某办公楼光伏微电网系统设计研究
摘 要：
光伏发电系统具备实施方便、清洁无污染的优势，在既有建筑照明系统老化的情况下，引入光伏发电、直流配电、分布式电源等形成光伏微电网系统，绿色节能，可降低既有配电网峰值压力，提高照明系统可靠性。现以某办公楼照明系统改造项目为例，对光伏微电网系统的搭建、设计以及在既有建筑应用的经济性分析进行了详细说明，包括光伏方阵设计、直流配电电压选择、储能电池容量选择、年发电量估算等。
0 引言
在能源消耗和碳排放“大户”的建筑领域，在双碳战略背景下，以数字化、智能化为主的新型智慧配电系统，以消纳新能源为主的微电网、局域网，是加速建筑碳中和目标实现的重要举措。基于此，研究构建既有建筑物光伏微电网系统，并提出直流配电及分布式电源的应用问题。
太阳能作为清洁可再生能源，广泛存在于各地，光伏发电作为太阳能利用的重要途径，往往以大面积的光伏电站、民用的小型屋面光伏发电系统出现，大面积光伏发电站存在并网、输送电的困难，民用小型屋面光伏发电存在供电稳定性、可靠性不足的问题，这些问题都体现了太阳能整体利用率不高的现状。而光伏微电网系统，结合建筑内的某个小型配电系统形成以光伏发电、电池储能、直流配电、柔性供电为核心的微电网系统，能够有效提高太阳能的利用率，解决光伏发电供电可靠性和稳定性不足的问题[1]。
1 项目概述
某办公楼为框架、剪力墙结构，陶粒混凝土空心砌块填充墙，层高均为3.5 m，建筑高度55.9 m，总建筑面积24 500 m2。
该办公楼地下1层，地上14层，其中第14层为局部建筑，功能为多功能大厅。办公楼目前照明系统以t5荧光灯为主，由于照明使用频率较高，镇流器频繁烧坏，灯管经常更换，拟对照明系统进行节能改造，现对全楼照明灯具统计如表1所示。
此办公楼照明系统进行节能改造的主要内容有：照明灯具更换为直流led灯管，交流配电线路更换为直流配电线路，新增直流配电箱和分布式储能电池，新增屋顶光伏发电系统等。
2 光伏微电网系统框架搭建
微电网属于一种将分布式电源和负荷进行储能，将监控防护装置有效聚合在一起的小型发配电系统，通过该系统的有效应用可以有效提高整个光伏发电的质量及可靠性[1]。本工程为既有建筑提升改造，拟采用直流系统为办公楼照明负荷供电，与建筑新增光伏发电单元、分布式电源形成光伏微电网系统，构建图1所示框架图。
该系统用电负载是直流负载，有光照时，组件将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池充电；夜间或者阴雨天，则由蓄电池或电网向负载供电，优先选择蓄电池，当蓄电池电量不足时，通过双电源切换装置切换至电网向负载供电[2]。
3 微电网系统设计
3.1 光伏方阵的串并联设计
本工程办公楼总装机容量为69.12 wp，采用单晶硅屋顶固定支架方阵。
本工程选用的逆变器容量为40 kw两台，最大阵列开路电压为1 000 v，最大功率点跟踪（mppt）电压范围300～850 v，假定每一个光伏方阵的串联组件数为n。
3.1.1 光伏方阵的串联设计
电池组件串联数量计算，根据文献[3]gb 50797—2012《光伏发电站设计规范》，计算公式如下：
式中：n为电池组件串联数；vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压；vmpptmin为逆变器输mppt最小电压；vmpptmax为逆变器输mppt最大电压；voc为光伏组件开路电压；vpm为光伏组件工作电压；kv为光伏组件的开路电压温度系数；kv’为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温；t’为光伏组件工作条件下的极限高温。
综合考虑组件方阵布置情况及逆变器的选型，本工程的光伏组件均采用16块组成一个串联。
3.1.2 光伏方阵的并联设计
光伏方阵的并联数量根据逆变器容量大小来定，本工程选用单晶硅组件峰值功率为540 wp，则每台40 kw逆变器采用每串16块540 wp单晶硅组件，单个逆变器安装64块光伏组件，共接入1个逆变器所安装的光伏组件为4串。
3.2 光伏子方阵的间距及倾角计算
根据文献[3]中7.2.2条规定，光伏组件排或列的间距应保证每天09：00—15：00时段内前、后、左、右互不遮挡，此为计算光伏组件间距的基本依据。
计算当光伏方阵前后安装时的最小间距d，如图2所示。
计算公式如下：
太阳高度角的公式：
太阳方位角的公式：
