保ń醮怪保?。對于1 000 W/m2這條曲線來說，與X軸的交點(diǎn)就是光伏組件的開路電壓Voc，與Y軸的交點(diǎn)就是短路電流Isc。

圖1 25 ℃條件下的I-V特性曲線

當(dāng)把圖1中的Y軸由電流更換為功率時，得到的就是組件的P-V特性曲線，該曲線如圖2所示。從圖2可以看出，隨著輻照度的增加，光伏組件發(fā)出的功率也在變大。在同一輻照度條件下，每條曲線都有一個最大功率點(diǎn)Pmax，在Pmax點(diǎn)的左邊，電壓升高功率增加，在Pmax點(diǎn)的右邊，電壓升高則功率下降。

圖2 25 ℃條件下的P-V特性曲線

在一個回路中，如果使負(fù)載電阻等于供電電源的內(nèi)阻時，可以在負(fù)載上獲得最大功率[2]。由于太陽能電池是一個不穩(wěn)定的供電電源，即輸出功率是隨著日照強(qiáng)弱、天氣陰晴、溫度高低等因素隨時變化，因此就需要通過最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的控制技術(shù)，來實(shí)時獲得光伏組件的最大發(fā)電功率。目前主要是采用光伏逆變器中的DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤控制[3]。如圖2所示，當(dāng)光伏組件工作在D點(diǎn)時，跟蹤控制電路將自動調(diào)低組件的輸出電壓，使輸出功率點(diǎn)由D點(diǎn)向C點(diǎn)偏移，輸出功率增加；同理，當(dāng)光伏組件工作在A點(diǎn)時，跟蹤控制電路將自動調(diào)高組件的輸出電壓，使輸出功率點(diǎn)由A點(diǎn)向B點(diǎn)偏移，輸出功率增加。通過不斷對光伏組件的輸出電壓進(jìn)行小幅度的擾動，實(shí)時計算其輸出功率的變化，從而實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的跟蹤。

光伏組件的溫度系數(shù)分電壓溫度系數(shù)、功率溫度系數(shù)和電流溫度系數(shù)。通常組件溫度降低時，光伏組件的輸出電流會隨之降低，而電壓隨之升高。光伏組件產(chǎn)品樣本一般都會提供STC（是指標(biāo)準(zhǔn)測試條件，大氣質(zhì)量AM1.5，輻照度1 000 W/m2，電池溫度25 ℃）測試下的溫度系數(shù)。表1是某款光伏組件產(chǎn)品樣本上提供的溫度系數(shù)。以開路電壓Voc為例，溫度每降低1 ℃，開路電壓升高0.25%。

表1 光伏組件的電氣參數(shù)及溫度系數(shù)（STC測試）

3 逆變器MPPT電壓范圍與光伏組串?dāng)?shù)量

在進(jìn)行組件的串并聯(lián)方案設(shè)計時，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的設(shè)計電壓應(yīng)高于光伏組件串在當(dāng)?shù)貢冮g極端氣溫下的最大開路電壓。依據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797—2012）[4]得

式中：N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N取整）；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)。

在本工程中，取Vdcmax=1 100 V，t=0 ℃，表1為光伏組件的電氣參數(shù)及溫度系數(shù)，以表1中的數(shù)據(jù)代入式（1），可求得N≤21。

更寬的MPPT電壓范圍能夠?qū)崿F(xiàn)早晨更早發(fā)電，日落后更多發(fā)電。當(dāng)組串的MPPT電壓達(dá)到逆變器MPPT電壓范圍，逆變器就可以追蹤到組串的最大功率點(diǎn)。為此，光伏組件串的最大功率工作電壓變化范圍應(yīng)在逆變器的最大功率跟蹤電壓范圍內(nèi)。依據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797—2012）[4]得

式中：Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmp為光伏組件的工作電壓，V；t'為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；K'v為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V。

在本工程中，逆變器的MPPT電壓范圍為200～1 000 V，t'取60 ℃，以表1中的數(shù)據(jù)代入式（2），可得：6≤N≤23。結(jié)合式（1），可得6≤N≤21，又因?yàn)楫?dāng)N為偶數(shù)時，組件在屋面布置時更對稱和方便，故本工程中可取N為20。通過平面布置，本工程可以布設(shè)1 800塊535 Wp的光伏組件，光伏總安裝容量為963 kWp。選用單臺100 kW的并網(wǎng)型光伏逆變器10臺，每臺可接入20串9并的光伏組件。光伏組串接線示意圖如圖3所示。

圖3 光伏組串接線示意圖

4 主接線的設(shè)計方案

主接線設(shè)計需要設(shè)計人員根據(jù)發(fā)電容量、配電網(wǎng)絡(luò)、用電負(fù)荷發(fā)展等綜合考慮，以經(jīng)濟(jì)、安全為原則，提出合理的接入電壓及接入系統(tǒng)方案。在確保電網(wǎng)和分布式電源安全運(yùn)行的前提下，綜合考慮光伏發(fā)電容量和項(xiàng)目發(fā)展等因素，合理確定接入電壓等級、接入點(diǎn)和逆功率保護(hù)配置[5]。本項(xiàng)目共有兩種可供選擇的接入方式，一種是圖4左圖所示采用10 kV接入，第二種方案是如圖4右圖所示采用400 V方式接入。A

