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摘要：以广州某6 MW屋顶光伏发电站建设项目为例，分析了该项目建设的可行性，提出了该屋顶变电站的具体建设方案，包括光伏组件选型、逆变器容量及连接方式选择、光伏方阵设计等，为广州地区屋顶中型光伏发电站的建设提供了参考。
关键词：光伏发电站;光伏组件;逆变器;光伏方阵
1 建设屋顶光伏发电站的可行性分析
1.1 太阳能资源充足
某6 MW屋顶光伏发电站项目坐落于广州市从化区，地处北纬23°32′，东经113°34′，从化全年日照时数达1 673～1 718 h，通过检索NASA数据库可知，该地区22年来的太阳总辐射平均值为4 857 MJ/m2，太阳能资源丰富，可满足光伏组件、逆变器等相关设备的运行要求。
1.2 工程地质条件允许
该项目按国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）以及《建筑物抗震设计规范》（GB 50011—2010）等要求，进行抗震设计。场地地壳基本稳定，适合工程建设。
1.3 当地电力网络发达，负荷需求稳步增长，光伏并网无忧
广州2020年全社会用电量达到1 250亿kWh，“十三五”期间用电量年均增长5.0%，最大负荷将达到2 460万kW，“十三五”期间负荷年均增长率为5.1%。
广东省政府网站公布的《广东省人民政府办公厅关于促进光伏产业健康发展的实施意见》指出：“到2020年，我省光伏制造业持续稳健发展，产业技术水平和自主创新能力位居全国前列，分布式光伏发电应用得到有效拓展。全省光伏发电总装机容量争取2020年达到400万kW。”
1.4 屋顶资源丰富
该项目可利用的屋顶面积合计57 338 m2，屋面多采用彩钢板制作，为光伏组件的安装提供了便利。
2 建设方案的确定
2.1 光伏组件选型
当前市场上可供选择的光伏组件有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、多元化合物太阳电池，其中多元化合物太阳电池尚未得到工业化生产，很少采用。常见的光伏组件性能对比如表1所示。
组件功率越大，系统效率越高，且大功率组件安装更快速、简便，减少了设备的安装材料、系统连线费用，降低了线损。因此，光伏组件的选型优先考虑效率高的大功率光伏组件，本项目综合考虑屋面荷载以及投资费用，选用305 Wp的单晶硅光伏组件。
2.2 逆变器容量及连接方式选择
当前逆变器主要有集中式逆变器和组串式逆变器两种。
集中式逆变器：设备功率在50～630 kW，一般为500 kW和630 kW，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC电力电子器件变换全桥逆变、工频隔离变压器的方式。
组串式逆变器：功率一般不大于50 kW，功率开关管采用小电流的MOSFET拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换。组串式逆变器和集中式逆变器比较如表2所示。
根据目前的逆变器技术水平及市场价格，综合考虑可靠性、实用性、灵活性等要求，结合本项目的装机容量及设备运输条件，决定选用50 kW组串式逆变器和500 kW集中式逆变器相结合的方式。
2.3 结合屋顶资源现状进行设计
该项目企业的分拣车间1、分拣车间2、配送仓库1、配送仓库2为彩钢瓦屋面，且屋面结构形式一致，屋面方位角为2°，屋面倾角4°，光伏组件与屋面方位角一致且沿屋面倾斜角安装。停车场新建光伏车棚方位角为0°，车棚倾斜角设计为3°，利用光伏组件作为车棚的天面。轮胎堆场新建钢结构厂房方位角为0°，屋面倾斜角设计为3°，光伏组件沿屋面倾角安装。该项目基本配置如表3所示。
2.4 光伏方阵设计
2.4.1 光伏组件的串/并联设计
设计原则：
（1）光伏组件串联形成的组串、輸出端电压的变化范围必须与逆变器的输入电压范围相符。
（2）并联连接的全部光伏组件串的总功率应大于逆变器的额定功率。
（3）光伏组件组串后，最高输出电压不允许超过光伏组件自身要求的最高允许系统电压。
2.4.2 光伏组件串的串联数计算
在光伏方阵中，同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏组件串的串联数应按下列公式计算：
