民用建筑光伏供电系统电气仿真设计

2015-03-22魏立明吉林建筑大学电气与电子信息工程学院吉林长春130118

现代建筑电气 2015年4期

魏立明, 徐鹏(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院, 吉林长春 130118)

民用建筑光伏供电系统电气仿真设计

*魏立明, 徐鹏
(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院, 吉林长春 130118)

以北方某住宅小区为例,利用PVSyst软件对小区地下车库照明光伏供电系统进行了电气仿真设计。仿真结果表明,光伏系统光伏方阵总装机容量为21.6 kWp,并网逆变器每日输出电能为76.667 kWh,可满足1 867 m2地下车库照明负荷24 h的供电要求。

民用建筑; 光伏系统; 电气设计; PVSyst软件

0 引言

民用建筑光伏系统电气设计作为建筑电气设计的一部分,应与建筑电气设计协调统一。光伏系统的各个环节应满足建筑电气设计要求,不能降低建筑电气系统的整体标准。

本文以北方某住宅小区为例,利用计算机辅助设计软件PVSyst对小区地下车库照明光伏供电系统电气设计进行了仿真。

1 设计方案

小区地下车库照明一般为三级用电负荷,允许光伏系统作为电源提供24 h电能。小区地下车库照明光伏供电系统电气设计方案如图1所示。光伏方阵设置在建筑屋顶,系统采用并网光伏系统的不可调度式系统,在峰值日照时段,光伏方阵产生的电能储存在储能环节中,有剩余时输送到公共电网;当电能不足时,由公共电网补充。仿真设计选择YGE60Cell系列YL225P-29b高效率多晶硅光伏组件,组件的光电转化效率达13.78%,10 a的峰值输出功率不低于91.2%,25 a的峰值输出功率不低于80.7%。

图1 小区地下车库照明光伏供电系统电气设计方案

仿真设计建筑为坐北朝南的正房,其上光伏方阵的方位角为正南方向0°,建筑屋顶A、B、C三个区域为30°斜坡屋面。模拟设计建筑立面图如图2所示。为了增加可行性,A、B、C三个区域的光伏方阵平铺在斜坡屋面上,组件倾角为30°。屋顶D、E、F三个区域为平面,为了避免遮挡A、B、C三个区域的光伏方阵,并且保证组件表面不会积雪、积尘,组件倾角设计为10°。在不考虑不利条件的情况下,软件计算的光伏组件最佳倾角应为43°,组件平面的最大辐射量为1 791 kWh/m2。选取A、B、C、D、E、F六个区域设置光伏方阵,根据它们的宽度和光伏方阵的最小间距,六个区域均只能设置一排光伏方阵。光伏组件宽度为990 mm,根据计算并留出便于光伏组件和电气装置安装和维护的距离,A、C区域可设置一排由13个光伏组件组成的光伏方阵,D、F区域可设置一排由17个光伏组件组成的光伏方阵,B区域可设置一排由16个光伏组件组成的光伏方阵,E区域可设置由20个光伏组件组成的光伏方阵。由于模拟设计不受资金的限制,选择了6台Centrosolar并网逆变器。建筑屋顶平面部分的光伏方阵装机容量为12.15 kWp,匹配3台PS5000op/MV型并网逆变器;建筑屋顶斜面部分的光伏方阵装机容量为9.45 kWp,匹配3台PS3000op/MV型并网逆变器。

图2 模拟设计建筑立面图(mm)

2 光伏组串

结合光伏组件和逆变器的参数,将建筑屋顶平面部分的光伏方阵分成3个光伏组串,每个组串有18个光伏组件,串联数目为9,并联数目为2;将建筑屋顶斜面部分的光伏方阵分成3个光伏组串,每个组串有14个光伏组件,串联数目为7,并联数目为2。建筑屋顶平面部分光伏系统框图如图3所示。

图3 建筑屋顶平面部分光伏系统框图

在利用软件模拟设计时,对建筑屋顶平面部分光伏系统的参数进行设置,能显示选择的光伏组件和逆变器及光伏系统的统计数据。光伏系统参数设置界面如图4所示。可知,平面部分光伏方阵中光伏组串的最大电压为371 V,满足小于光伏组件系统电压1 000 V和逆变器最大直流输入电压450 V;逆变器的最大功率点电压跟踪控制范围为125～350 V,光伏组串的最高、最低最大功率点电压分别为270 V、220 V;光伏组串的最大电流为16.8 A,满足小于逆变器的最大直流输入电流30 A。

