浅谈屋顶分布式光伏发电技术的设计与应用

安科瑞武陈燕

【摘要】为了缓解城市用电紧张袁降低人们的用电成本，可以在工业园区、办公楼屋顶等场所应用屋顶分布式光伏发电技术进行就近转换、并网发电袁充分利用建筑物屋顶的太阳资源。概述屋顶分布式光伏发电技术，分析屋顶分布式光伏发电系统组成，探讨屋顶分布式光伏发电技术的应用优势和应用方式，并以某项目为例研究屋顶分布式光伏发电技术的实际应用，以期为屋顶光伏发电项目提供参考。

【关键词】屋顶分布式光伏发电技术；太阳能源；光伏组件；并网

0引言

随着我国经济水平的不断提升，人们越来越重视清洁能源的开发和利用。太阳能是现阶段理想的清洁能源，而屋顶分布式光伏发电技术就是利用太阳能这一清洁能源进行发电的*进技术。该技术操作简单，实用性强，能够将太阳能转换为电能，为生产和生活提供帮助。在未来，太阳能光伏发电技术将成为我国主要的可再生能源发电技术[1]。在太阳能光伏发电技术中，屋顶分布式光伏发电技术的应用前景广阔，这主要是因为该技术具有就近发电、就近使用的优点，能够有效节约用电成本，实现余电入网。

太阳能光伏发电主要有两种，分别是集中式光伏发电和分布式光伏发电。集中式光伏发电投资大，占地面积广，容量大，但是系统复杂性高，受到一定的地域限制；分布式光伏发电投资小，占地面积小，容量小，但是系统在安装和维护方面都比较简便，没有地域限制，一般将光伏组件放置在屋顶上即可发电。

1屋顶分布式光伏发电技术

屋顶分布式光伏发电技术是一种新型发电技术，系统安装在屋顶，通过光伏组件，将太阳能转换为电能，从而实现发电[2]。我国的火力发电和水力发电都存在较大的能源损耗，并且在节能减排方面也存在一定的不足，而屋顶分布式光伏发电技术是一种无地域局限性、智能化的发电技术，而且在节能减排方面优势突出，是现阶段利用清洁能源效率高的技术之一。屋顶分布式光伏发电技术主要借助光伏组件进行太阳能-电能的转换，与供电配网连接后就能够就近供电。屋顶分布式光伏发电技术在节能减排方面的优势明显大于火力发电，并且在输送电能的过程中损耗非常低，对于一些用电量较大的地区，应用屋顶分布式光伏发电技术能够有效解决电能紧缺的问题。

2屋顶分布式光伏发电系统组成

屋顶分布式光伏发电系统主要有离网和并网两大类。离网光伏发电主要通过蓄电池进行充能，其组件构成很简单，只需光伏发电阵列、电力电子交换器和蓄电池就可以组装一个离网光伏发电组件。其中，蓄电池的应用非常灵活，在蓄电完成后，蓄电池可以在各种用电设施中应用。并网光伏发电的技术含量高，其通过转化光伏发电阵列，应用电力电子交换

器，与供电配网连接后为附近的用户供电，整个系统规模比离网光伏发电组件更大，但是经济效益更高，应用覆盖面广。

2.1光太伏阳发电能光阵

列伏发电阵列是一种将多块光伏模组进行连接的大规模光伏发电系统，利用光生伏*效应，进行太阳能-直流电能的转换[3]。阵列是指多块光伏

组件的组合，单块光伏组件转换的电能不能满足一般用电需求，因此需将多块光伏组件组合在一起，使形成了阵列。

2.2电力电子交换器

通过光伏发电阵列吸收太阳能并转化为电能后，需要对其进行电压的转换，使其满足电能输配网络的要求，电力电子交换器在屋顶分布式光伏发电系统中主要负责电压转换工作，常用设备有整流器和逆变器等。

2.3储能元件

在屋顶分布式光伏发电系统中，储能元件是非常关键的组件之一。该组件在交流电路中进行能源转化时不会产生能量消耗。在电路中安装储能元件，能够使能源转化更加平稳，提升能量的稳定性。在屋顶分布式光伏发电技术的应用过程中，储能元件的应用非常重要，在系统中安装合理的储能元件，能够与电力电子交换器一起发挥协同效应，大幅提升能源利用率，将太阳能*效率转化为电能，减少转化过程中的能源消耗，产出更多的清洁能源，从而满足附近用户的用电需求。

