中国工业园大型光伏屋顶电站的应用与研究

　　前 言：随着人类工业的发展，化石能源的利用不断给环境带来各方面的压力，世界各国加快了对清洁新能源的开发利用，太阳能因具有清洁无害、分布广泛等特点，越来越受到人们的青睐。太阳能光伏也成为当今分布式新能源发电的热点，然而由于当今工业化发展不断诞生的工业园一次又一次拉起电力缺口的警报，于是，将分布式光伏电站嫁接在负荷中心的工业园上成为高效利用分布式能源发电的新形式。

　　1. 研究意义与目标

　　目前，光伏发电在我国主要有两种并网应用形式：大型地面（荒漠）电站和光伏建筑一体化。前者存在并网接入难、配套电网建设成本高的缺点，后者往往发电规模小、节能效益不突出；而随着我国工业的快速发展，建设在以工业园等负荷中心的大规模屋顶光伏电站成为高效利用光伏发电的新型方式。

　　众所周知，中国是一个制造业的大国，2011 年工业用电占全国全部电力的75%，而这些大的用电企业往往集中在以生产制造为主的工业园区。据统计，到目前为止，全国大型国家级工业园区有131 个，省级工业园区1500 多个，而如何为工业园提供稳定可靠的电力供应，做到不拉闸不限电，一直是电力公司难以解决的突出问题。而光伏屋顶电站的引入为它带来新的机遇。

　　积极推进工业园光伏屋顶电站的建设，还因其具有以下显著优点：

　　1） 延缓了电网投资建设、降低电能线路损耗，具有良好的节能减排效益。用电侧与发电侧在同一区域，不仅节省线路投资，也大大省去了电能在输配电网上的损耗。

　　2）对电网具有一定的调峰作用。光伏发电在白天，而工业园区用电高峰变在白天，这对供电区域错峰用电，调节峰谷值起到一定作用。

　　3）利用园区厂房建光伏电站，无需另外占地，节约了土地资源。

　　因此，研究如何建设工业园区大型光伏屋顶电站是非常具有时代意义的。

　　2. 光伏政策

　　为促进太阳能光伏应用在国内的发展，国家相继推出一系列支持政策。从最早1997 年的针对偏远无电区太阳能独立发电系统的“光明工程”，到2009 年针对并网光伏发电系统应用的“金太阳示范工程”，以及2011 年1 月出台的“太阳能光电建筑应用一体化示范项目”，都在光伏发电项目上给予一定的财政补贴，国家也通过像“甘肃敦煌10MW 光伏电站”等特许权招标项目，摸底光伏行业成本，继而在2011 年7 月出台历史性的上网标杆电价政策。不仅在国家层面，各省级如江苏、山东等也纷纷出台各自的光伏应用政策，极大地推动了光伏产业的发展。各扶持政策见下表：

表1 国家支持光伏的政策

　　

　　由表可见，国家在对光伏项目的支持力度是很大的，但同时我们也不难发现，金太阳工程实施的三年，其导向重点已从鼓励一般型用户侧和大型地面（荒漠）并网电站慢慢转向用电负荷集中的经济技术开发区、工业园区的光伏发电形式，以及智能电网和微电网项目。这也是本篇文章编写的意义所在。

　　此外，光伏发电项目还可通过合同能源管理方式，以节能减排指标获取国家补助政策，使得节能服务公司和用能单位均获得利益。

　　3. 大型光伏屋顶电站的设计难点

　　3.1 大型光伏屋顶电站的特点

　　大型光伏屋顶电站不同于前两种光伏系统，它既具有装机规模大（往往MW 级以上），同时具有带负载特点，这使得它不能像普通的光伏建筑一体化直接接入低压配电系统（因光伏容量一般远小于负荷，不用考虑负荷大小问题）；

　　也不同于大型荒漠电站，没有自身负荷只需升压接入大电网。大型屋顶电站既要考虑并网运行安全性（接入位置与容量），又要考虑运行的经济性（自发自用还是上网卖电，以及如何分配），同时还需要考虑不同负荷用电特性时段的运行模式（如节假日停产或具有间隔休息的厂区等），所以大型屋顶电站的并网设计成为整个电站的设计难点。