图4 光伏系统参数设置界面

同理,建筑屋顶斜面部分光伏方阵中光伏组串的最大电压为288 V,满足小于光伏组件系统电压1 000 V和逆变器最大直流输入电压450 V;逆变器的最大功率点电压跟踪控制范围是125～350 V,光伏组串的最高、最低最大功率点电压分别为210 V、171 V;光伏组串的最大电流为16.8 A,满足小于逆变器的最大直流输入电流20 A。光伏方阵与逆变器匹配性能曲线如图5所示。由图5可以看出,光伏方阵与逆变器匹配良好,光伏方阵与逆变器的容量比为1.01,处在可控范围内。

图5 光伏方阵与逆变器匹配性能曲线

3 系统发电量仿真

建筑屋顶平面部分光伏系统的发电量仿真结果表明,平面部分光伏方阵装机容量为12.15 kWp,经逆变器交流输出为12 kW,年发电量为15 254 kWh,日发电量为41.796 kWh,峰瓦发电量为3.44 kWh。建筑屋顶平面部分光伏系统全年发电量数据如表1所示。其中EGH为水平面太阳能辐射量,T为环境温度,EGI为入射到组件平面的太阳能辐射量,EGE为组件平面除去损失后接收的有效太阳能辐射量,E1为光伏方阵输送到逆变器的有效电量,E2为光伏系统向负荷或公共电网输送的有效电量,r1为单位面积光伏方阵输送到逆变器的有效电量与水平面太阳能辐射量之比,r2为单位面积光伏方阵向负荷或公共电网输送的有效电量与水平面太阳能辐射量之比。建筑屋顶平面部分光伏系统全年发电量损失:太阳光透过组件时组件玻璃反射产生的损失占4%,弱光等导致辐射量变化产生的损失占2%,组件温度变化产生的损失占4.1%,光伏组件质量差异产生的损失占1.5%,组件匹配性产生的损失占1%,线缆电阻产生的损失占0.8%,逆变器逆变效率产生的损失占6.6%。

表1 建筑屋顶平面部分光伏系统全年发电量详细数据

建筑屋顶平面部分光伏系统全年发电量如图6所示。由图6可见,超过平均峰瓦发电量3.44 kWh的月份有2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月、9月共8个月,说明适合利用太阳能进行光伏发电。建筑屋顶斜面部分光伏系统的发电量仿真结果表明,斜面部分光伏方阵装机容量为9.45 kWp,经逆变器交流输出为8.25 kW,年发电量为12 712 kWh,日发电量为34.871 kWh,峰瓦发电量为3.69 kWh。因此,该建筑屋顶光伏系统光伏方阵总装机容量为21.6 kWp,经逆变器交流输出为20.25 kW,年发电量为27 966 kWh,日发电量为76.667 kWh。

图6 光伏系统全年发电量

4 储能环节

储能环节电气设计方案如图7所示。

图7 储能环节电气设计方案

小区地下车库照明用电负荷为1.2 kW,每日工作24 h,日用电能为28.8 kWh,蓄电池自给天数为1 d,蓄电池平均放电时间为48 h,环境温度为25 ℃,修正系数为1。选择A600 6 OPzV浅循环型铅酸蓄电池,额定电压为2 V,在10 h放电率、环境温度25 ℃时的额定容量为326 Ah,允许最大放电深度为0.5。选择SN220 20KSD1型离网逆变器,输入额定电压为DC 220 V,输出额定电压为AC 220 V,频率为50 Hz,逆变效率为94%。根据容量计算方法,能够计算蓄电池组串、并联数目。蓄电池在48 h放电时间的设计容量为280 Ah,因此蓄电池并联数目为1,串联数目为220 V/2 V=110,所需蓄电池的总数为1×110=110个。选择中联电子3S216-270V型整流器,输入电压为AC 220 V,频率为50 Hz,输出电压为DC 220 V,效率为93%。

发电量仿真结果表明,建筑屋顶光伏系统的并网逆变器每日输出光伏电能为76.667 kWh,储能环节每日所需电能为32.944 kWh。因此,建筑屋顶光伏系统满足地下车库照明负荷24 h的供电要求,剩余电能将输送到公共电网。如果建筑屋顶平面部分光伏系统的发电量全部用于地下车库照明负荷,则光伏系统可满足41.796 kWh×0.93×0.94/24=1.5 kW地下车库照明负荷24 h的供电要求。地下车库要求照度为75 lx,设计功率密度为1.5 W/m2,因此建筑屋顶平面部分光伏系统的发电量可满足1 000 m2地下车库照明负荷24 h的供电要求。同理,如果建筑屋顶斜面部分光伏系统的发电量全部为地下车库照明负荷所利用,可满足867 m2地下车库照明负荷24 h的供电要求。因此,该建筑屋顶光伏系统可满足1 867 m2地下车库照明负荷24 h的供电要求。