2.4智能化控制系统

屋顶分布式光伏发电系统的实现主要依靠智能化控制系统实现。在同一场所中的不同位置、不同角度，收集的太阳能量是不同的，即便是生产批次相同的储能元件和电力电子交换器，在功率方面也存在一定的差异[4]。智能化控制系统主要用于功率控制，可以确保容量存在差异的光伏发电单元进行相同比率电能的输出。现阶段，我国屋顶分布式光伏发电技术中的智能化控制系统主要是借助本地通信网络对整个光伏发电系统中多个发电单元的功率进行自动化调整，使多个发电单元的功率能够稳定在一定的输出比率，从而提升输出电压的稳定性。由于屋顶分布式光伏发电系统一般与供电配网连接，如果系统的输出电压缺乏稳定性，可能会影响整个配电网络的电压，使用户的正常用电受到影响。所以，为了防止出现电压波动故障，需要在屋顶分布式光伏发电系统中安装智能化控制系统。

3屋顶分布式光伏发电技术的应用优势和应用方式

现阶段，我国已有“光电建筑一体化”“*家金太阳”等有关光伏发电的扶持项目，这在一定程度上促进了我国分布式光伏发电行业的发展，使人们逐渐开始使用具有高环保性的清洁能源。

3.1屋顶分布式光伏发电技术的应用优势

首先，随着我国城市化建设进程的推进，城市人口密度不断升高，结合当前大中小城市的土地利用情况来看，即使太阳能源作为清洁能源具有较大的经济优势，在城区内单独规划一块光伏发电的场地也明显脱离实际。而屋顶分布式光伏发电设备可以直接安装在用户附近的屋顶和外墙面等原本无用的建筑物空间，节约光伏发电的用地。其次，屋顶分布式光伏发电设备可以安装在建筑物屋顶和外墙面，在一定程度上避免太阳光直射建筑物外墙，有助于增强建筑物内部的温度控制效果，间接缩短用户使用空调等控温设备的时间，从而节约电能。同时，屋顶分布式光伏发电设备可以保护建筑物不受太阳直射，降低建筑物的损耗，延长建筑物的使用年限，降低建筑物运营维护成本，具有较高的经济性。再次，

屋顶分布式光伏发电设备的安装位置与用户的距离更近，还能降低大用电量区域重新建设供电配网、增设线路的成本。*后，城市的用电需求主要集中在夏季，而夏季太阳能源充足，电能转化量大，屋顶分布式光伏发电技术正好满足了夏季这一用电高峰期的需求，能大幅降低用户的用电成本。即便是在冬季、阴雨天、夜晚等太阳能源吸收较少的情况下，用户依然可以使用现有供电配网提供的电能，用电的稳定性和安全性得到提高。另外，屋顶分布式光伏发电技术能够有效减少传统发电方式造成的能源消耗和污染排放，缓解城市用电紧张问题。

3.2屋顶分布式光伏发电技术的应用方式

3.2.1光伏发电设备取代屋顶材料

光伏发电设备大多安装在建筑物屋顶或外墙表面上，这可以在一定程度上节约屋顶材料。直接用光伏发电设备替代屋顶材料，不仅能提升光伏发电的效率和稳定性，还能降低建筑成本。一般来说，屋顶的光伏发电效率高，而外墙表面可能会受到角度等因素影响，使其在太阳能收集量方面存在一定的不稳定性[5]。同时，光伏发电设备安装在屋顶，还能有效地避免风力因素的影响，节约制作、安装支架的成本，并起到保温隔热的作用。在实际应用过程中，如果直接将光伏发电设备安装在屋顶，应当确保设备的防水性和防渗漏性能，并且要注意光伏发电设备的使用区域。由于我国地域辽阔，不同地区的温度、气候差异较大，特别是我国北方地区，冬季的温度比较低，在北方的建筑物屋顶安装光伏发电设备时考虑其抗冻性能，如果光伏发电设备的各项性能都符合要求，那么完全可以用光伏发电设备取代屋顶材料。在未来，相关科研人员应当研究屋面瓦与光伏发电设备的结合，从而在充分利用太阳能源的同时，保障建筑物屋顶的防漏、防冻、防裂、保温性能。