式中：φ为当地纬度为39.8°；d为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5°；ω为时角，上午09：00的时角为-45°。
式中：h为方阵前排最高点与后排组件最低位置的高度差。
本工程的光伏组件沿混凝土屋面采用固定支架安装，根据表2光伏阵列最佳倾角参考值可知，本工程光伏组件安装倾角43.8°，组件之间安装间距按上式计算可得d=4 454 mm。但在进行光伏组件的布置时要避开女儿墙的阴影，并避开采光带等构筑物，方阵与女儿墙及采光带留出1 500～2 000 mm检修通道。
3.3 直流配电电压的选择
根据t/cec 107—2016《直流配电电压》，直流可选择电压如表3所示。
建筑内照明供电系统一般为ac220 v供电，供电容量一般不超2 kw。建筑内常规照明ac220 v供电系统改为直流供电，可优选dc48 v和dc220 v，其中dc48 v供电电压为安全电压，但是供电半径比较短，无法满足走廊、楼梯间等较长距离的照明供电，而dc220 v供电电压虽不是安全电压，但是跟常规ac220 v供电电压吻合，不存在供电半径无法覆盖的问题。为进一步确定该办公楼照明系统的供电电压，分别针对不同供电电压下各种供电导线截面不同的情况，计算供电容量的极限和供电半径的覆盖范围。
式中：ρ为电阻系数，取0.018 4 ω·mm2/m；l为导线长度（m）；p为回路容量（kw）；s为导线计算截面（mm2）；udc为回路供电电压（v）。
忽略变电所至楼层配电干线压降，仅考虑末端配电线路压降不超过5%，通过计算，dc48 v和dc220 v照明供电容量和供电半径对比如表4所示。
从表4可知，选择dc48 v安全供电电压需增加供电导线截面解决供电半径不足的问题，不是很经济。考虑到常规ac220 v虽然为非安全电压，但也作为照明供电电压的优选电压经过长时间实践运行证实其安全可靠，直流配电电压亦可选择dc220 v，同时可通过加强绝缘、接地保护等间接接触防护措施保证用电的安全性。
本工程办公楼综合考虑选择dc220 v为办公楼照明供电。
3.4 储能电池的容量
本项目光伏发电系统，储能电池的容量按下式计算[4]：
在本项目中，考虑最多1天的阴雨是合适的，所以此处蓄电池的容量应为4 410 kw·h。
蓄电池电压需匹配电网电压，即为220 v，则蓄电池容量为20 045 ah，取整20 800 ah。每串蓄电池组由110块2 v蓄电池组成，26串并联，共计2 860块2 v蓄电池。本项目共地下1层、地上14层，26串蓄电池组分5组，其中-1f～2f设置6串并联，共660块电池组；3f～5f设置5串并联，共550块电池组；6f～8f设置5串并联，共550块电池组；9f～11f设置5串并联，共550块电池组；12f～14f设置5串并联，共550块电池组，从而构成分布式电源。
4 年发电量计算
根据文献[3]，光伏发电量计算如下：
式中：ep为上网发电量（kw·h）；ha为水平面太阳能总辐射量（kw·h/m2，峰值小时数）；es为标准条件下的辐照度（常数=1 kw·h/m2）；paz为组件安装容量（kwp）；k为综合效率系数。
综合效率系数k包括：光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。本工程系统综合效率系数取值82.5%。
按照meteonorm太阳总辐射数据，办公楼屋顶水平面太阳总辐射年平均值为1 391 kw·h/m2。根据光伏组件电池组件25年衰减率，按照分段线性衰减，第1年衰减2%，第2年至第25年，年平均年衰减率0.45%，按此计算得出25年分年发电量，考虑组件衰减性，第一年发电量理论计算值为8.5万kw·h，比年平均上网电量高出5.2%。25年总计发电量为201.41万kw·h，平均每年发电量为8.06万kw·h，平均每天发电量为221 kw·h[5]。25年分年发电量如表5所示。
5 结语
办公楼照明系统原有荧光灯、节能灯等安装容量145 kw，年耗电量约36万kw·h，本办公楼用电为商业用电每度电1.1元，考虑灯管更换等运行费用，原照明系统年消耗成本约43.56万元。光伏微电网安装后，考虑安装施工等费用，投资回收期3～4年，且每年可节约标煤44.28 t，同时每年可减少97.92 t碳粉尘、358.9 t二氧化碳、10.8 t二氧化硫、5.4 t氨氧化物污染排放[6]。
因此，在既有建筑改造形成光伏微电网系统，既能解决既有建筑系统供电可靠性问题，节约成本，又符合国家节能降碳的双碳政策，同时具有经济性、可操作性，因此，既有建筑改造光伏微电网系统值得推广。