式中：Kv为组件的开路电压温度系数;K′ v为组件的工作电压温度系数;N为组件的串联数（N取整数）;t为组件工作条件下的极限低温（℃）;t′为组件工作条件下的极限高温（℃）;Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压（V）;Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值（V）;Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值（V）;Voc为组件的开路电压（V）;Vpm为组件的工作电压（V）。
本项目采用的是单晶硅光伏组件，采用24块组件串联。
2.4.3 光伏组件串的并联路数计算
根据逆变器容量及光伏组件串的容量确定并联数。光伏组件串的并联个数计算公式如下：
式中：Np为组件串并联个数;Po为系统输出总功率（Wp）;Pm为单个组件最大输出功率（Wp）;Ns为组件串联个数。
本项目每台50 kW逆变器取7路或8路输入，每台500 kW逆变器取15路或16路输入。
2.4.4 光伏阵列的间距计算
固定式布置的光伏方阵，在冬至日当天09：00—15：00太阳不被遮挡的间距可根据以下公式计算：
式中：L为阵列倾斜面长度;D为两列阵列之间的距离;β为阵列倾角;？准为当地纬度。
根据《广州市太阳能光伏发电建筑应用设计导则》，彩钢板屋面由于荷载的原因不设带倾角的支架，直接平铺在屋面上，不存在光伏电池组件相互遮挡的问题。彩钢板屋面固定支架光伏组件方阵实施效果如图1所示。
3 结语
本文介绍的某6 MW屋顶光伏发电站建设项目，缓解了日趋紧张的电力供需矛盾，改善了电网结构，能够利用当地的自然洁净能源为企业用户的生产运行提供有力的帮助，促进当地经济稳定发展，在光伏发电行业起到示范和推动作用，具有较好的社会效益和经济效益。
[参考文献]
[1] 郭生全.光伏发电站系统的优化设计建设探讨[J].智能城市，2019（6）：58-59.
[2] 王欢欢，姚蕾，田聪聪.影响光伏电站经济性收益的主要因素分析[J].通讯世界，2018（3）：337-338.
[3] 刘江.建筑屋顶太阳能光伏发电项目的分析研究[J].能源与节能，2014（6）：85-86.
[4] 张湉，吕丹，何惧.某光伏电站总图设计及布置探讨[J].太阳能，2014（10）：24-26.
收稿日期：2020-07-24
作者简介：李春松（1970—），男，湖南浏阳人，工程师，从事发电厂、变电站的电气设计工作。
关键词：光伏发电站;光伏组件;逆变器;光伏方阵
1 建设屋顶光伏发电站的可行性分析
1.1 太阳能资源充足
某6 MW屋顶光伏发电站项目坐落于广州市从化区，地处北纬23°32′，东经113°34′，从化全年日照时数达1 673～1 718 h，通过检索NASA数据库可知，该地区22年来的太阳总辐射平均值为4 857 MJ/m2，太阳能资源丰富，可满足光伏组件、逆变器等相关设备的运行要求。
1.2 工程地质条件允许
该项目按国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）以及《建筑物抗震设计规范》（GB 50011—2010）等要求，进行抗震设计。场地地壳基本稳定，适合工程建设。
1.3 当地电力网络发达，负荷需求稳步增长，光伏并网无忧
广州2020年全社会用电量达到1 250亿kWh，“十三五”期间用电量年均增长5.0%，最大负荷将达到2 460万kW，“十三五”期间负荷年均增长率为5.1%。
广东省政府网站公布的《广东省人民政府办公厅关于促进光伏产业健康发展的实施意见》指出：“到2020年，我省光伏制造业持续稳健发展，产业技术水平和自主创新能力位居全国前列，分布式光伏发电应用得到有效拓展。全省光伏发电总装机容量争取2020年达到400万kW。”
1.4 屋顶资源丰富
该项目可利用的屋顶面积合计57 338 m2，屋面多采用彩钢板制作，为光伏组件的安装提供了便利。
2 建设方案的确定
2.1 光伏组件选型
当前市场上可供选择的光伏组件有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、多元化合物太阳电池，其中多元化合物太阳电池尚未得到工业化生产，很少采用。常见的光伏组件性能对比如表1所示。
组件功率越大，系统效率越高，且大功率组件安装更快速、简便，减少了设备的安装材料、系统连线费用，降低了线损。因此，光伏组件的选型优先考虑效率高的大功率光伏组件，本项目综合考虑屋面荷载以及投资费用，选用305 Wp的单晶硅光伏组件。