3.2.2光伏发电设备替代建筑物外墙材料

在光我伏国发城市电设备建设替中，代随建着筑建物外筑墙行材料业的不断发展，建筑材料更新迭代，出现了很多新型的建筑物外墙材料，如玻璃幕墙、墙砖、保温材料等，建筑物外墙材料已经成为建筑行业中的材料之一。但是在更新建筑物外墙材料的过程中，考虑材料的实用性、环保性和安全性等性能。例如，玻璃幕墙虽然能够增加建筑物内的光照，但是容易对附近居民造成光污染。而光伏发电设备不仅能够吸收、利用太阳能源，还能够在夏季抵挡太阳光直射，降低室内温度，减少空调的使用，从而节约电能，避免污染。同时，光伏发电设备接入供电配网后，可以直接向附近的用户和公共基础设施供电，如建筑物周围的发光二*管（lightemittingdiode,LED）屏幕、路灯、公交站牌等，提升人们的生活质量。

4屋顶分布式光伏发电技术应用实例

4.1工程概况

某项目为某市盘南工业园区、周边*府办公楼及居民楼的屋顶分布式光伏发电项目，整个项目范围约22万m2，安装的分布式光伏发电组件单面装机容量为550Wp，组件尺寸为2278mm伊1134mm，整体装机容量约为46MWp。光伏发电组件安装在楼顶部位，安装方式为固定式安装，安装倾斜角为20毅。

4.2方案设计

本工程一期计划装机容量为30MWp，根据各类型屋顶布置实际情况以220V和380V的电压并网，就近接入每栋楼房原配电房或T接入屋前的电能表。

4.2.1*关尧医院尧学校接入系统

*关、医院、学校位于城镇*心位置，配电网资源较丰富。由于该项目分布式光伏装机规模较小，分布式电源接入对配网影响较小，可采用380/220V电压就近接入附近台区或线路。

*关、医院、学校采用“自发自用余电上网”方式运行。在实施过程中应该核实用户与电网公司售电关口计量表位置，分布式光伏接入位置应在售电关口计量表之后，同时将原计量表更换为双向计量表，计量表精度与原计量表相同。

4.2.2工商业接入系统

某工商业建筑的屋顶光伏直流侧装机容量为3.0MWp，考虑1.2的容配比，交流侧容量为2.5MW，采用4台光伏柜接入厂区380V低压配电段。

工商业用户采用“自发自用余电上网”方式运行，在实施过程中应该核实用户与电网公司售电关口计量表位置，分布式光伏接入位置应在售电关口计量表之后，同时将原计量表更换为双向计量表，计量表精度与原计量表相同。

4.2.3居民户用接入系统

居民户用屋顶分布式光伏建设规模较大，且部分地区配电网资源较为薄弱，需要对分布式光伏系统承载能力进行评估。

居民户用项目采用“全额上网”方式运行。在实施过程中应该核实用户与电网公司售电关口计量表位置，分布式光伏接入位置应在售电关口计量表之前。

4.3光伏主件选型

光伏电站太阳能电池应选用技术成熟、转换效率较高、已规模化生产且在国内有工程应用实例的组件作为光电转换的核心器件。综合考虑电池组件的价格、发电量、占地面积等特点及本工程的具体情况，本项目采用单晶硅单面容量为550Wp组件。

4.4容量配置及发电情况

本项目采用8耀100kW的逆变器，各个乡镇根据分散程度选用合适的逆变器型号和台数，逆变器总容量为37.95MW。本项目配置容配比在1.16耀1.30，综合容配比约为1.23。经计算，本项目直流侧装机容量为46MWp。在运行期25年内，首年利用小时数为1105.40h，年平均发电量为4392.05万kW·h，年平均利用小时数为1030.96h。

5Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

5.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

6充电站微电网能量管理系统解决方案

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

6.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

6.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

6.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

6.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

6.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

6.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

6.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

6.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

6.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

6.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

6.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

6.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

6.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

6.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

6.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

6.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

6.2硬件及其配套产品

7结语

太阳能是现阶段以及未来*为理想的清洁能源，光伏发电具有非常高的环保价值，非常适合进行推广应用。屋顶分布式光伏发电技术是近年出现的一种新兴发电技术，具有较高的经济性和环保性，相关人员要深入研究这项技术，加大研发力度，促进我国电力行业的蓬勃发展。