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0 引言
在能源消耗和碳排放“大户”的建筑领域，在双碳战略背景下，以数字化、智能化为主的新型智慧配电系统，以消纳新能源为主的微电网、局域网，是加速建筑碳中和目标实现的重要举措。基于此，研究构建既有建筑物光伏微电网系统，并提出直流配电及分布式电源的应用问题。
太阳能作为清洁可再生能源，广泛存在于各地，光伏发电作为太阳能利用的重要途径，往往以大面积的光伏电站、民用的小型屋面光伏发电系统出现，大面积光伏发电站存在并网、输送电的困难，民用小型屋面光伏发电存在供电稳定性、可靠性不足的问题，这些问题都体现了太阳能整体利用率不高的现状。而光伏微电网系统，结合建筑内的某个小型配电系统形成以光伏发电、电池储能、直流配电、柔性供电为核心的微电网系统，能够有效提高太阳能的利用率，解决光伏发电供电可靠性和稳定性不足的问题[1]。
1 项目概述
某办公楼为框架、剪力墙结构，陶粒混凝土空心砌块填充墙，层高均为3.5 m，建筑高度55.9 m，总建筑面积24 500 m2。
该办公楼地下1层，地上14层，其中第14层为局部建筑，功能为多功能大厅。办公楼目前照明系统以t5荧光灯为主，由于照明使用频率较高，镇流器频繁烧坏，灯管经常更换，拟对照明系统进行节能改造，现对全楼照明灯具统计如表1所示。
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2 光伏微电网系统框架搭建
微电网属于一种将分布式电源和负荷进行储能，将监控防护装置有效聚合在一起的小型发配电系统，通过该系统的有效应用可以有效提高整个光伏发电的质量及可靠性[1]。本工程为既有建筑提升改造，拟采用直流系统为办公楼照明负荷供电，与建筑新增光伏发电单元、分布式电源形成光伏微电网系统，构建图1所示框架图。
该系统用电负载是直流负载，有光照时，组件将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池充电；夜间或者阴雨天，则由蓄电池或电网向负载供电，优先选择蓄电池，当蓄电池电量不足时，通过双电源切换装置切换至电网向负载供电[2]。
3 微电网系统设计
3.1 光伏方阵的串并联设计
本工程办公楼总装机容量为69.12 wp，采用单晶硅屋顶固定支架方阵。
本工程选用的逆变器容量为40 kw两台，最大阵列开路电压为1 000 v，最大功率点跟踪（mppt）电压范围300～850 v，假定每一个光伏方阵的串联组件数为n。
3.1.1 光伏方阵的串联设计
电池组件串联数量计算，根据文献[3]gb 50797—2012《光伏发电站设计规范》，计算公式如下：
式中：n为电池组件串联数；vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压；vmpptmin为逆变器输mppt最小电压；vmpptmax为逆变器输mppt最大电压；voc为光伏组件开路电压；vpm为光伏组件工作电压；kv为光伏组件的开路电压温度系数；kv’为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温；t’为光伏组件工作条件下的极限高温。
综合考虑组件方阵布置情况及逆变器的选型，本工程的光伏组件均采用16块组成一个串联。
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光伏方阵的并联数量根据逆变器容量大小来定，本工程选用单晶硅组件峰值功率为540 wp，则每台40 kw逆变器采用每串16块540 wp单晶硅组件，单个逆变器安装64块光伏组件，共接入1个逆变器所安装的光伏组件为4串。
3.2 光伏子方阵的间距及倾角计算
根据文献[3]中7.2.2条规定，光伏组件排或列的间距应保证每天09：00—15：00时段内前、后、左、右互不遮挡，此为计算光伏组件间距的基本依据。
计算当光伏方阵前后安装时的最小间距d，如图2所示。
计算公式如下：
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式中：φ为当地纬度为39.8°；d为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5°；ω为时角，上午09：00的时角为-45°。
式中：h为方阵前排最高点与后排组件最低位置的高度差。