5 系统供配电设计相关问题

(1) 光伏接线箱。为了减少直流线缆,选择KBT-PVX系列光伏接线箱。将光伏组串并联接入接线箱,汇流后通过直流断路器输出,接线箱可同时接入多路光伏组串,每路电流可达20 A。接线箱配有直流、高压防雷器,正、负极都具备双重防雷功能;配有耐高压的直流熔断器、断路器,直流耐压值不低于1 000 V,接线箱防护等级达IP65,满足室外安装的要求。

(2) 光伏配电柜。选择KBT-PVG/JZ系列光伏交/直流配电柜,开启式双面维护可装设指示仪表,配有断路器、防反二极管、避雷器等电气元件,动热稳定性好,能达到不同工作环境的防护等级。

(3) 交/直流线缆。选择GF系列光伏专用线缆,具有防雾、防潮、强抗紫外线和臭氧侵蚀性能,最高工作温度为120 ℃,额定电压为DC 1.8 kV、AC 0.6/1 kV。铠装电缆具有良好的屏蔽特性,可有效隔离电磁干扰和雷电干扰。

(4) 配电室。在小区-1F设置独立光伏配电室,室内设置光伏配电柜和并网逆变器等设备。配电室设计要求符合JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》的相关规定。同时,模拟设计带有储能环节,需设置独立蓄电池室。

(5) 防雷设计。模拟设计建筑物为第三类防雷建筑,光伏系统防雷保护设计包括防直击雷设计和防感应雷设计。

① 防直击雷设计:光伏方阵的外露可导电部分及所有防雷器接地端均与建筑物原有的避雷带和防雷接地引下线可靠连接。

② 防感应雷设计:为防止感应雷对系统设备造成破坏,在光伏配电柜安装防雷保护装置;为保护电气设备不受直流输入端感应雷破坏,在直流配电柜内安装电涌保护器;为保护电气设备不受公共电网引入感应雷破坏,在交流配电柜内安装电涌保护器。

(6) 接地设计。建筑物接地系统为TN-C-S系统,电源中性点直接接地,电气设备的外露导电部分与电源中性点直接电气连接,在进户处重复接地。光伏系统与建筑物PE母线可靠联结,系统直流侧采用局部等电位保护。将电气设备外露可导电部分、建筑物金属构件、PE母线联结后与建筑物总等电位联结,以求最大限度地降低电击的危险,保护光伏系统。

6 结语

以长春市某小区建筑为例,利用PVSyst软件进行了小区地下车库照明光伏供电系统的电气模拟仿真。光伏系统设计采用组串逆变器技术,将建筑屋顶平面、斜面部分的光伏方阵均分成3个光伏组串。仿真结果表明,光伏系统光伏方阵总装机容量为21.6 kWp,经逆变器输出为AC 20.25 kW,年发电量为27 966 kWh,可满足1 867 m2的地下车库照明负荷24 h的供电要求。

[1] DIEHL W,SITTINGER V,SZYSZKA B.Thin film solar cell technology in Germany[J].Surface & Coatings Technology,2005(3):329-334.

[2] ZAHEDI A.Solar photovoltaic(PV) energy:latest developments in the building integrated and hybrid PV systems[J].Renewable Energy,2006(1):711-718.

[3] ROEDERN B.Thin film PV module review-changing contribution of PV module technologies for meeting volume and product needs[J].Refocus,2006(4):34-39.

[4] MARTIN A,REEN G.太阳能电池工作原理、技术和系统应用[M].狄大卫,曹昭阳,李秀文,等译.上海:上海交通大学出版社,2010.

[5] 杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[6] GRENA R.An algorithm for the computation of the solar position[J].Solar Energy,2008(5):462-470.

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Simulation of Photovoltaic Power System in Civil Building

WEI Liming, XU Peng

(School of Electrical and Electronic Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

As an example of a residential district in the north area,this paper simulated the electrical design of underground garage of photovoltaic power system.The simulation results show that the photovoltaic arrays total installed capacity of photovoltaic system is 21.6 kWp and and the daily output power of grid-connected inverter is 76.667 kWh,which can meet the 24 h power requirements of lighting load for a 1 867 m2underground garage.

civil building; photovoltaic system; electrical design; PVSyst software