　　3.2 大型屋顶电站并网设计难点

　　大型屋顶电站并网与诸多因素有关，设计非常复杂，必须考虑的以下几方面：

　　3.2.1 并网发电利用形式

　　一般来说，光伏电站主要有如下四种并网发电利用形式：

　　1）完全自发自用型+ 逆功率控制。即纯粹的用户侧并网，并配置逆功率保护系统保证不向上一级电网供电区域逆流。

　　2）自发自用+ 剩余电力型。用户侧并网，但允许有多余光伏电力存在，并且采取相应措施解决和利用这部分电力，确保电网安全基础上得到最大经济效益。

　　3）全上网型。需要升压接入配电网，由电力公司对其电力进行全收购。

　　4）自发自用+ 上网型。整个电站系统中部分自发自用，部分升压上网卖电。

　　不同的并网方式有不同的回报效益，项目投资初期应根据政策支持方式，如申请报金太阳或光电建筑示范项目还是上网电价卖电。前者一般为用户侧并网，若有富余电力则将以本地脱硫燃煤电价由电网收购（前提是要保证电网全），后者则是全部上网并入10KV 及以上配电网，由电网以1 元/KWh 的价格（2011 年7 月后）收购。结合工业园区自身用电大户考虑，以用户侧并网为主导且申报金太阳补贴为最经济方法，即第二种和第四种。但第二种如何保证安全基础上利用剩余电力是设计的一个难点，第四种方法亦在合理分配自用与卖电比例，以及如何实施是它难点。

　　3.2.2 低压和高压并网方式

　　光伏电站并网有两种常见方式，即低压并网和升压并网。对于大规模屋顶电站其各自的优劣如下表：

表2 大规模屋顶电站其各自的优劣

　　

　　若是用户侧并网，大型屋顶电站还必须对本地区域进行负荷预测与分析。

　　负荷分析可按变压器为单位，应包含以下几方面内容：设备总容量、变压器负载率、负载类型（感性、阻性或容性）、用电特性（1：连续工作制的设备或生产线；2：短时或周期制的用电设备；3：季节性的用电设备）以及空调负荷统计等。

　　根据负荷预测与原配电系统结构确定光伏子系统的接入位置与接入容量，保证在不逆流情况下最大化利用光伏发电。

　　3.2.3 接入位置与容量设计

　　光伏屋顶电站作为一个分布式电源接入原配电系统，其接入位置与容量将对原系统产生一定的影响。

　　首先分布式发电的接人必然会引起馈线中传输有功、无功数量和方向发生变化， 进而影响稳态电压分布，电压支撑由分布式电源的总出力决定，总出力越多， 与负荷的比值越高， 电压支撑就越大， 整体电压水平就越高。

　　通过模拟仿真可知，光伏屋顶电站如果接入配电系统母线（如变压器二次侧）出线，对线路电压分布的影响越小；如果较大容量接入在馈线中部， 局部极大电压也就出现在线路中部，同时，散布在馈线上的接入比集中在同一个位置对电压的支撑作用要大。

　　

　　图3-1 分布式发电接入位置变化引起电压分布变化曲线

　　由此可知，如果屋顶电站以集中式单点方式并网，不能随意接入配电系统位置，应该接入母线上，但如果以分散多点并网接入，就电压水平而言，接入线路中后端（如二级和三级电柜）更好一些。但实际过程中，原配电系统的线路分布与光伏发电系统的地理间隔往往成为接入的阻碍，主要影响线路投资、甚至配电线路改造，以及传输带来的电能耗。

　　所以光伏系统以多大容量、分散还是集中形式接入原配电系统的节点位置，是大型屋顶电站的设计难点之一。

　　3.3 光伏并网带来的问题

　　此外，上一定规模的光伏系统还面临以下并网问题：

　　1、接入点电能质量的问题

　　1） 谐波问题。光伏电站一般都是通过电子逆变器接入电网，采用脉宽调制、斩波等技术的逆变器必然给电网造成谐波污染。

　　2）功率输出不稳定引起的电压波动问题。光伏电站的电能输出受太阳光强度变化而形成间歇性、周期性、随机性的特点，容易造成接入点电压的脉动以及输电线路潮流的波动，带来地区电网电压稳定性以及线路的逆潮流问题。

　　3） 直流分量。光伏电站有可能向电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附近机械负荷发生转矩脉动。

　　2、光伏接入对配电网保护系统的挑战

　　分布式光伏电源及储能装置的接入，改变了配电系统故障的特征，使故障后电气量的变化变得十分复杂，使保护的工作原理和动作逻辑均变得异常复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，从而无法正常工作，这已经成为限制分布式发电供能技术进一步发展和应用的重要技术屏障。