2.2 逆变器容量及连接方式选择
当前逆变器主要有集中式逆变器和组串式逆变器两种。
集中式逆变器：设备功率在50～630 kW，一般为500 kW和630 kW，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC电力电子器件变换全桥逆变、工频隔离变压器的方式。
组串式逆变器：功率一般不大于50 kW，功率开关管采用小电流的MOSFET拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换。组串式逆变器和集中式逆变器比较如表2所示。
根据目前的逆变器技术水平及市场价格，综合考虑可靠性、实用性、灵活性等要求，结合本项目的装机容量及设备运输条件，决定选用50 kW组串式逆变器和500 kW集中式逆变器相结合的方式。
2.3 结合屋顶资源现状进行设计
该项目企业的分拣车间1、分拣车间2、配送仓库1、配送仓库2为彩钢瓦屋面，且屋面结构形式一致，屋面方位角为2°，屋面倾角4°，光伏组件与屋面方位角一致且沿屋面倾斜角安装。停车场新建光伏车棚方位角为0°，车棚倾斜角设计为3°，利用光伏组件作为车棚的天面。轮胎堆场新建钢结构厂房方位角为0°，屋面倾斜角设计为3°，光伏组件沿屋面倾角安装。该项目基本配置如表3所示。
2.4 光伏方阵设计
2.4.1 光伏组件的串/并联设计
设计原则：
（1）光伏组件串联形成的组串、輸出端电压的变化范围必须与逆变器的输入电压范围相符。
（2）并联连接的全部光伏组件串的总功率应大于逆变器的额定功率。
（3）光伏组件组串后，最高输出电压不允许超过光伏组件自身要求的最高允许系统电压。
2.4.2 光伏组件串的串联数计算
在光伏方阵中，同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏组件串的串联数应按下列公式计算：
式中：Kv为组件的开路电压温度系数;K′ v为组件的工作电压温度系数;N为组件的串联数（N取整数）;t为组件工作条件下的极限低温（℃）;t′为组件工作条件下的极限高温（℃）;Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压（V）;Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值（V）;Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值（V）;Voc为组件的开路电压（V）;Vpm为组件的工作电压（V）。
本项目采用的是单晶硅光伏组件，采用24块组件串联。
2.4.3 光伏组件串的并联路数计算
根据逆变器容量及光伏组件串的容量确定并联数。光伏组件串的并联个数计算公式如下：
式中：Np为组件串并联个数;Po为系统输出总功率（Wp）;Pm为单个组件最大输出功率（Wp）;Ns为组件串联个数。
本项目每台50 kW逆变器取7路或8路输入，每台500 kW逆变器取15路或16路输入。
2.4.4 光伏阵列的间距计算
固定式布置的光伏方阵，在冬至日当天09：00—15：00太阳不被遮挡的间距可根据以下公式计算：
式中：L为阵列倾斜面长度;D为两列阵列之间的距离;β为阵列倾角;？准为当地纬度。
根据《广州市太阳能光伏发电建筑应用设计导则》，彩钢板屋面由于荷载的原因不设带倾角的支架，直接平铺在屋面上，不存在光伏电池组件相互遮挡的问题。彩钢板屋面固定支架光伏组件方阵实施效果如图1所示。
3 结语
本文介绍的某6 MW屋顶光伏发电站建设项目，缓解了日趋紧张的电力供需矛盾，改善了电网结构，能够利用当地的自然洁净能源为企业用户的生产运行提供有力的帮助，促进当地经济稳定发展，在光伏发电行业起到示范和推动作用，具有较好的社会效益和经济效益。
[参考文献]
[1] 郭生全.光伏发电站系统的优化设计建设探讨[J].智能城市，2019（6）：58-59.
[2] 王欢欢，姚蕾，田聪聪.影响光伏电站经济性收益的主要因素分析[J].通讯世界，2018（3）：337-338.
[3] 刘江.建筑屋顶太阳能光伏发电项目的分析研究[J].能源与节能，2014（6）：85-86.
[4] 张湉，吕丹，何惧.某光伏电站总图设计及布置探讨[J].太阳能，2014（10）：24-26.
收稿日期：2020-07-24
作者简介：李春松（1970—），男，湖南浏阳人，工程师，从事发电厂、变电站的电气设计工作。