圖4 主接線示意圖

從圖4可以看出，在本項(xiàng)目中，如采用10 kV側(cè)接入，需單獨(dú)增加光伏專用升壓變壓器及配套高壓柜，而采用400 V側(cè)接入由于可以和商辦共用變壓器，變壓器和配套高壓柜都可以節(jié)約，占用的建筑空間也更小，所以擬定采用400 V側(cè)接入、并網(wǎng)不上網(wǎng)的技術(shù)方案。塔樓A的1層變電所的變壓器共有2臺，每臺為2 000 kVA，服務(wù)對象為商業(yè)辦公。為此將10臺光伏逆變器也分為2組（圖4僅表達(dá)了其中一組，另一組同此方式接入6#10 kV電源），每組約500 kW分別接入一臺2 000 kVA變壓器的低壓側(cè)。這樣的好處是光伏的發(fā)電和商辦的用電較為契合，可以確保絕大多數(shù)的時間內(nèi)光伏發(fā)電為商辦變壓器下的“內(nèi)部負(fù)荷B”消納，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用。即便是周末的白天，辦公區(qū)域的負(fù)荷降低了，商業(yè)部分的負(fù)荷依然存在。但是還要考慮到商辦的用電負(fù)荷是隨著商辦的入駐率而逐步提升的，在項(xiàng)目開業(yè)的早期，存在內(nèi)部負(fù)荷B偏小無法消納全部光伏電力的可能性。所以必須允許光伏發(fā)出的電力可以通過變壓器升壓至10 kV母線供至內(nèi)部負(fù)荷A，由于5#進(jìn)線總?cè)萘繛? 500 kVA，這樣光伏所發(fā)電力更易實(shí)現(xiàn)被內(nèi)部完全自用。

由于采用的是自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，所以在圖4中編號為“1”的10 kV進(jìn)線處設(shè)置的計量只需要是常規(guī)的單向計量表即可，需要特別說明的是如果采用的是并網(wǎng)上網(wǎng)模式則需要改為雙向貿(mào)易電能表。而在圖4中編號為“4”的400 V交流并網(wǎng)點(diǎn)出線側(cè)，則可設(shè)置針對光伏發(fā)電的專門計量裝置。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)不上網(wǎng)，在圖4中編號為“5”的位置設(shè)置一套逆功率保護(hù)裝置，并通過接觸器來控制各逆變器的接通還是關(guān)斷。而功率變送器的采樣位置則有兩個選擇，分別是設(shè)置在圖4中編號“1”和編號“2”處。設(shè)置在編號“2”處時，當(dāng)內(nèi)部負(fù)荷B無法消納全部光伏發(fā)電則會觸發(fā)逆功率保護(hù)。而如果設(shè)置在編號“1”處，則當(dāng)內(nèi)部負(fù)荷B無法消納全部光伏發(fā)電時，可以供電給負(fù)荷A。僅當(dāng)負(fù)荷A+負(fù)荷B都無法消納全部光伏電力時，才會觸發(fā)逆功率保護(hù)裝置，進(jìn)而分檔位地逐步切除光伏逆變器。而當(dāng)用電負(fù)荷再次增大時，保護(hù)裝置會自動發(fā)出接觸器的合閘命令，從而保證光伏發(fā)電利用的最大化。

5 光伏引起的無功補(bǔ)償問題

光伏發(fā)電并不是穩(wěn)定電源，當(dāng)采用本文圖4這類400 V側(cè)接入的方式時，做變壓器負(fù)荷計算選定變壓器容量時一般不應(yīng)計入光伏的影響。但在日常的運(yùn)行中，會出現(xiàn)因光伏提供了一部分有功功率替代了市電，導(dǎo)致從市電側(cè)看功率因數(shù)偏低的情況[6]。舉個極端的例子，當(dāng)光伏提供的有功恰好完全替代了市電提供的有功的時候，此時市電僅提供了一定數(shù)量的無功，但提供的有功是零，此時從變壓器低壓側(cè)總開關(guān)處測量功率因數(shù)變?yōu)榱恪?/p>

對于這類情況一般有兩種解決方案，一個是相應(yīng)增加一部分無功補(bǔ)償；二是配置光伏電站無功控制器EMU，EMU通過采樣關(guān)口計量點(diǎn)的功率因數(shù)來調(diào)整逆變器的功率因數(shù)。但第二種方法并不推薦，因其會損失組件發(fā)出的有功功率。

對于有逆流到高壓側(cè)的系統(tǒng)而言，如圖4中編號“3”位置處，應(yīng)設(shè)置無功補(bǔ)償四象限智能控制器，而常規(guī)的自動功率因數(shù)控制器僅能識別功率因數(shù)超前或滯后，不適合逆流情況下使用。

6 結(jié) 論

總體而言，城市中的民用建筑可用于光伏安裝的屋頂面積占比并不高，所以采用10 kV側(cè)接入的方案可能性較小，更多的情況下可采用與建筑本身的用電負(fù)荷合用變壓器的方式。采用這種方式后可通過將逆功率保護(hù)的采樣點(diǎn)前移至10 kV進(jìn)線側(cè)的技術(shù)手段，來減少棄光情況的發(fā)生，特別是在項(xiàng)目建成的早期。光伏的接入帶來了計量、保護(hù)、無功補(bǔ)償?shù)炔煌矫娴挠绊?，需要采取相?yīng)的技術(shù)應(yīng)對措施，本工程采用的設(shè)計方法可供同行參考。