　　3、改变了传统电网的运行管理习惯

　　分布式光伏电源的接入改变了传统配网电能计量计费方式以及与配网自动化系统的信息交互技术。特别是当光伏发电装机比例增加到一定规模时，因其出力的随机性间歇性等特点对电网的营运调度、调频策略等一个提出新的挑战。

　　3.4 用户侧并网剩余光伏电力问题

　　大型屋顶电站因其装机容量大，负荷具有时段性和间隔性（如长期节假日或车间停产等情况下），将会产生大量的剩余光伏电力，针对如何解决因负荷不匹配出现的剩余电力，有如下四种方式：

　　① 任其逆流。负荷区域消耗不完的电力将通过原配电变压器逆流至高压侧，原降压变压器变成升压变，其负面影响主要有二方面：一方面将影响高压侧电力系统故障特性，可能致使继电保护等装置误动或拒动；另一方面逆流将抬高原低压侧的电压水平，原400V 将升至440V 左右，将对低压侧所带负载产生一定的过电压影响甚至毁坏某些低压设备。

　　② 切除全部或部分光伏发电。采用逆功率控制系统，当一旦检测光伏发电将大于负载用电时，监控系统停止光伏发电或切除部分光伏子系统，这是当今最常用的一种方式，此方法不足之处是白白浪费了光伏发电资源。

　　③ 切换至升压系统送出。整个系统设计为低压并网和升压送电的综合系统，当用户侧产生剩余电力时，监控系统立即将系统（或部分子系统）切换至升压回路，将剩余电力通过升压站送上电网，最大化利用光伏发电资源。

　　图3-1 分布式发电接入位置变化引起电压分布变化曲线

　　④ 智能微电网接入方式；采用智能微电网的能量管理系统，将（白天）剩余光伏电力充入蓄电池系统，（晚上）通过逆变系统将电能放出供给负载。

　　上述四种方式中，第一种因其安全性和可靠性不高，一般不建设采用；第二种方式应用广泛但经济性不高，第三种和第四种有较高的经济回报效益，具有一定的创新性，只要运用得当，是值得推广的方式。

　　4. 湖南九华示范区20MW 光伏屋顶电站的设计特点

　　4.1 工程概述

　　湖南湘潭九华示范区20MW 光伏屋顶电站属于中国大型金太阳工程，是2010 年国家13 个太阳能光伏发电集中应用示范区中最大的屋顶电站工程，项目位于湖南省湘潭区九华示范区，由珠海兴业绿色建筑科技有限公司建设，项目2010年8 月完成可研性报告，次年7 月完成总体规划设计报告，8 月开始大规模施工建设，预计12 月中旬完成调试并网运行。

　　4.2 设计思路与方法

　　本工项目主要包含中国兴业（湖南）产业园区一期和二期、九华创业园区及其它园区部分建筑屋顶，现以典型的兴业园一期为代表，分析大型电站的设计特点。

　　4.2.1 基本情况

　　兴业园一期含五个大型厂房，总面积约8.68 万平方米，主要由电池片生产车间、电池组件车间、幕墙门窗加工车间、玻璃深加工车间及热能车间组成，主要负荷设备有烧结炉、扩散炉、层压机、玻璃钢化炉等。兴业园平面布局图如下：

　　

　　图4-1 兴业园平面布局图

　　兴业园有高压总配电室一座，位于5# 厂房东北角，由高压配电室分四个回路，分别给1，3# 厂房配电室、2，4#配电室、5# 配电室及生活倒班楼箱变供电。

　　为加强示范作用，共选用单晶硅、多晶硅和非晶硅三种组件，屋顶安装情况如下：

　　表4-1 兴业产业园一期布板基本情况表

　　

　　而兴业园一期各厂房的负荷与变压器布置情况如下：

　　表4-2 兴业园区厂房负荷与变压器分布

　　

　　4.2.2 并网设计

　　此处略去常规的阴影分析、组串与逆变器设计、直流汇流与保护设计等部分。

　　① 并网结构形式

　　作为已获得国家财政补贴的金太阳项目，其上网电价只能与当地脱硫燃煤电价相同（湘潭地区0.44 元/KWh），而园区的工业用电综合电价是0.8 元/KWh。显而易见要实现经济效益最大化则需尽量自发自用，采取用户侧低压并网的方案。且低压并网是一种成本低、损耗小、效率高、建造简单的并网形式，通过负荷分析可知1#，3#，4# 和5# 厂房均可采用这种并网方式接入自身区域变压器。