本工程的光伏组件沿混凝土屋面采用固定支架安装，根据表2光伏阵列最佳倾角参考值可知，本工程光伏组件安装倾角43.8°，组件之间安装间距按上式计算可得d=4 454 mm。但在进行光伏组件的布置时要避开女儿墙的阴影，并避开采光带等构筑物，方阵与女儿墙及采光带留出1 500～2 000 mm检修通道。
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根据t/cec 107—2016《直流配电电压》，直流可选择电压如表3所示。
建筑内照明供电系统一般为ac220 v供电，供电容量一般不超2 kw。建筑内常规照明ac220 v供电系统改为直流供电，可优选dc48 v和dc220 v，其中dc48 v供电电压为安全电压，但是供电半径比较短，无法满足走廊、楼梯间等较长距离的照明供电，而dc220 v供电电压虽不是安全电压，但是跟常规ac220 v供电电压吻合，不存在供电半径无法覆盖的问题。为进一步确定该办公楼照明系统的供电电压，分别针对不同供电电压下各种供电导线截面不同的情况，计算供电容量的极限和供电半径的覆盖范围。
式中：ρ为电阻系数，取0.018 4 ω·mm2/m；l为导线长度（m）；p为回路容量（kw）；s为导线计算截面（mm2）；udc为回路供电电压（v）。
忽略变电所至楼层配电干线压降，仅考虑末端配电线路压降不超过5%，通过计算，dc48 v和dc220 v照明供电容量和供电半径对比如表4所示。
从表4可知，选择dc48 v安全供电电压需增加供电导线截面解决供电半径不足的问题，不是很经济。考虑到常规ac220 v虽然为非安全电压，但也作为照明供电电压的优选电压经过长时间实践运行证实其安全可靠，直流配电电压亦可选择dc220 v，同时可通过加强绝缘、接地保护等间接接触防护措施保证用电的安全性。
本工程办公楼综合考虑选择dc220 v为办公楼照明供电。
3.4 储能电池的容量
本项目光伏发电系统，储能电池的容量按下式计算[4]：
在本项目中，考虑最多1天的阴雨是合适的，所以此处蓄电池的容量应为4 410 kw·h。
蓄电池电压需匹配电网电压，即为220 v，则蓄电池容量为20 045 ah，取整20 800 ah。每串蓄电池组由110块2 v蓄电池组成，26串并联，共计2 860块2 v蓄电池。本项目共地下1层、地上14层，26串蓄电池组分5组，其中-1f～2f设置6串并联，共660块电池组；3f～5f设置5串并联，共550块电池组；6f～8f设置5串并联，共550块电池组；9f～11f设置5串并联，共550块电池组；12f～14f设置5串并联，共550块电池组，从而构成分布式电源。
4 年发电量计算
根据文献[3]，光伏发电量计算如下：
式中：ep为上网发电量（kw·h）；ha为水平面太阳能总辐射量（kw·h/m2，峰值小时数）；es为标准条件下的辐照度（常数=1 kw·h/m2）；paz为组件安装容量（kwp）；k为综合效率系数。
综合效率系数k包括：光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。本工程系统综合效率系数取值82.5%。
按照meteonorm太阳总辐射数据，办公楼屋顶水平面太阳总辐射年平均值为1 391 kw·h/m2。根据光伏组件电池组件25年衰减率，按照分段线性衰减，第1年衰减2%，第2年至第25年，年平均年衰减率0.45%，按此计算得出25年分年发电量，考虑组件衰减性，第一年发电量理论计算值为8.5万kw·h，比年平均上网电量高出5.2%。25年总计发电量为201.41万kw·h，平均每年发电量为8.06万kw·h，平均每天发电量为221 kw·h[5]。25年分年发电量如表5所示。
5 结语
办公楼照明系统原有荧光灯、节能灯等安装容量145 kw，年耗电量约36万kw·h，本办公楼用电为商业用电每度电1.1元，考虑灯管更换等运行费用，原照明系统年消耗成本约43.56万元。光伏微电网安装后，考虑安装施工等费用，投资回收期3～4年，且每年可节约标煤44.28 t，同时每年可减少97.92 t碳粉尘、358.9 t二氧化碳、10.8 t二氧化硫、5.4 t氨氧化物污染排放[6]。
因此，在既有建筑改造形成光伏微电网系统，既能解决既有建筑系统供电可靠性问题，节约成本，又符合国家节能降碳的双碳政策，同时具有经济性、可操作性，因此，既有建筑改造光伏微电网系统值得推广。
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