　　再来分析2# 厂房，2# 厂房面积大负荷小，光伏容量达2.2MW， 区间负载只有0.98MW， 且变压器容量只有1250KVA，无法满足光伏接入条件。如将其接入其它厂房变压器，如1，3# 配电厂房，则必须远距离电缆敷设，需增加投资约150 多万元，且低压远距离送电电能损耗大、电压压降大，有违电力设计的经济性原则。同时考虑全厂区的预测负荷功率为6490KW，而总的光伏装机容量为7151KW，天气良好情况下交流输出可达6793KW，光伏发电将可能超过所有负载，园区配电系统将向上级电网产生逆功率，这不仅对电网，对厂区内设备都可能造成损害。故综合考虑，设计兴业园有高压总配电室一座，位于5# 厂房东北角，由高压配电室分四个回路，分别给1，3# 厂房配电室、2，4#配电室、5# 配电室及生活倒班楼箱变供电。

　　为加强示范作用，共选用单晶硅、多晶硅和非晶硅三种组件，屋顶安装情况如下：

　　将2# 厂房光伏系统升至10KV 上网，接入九华大园区10KV电网，兴业园形成以低压并网自发自用为主，高压并网卖电为辅的混合并网方式。

　　② 分散OR 单点并网

　　确定低压并网方案后，其接入位置、分散还是集中接入是紧接着要考虑的问题。为加强管理与维护、保证厂房内部配电安全性，不宜将大量的分布式（双）电源分散置入车间，从而确定集中并网的优越性，根据第三章的分析可知，大容量单点并网宜接入变压器低压母线，故在每个厂房单独设立光伏配电间的，将逆变器、光伏并网柜等设备集中汇流将光伏电力送出。光伏配电间位置设计靠近原配电室，通过铜母排与原配电母线连接，以减少交流线路投资和电能损耗。整个并网系统结构如下图：

　　

　　图4-2 兴业园并网设计结构图

　　4.2.3 接入容量与负荷匹配分析

　　确立了基本的并网系统方案后，需要对用户并网侧进行接入容量和负荷匹配分析，以验算并网方式的安全性和可靠性，根据统计负荷、地域分配和发电量综合分析，得下表：

　　表4-2 光伏系统并网接入容量与负荷匹配

　　

　　说明：根据系统效率和运行经验值，实际的光伏交流输出按光伏额定容量的90% 计算。

　　由上可见用户侧低压接入的光伏容量都不会超过预测负荷，其交流输出按所占原变压器容量不超过62%，正常工作下光伏所发电能将全部被负载消耗掉，这保证了整个配电系统的安全运行。而且能做到确保负载率较低时，尽量不出现逆流现象。

　　4.3 解决方案与创新特点

　　4.3.1 电能质量

　　为解决光伏电站并网的谐波问题，在2# 厂房升压站设置一套动态有源滤波装置，采用西班牙进口动态有源滤波器，对大小和频率都变化的谐波进行补偿，降低谐波率。

　　针对光伏电站出力瞬时变化性大而引起电压波动问题，本项目创造性地引用削峰填谷的智能微电网系统，通过控制蓄电池储能系统的充放电调整节点能量变化波动，从而稳定其向外输出特性。详情请见第五章。

　　4.3.2 可调度性

　　对于10KV 并网电力上网的光伏系统，建立强大的监控系统和综合自动化系统，不仅配置常规的光伏电站监测信息量，发电量信息均通过光纤传送至电网上一级变电站。为更好地响应上级变电站的调度指令，本系统通过先进的监控技术控制每台逆变器的功率输出，调节其有功大小，从而实现自动控制有功输出功能，而光伏电站常规的控制方式是在每个逆变器回路设置接触器，通过二次系统控制其开断，这种方式的启停往往对逆变器损害较大，且不能实现单台逆变器的平滑调节，因此新型监控方式的应用才真正实现光伏电站的可调度性，继而解决电站对电网运营的不良影响。

　　4.3.3 逆功率控制系统

　　对于用户侧低压并网系统，保证系统安全是非常重要的，因此本工程设置了逆功率保护系统。本工程1，3，4，5# 厂房均为低压并网，在每个并网点均设置万能框架式断路器，断路器可通过监控系统控制其关断，另在变压器二次侧低压出线关口设置逆功率检测装置，当一旦检测到光伏发电大于负载用电时，监控系统立即切断并网回路停止发电（或将低压并网部分切换至升压系统），以保证电网和变压器的安全运行。

　　4.3.4 两种运行模式

　　对于工业园区不同生产时段实现不同的运行模式，以达到最大的经济效益。

　　由上章分析可知本工程采取用户侧低压并网和升压卖电的综合并网方式，且低压部分设置逆功率保护装置，为充分利用太阳能资源，当用户侧并网部分出现剩余电力时，我们设计自动切换的模式将其转至升压模式。

　　对于2# 厂房升压并网系统，当园区用电量小时，应尽可能多的将电力送上网；当园区用电量大时，上网卖电价格比自身用电贵，应尽可能多地将电力并网低压网络，在综合考虑线路和设备投资成本情况下，本工程在2# 厂房升压站设计250KW 光伏子系统双电源自动切换柜，当厂区用电量大时，子系统在并在低压电网，供2，4# 厂房设备供电（自用电比卖电贵）；当厂区用电量小时，监控系统将双电源切换至升压系统，子系统并在10KV 电网上卖电产生收益（比停止发电效益好）。

　　不同模式的切换使得电站系统能运行在最经济状态，实现收益最大化。

　　4.3.5 无线监控系统

　　集中连片式光伏电站一般采取分散布置集中监控的方式，即电站分若干子系统和发电区域，每个区域由若干逆变器及开关柜组成，传统的监控系统是将所有逆变器、环境监测仪、逆功率检测装置等通过485 通讯电缆连接起来送一至监控中心，这种方式一方面增加大量电缆成本和施工工程量，另一方面传输距离有限（485 有线传输一般为1200m），为解决上述两大问题，本工程设置珠海兴业自主研发的无线通讯监控系统。在每个发电区域配置一个光伏无线发射器，通过485 通讯搜集逆变器和各类传感器数据，空中发送至监控中心的接收器，同时接受监控中心指令，执行相应的动作，实现光伏系统的无线监控。

　　5. 智能微电网的必然选择

　　通过第三章3.3 条可知，光伏电站等分布式新能源发电并网存在并网电能质量低、可调度性差以及安全性能低等重大缺陷。

　　为解决上述问题，由中国兴业太阳能技术控股有限公司研发了智能微电网系统。它以交流母线为基础，由光伏发电子系统、储能子系统、能量管理系统、光纤通信、各类智能开关仪表及负荷组成，智能微电网与大电网通过可控开关连接，每个光伏子系统并网点设置相应容量的蓄电池储能系统，通过双向逆变器与母线联接，各类仪表传感器检测电网、发电单元和负载运行数据，将其输送至监控中心，由EMS 能量管理系统控制蓄电池的充放电，监控中心控制整个微电网的运行状态。由其原理图如下：

　　

　　图5-1 智能微电网系统原理图

　　智能微电网的应用，能成功解决光伏电站并网的如下问题：

　　① 解决了光伏发电不稳定性。微电网自带的储能系统能缓冲光伏发电因天气原因引起的出力变化，当光伏发电功率快速上升时，蓄电池系统拼命“吸入”能量，当光伏发电功率快速下降时，蓄电池系统立即“释放”能量，以阻止光伏发电功率变化过快，解决光伏发电输出的不稳定性。

　　② 改善了光伏电站并网的电能质量。微电网能控制蓄电池和双向逆变器单元，调节其向负载及网络提供的无功及有功功率，通过快速吸收和释放大功率电能解决系统中如电压聚升、电压聚降等暂态问题，从而达到稳定电压水平，提高电能质量目的。

　　③ 提高系统带负载能力，减轻大电网的压力。微电网系统还能根据负载需要调节储能单元充放电，吸收尖峰负荷、减少电力驱动系统对电网的负面影响。同时，智能微电网系统设置智能继电保护装置，系统内的各类保护装置参数可由监控中心调整与修改，从而减小分布电源接入对电网的故障特性的负面影响，并可通过光纤与上级电网通信，调节有功与无功输出，实现光伏电站的可调度性。

　　由上可以预见，最终，智能微电网是大型光伏屋顶电站并网接入的必然选择。

　　6. 结语

　　大型光伏屋顶电站是光伏发电应用成功的典范，它对中国工业园和光伏业的发展都具有积极的推动作用，具有良好的节能减排示范效益。本文就如题内容结合光伏政策分析了大型光伏屋顶电站的研究意义，剖析了大型屋顶电站的设计难点，特别是并网设计及对电网带来的影响问题，再以湖南九华示范区20MW 光伏屋顶及智能微电网项目工程为例，展述其设计思想与过程，总结方案的创新特点，最后介绍新型智能微电网与大型电站结合应用的优势希望能给今后中国大规模光伏屋顶电站的应用给予一定的指导与参考作用，体现国家金太阳项目良好的示范意义。