屋顶光伏电站的若干技术问题及解决方案

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（光伏系统及工程、系统部件及并网技术）屋顶光伏电站 屋顶光伏电站的 光伏电站的若干技术问题及解决方案 若干技术问题及解决方案刘敬伟 赵鹏 郑平 宋行宾 韩晓艳 崔明北京京东方能源科技有限公司 100015摘要： 摘要：目前屋顶光伏电站存在很多技术难点(如屋顶建筑结构的适应性问题、电站设计的优化 问题、电能的安全质量问题等)，从实践出发，通过自主研究，针对性提出了有效解决方案。

通过采用多样化安装设计方案， 满足了各类屋顶光伏电站建设要求； 基于自主搭建的国内首 个“光伏发电实证性测试研究平台”，开展对效率优化方案的多角度研究，以提升光伏电站 性价比；并与清华大学开展产学研合作，在降低谐波、防范孤岛效应等方面取得较好成绩， 保障了电能的质量和安全。

关键词 关键词：屋顶光伏电站、建筑结构、电站优化、安全质量、整体解决方案1 引言能源匮乏和环境污染已经成为限制当今 世界可持续发展的瓶颈，也是事关我国发展 的战略核心和提高综合国力的关键。

当前， 以石油、煤和天然气等为主的化石燃料因储 量有限和不可再生，无法满足日益增长的人 类社会发展对能源的需求，同时这些化石能 源的燃烧排放出大量的温室气体CO2、并造 成严重的环境污染。

太阳能发电是一种可再 生的环保发电方式，既可以获得源源不断的 能源供给，又不会产生环境污染和导致温室 效应，因而太阳能光伏发电作为一种可再生 的清洁能源将是人类可持续发展的必然选 择。

并网光伏电站是太阳能利用的主要形式 之一，可分为屋顶和地面光伏电站。

从技术 角度上分析，屋顶光伏电站的优势明显：并 网点靠近用户侧，可实现即发即用，避免了 远距离传输的损耗和电网建造等问题；电站 使用的场地为闲置的屋顶，不占用额外的土 地资源；电站建设的规模较小且相对分散，其不稳定性对于电网的冲击相对比较小；光 伏发电的发电时间基本上是电网的峰值用电 时间， 能起到很好的“削峰填谷”的作用， 有利 于减轻电网的负担。

屋顶光伏电站是未来重要的一个发展方 向。

2011年，全球屋顶光伏电站装机容量约 占光伏总装机容量的70%[1] ，一直以来，欧 美等国家始终将扶持的重点放在屋顶光伏电 站项目上，德国和意大利总装机容量的80％ 来自屋顶电站；日本政府近年来推出了“太阳 能屋顶计划”， 其2011年屋顶电站装机量达70 ％；而这一比例在法国更是达到了90％；美 国政府通过 2010 年的 “ 千万太阳能屋顶 ” 计 划，不断扩大其屋顶光伏电站的市场规模， 预计 2030 年其屋顶光伏电站安装量将达到 200GW。

而在国内， 自2009年以来， 财政部、 发改委等陆续推出“太阳能屋顶计划”和“金太 阳”示范工程，不断推广国内屋顶太阳能的示 范应用，预计2015年分布式光伏电站规模将 达 10GW [2] ，其中屋顶光伏电站为其主要形 式。

2 屋顶光伏电站的有效解决方案屋顶光伏电站具有可自发自用、不占用 额外土地资源、对电网冲击小等先天优势， 但目前也存在很多问题，如屋顶建筑结构的 适应性问题、电站设计的优化问题、电能安 全质量问题、监控调度问题等。

京东方能源从实践出发， 通过自主研究， 针对上述问题提供有效解决方案。

通过采用 多样化安装设计方案，满足了各类屋顶电站 建设的要求；为优化电站设计，公司搭建了 “光伏组件户外优化测试系统”，从电池模 组选型、安装角度优化、气候环境匹配等多 方面研究系统效率优化设计方案，显著提升 了光伏电站的性价比，同时该系统被鉴衡认 证中心授为国内首个“光伏发电实证性测试 研究平台”；为保障电能的安全质量，公司 与清华大学联合开展研究，在降低谐波、防 范孤岛效应等方面取得较好成绩；为了进一 步保证光伏电站高效稳定发电，公司联合节 能环保中心构建智能调度监控系统，实现光 伏电站的实时有效监控，并及时对可能出现 的故障作出应急处理，最终实现电站安全可 靠运行。

2.1 电站安装 电站安装设计优化 安装设计优化方案 设计优化方案 公司针对现有屋顶建筑结构的复杂多变 的特点，提出具有针对性的多种安装设计方 案，目前已形成具有市场竞争力的屋顶支架 解决方案体系： 包括新建屋顶水泥预置方案、 旧有建筑屋顶承重改造方案、轻钢厂房屋顶 平铺卡具方案、采光屋顶BIPV透光方案、无 预置屋顶导流板支架方案等(如图1所示)。

其 中无预置屋顶导流板支架方案具有不破坏屋 面、安装便捷、施工无噪声和后期变更方便 等突出优点，满足了各类新旧屋顶的光伏电站建设要求。

图1 屋顶光伏电站的不同支架解决方案 上述所有屋顶支架解决方案均已经过实 际案例的运行验证。

例如在北京市最大的屋 顶光伏电站项目（京东方8.5代线屋顶并网光 伏发电项目）的电站安装设计时，为了满足 用户的无屋面破坏作业、高防水、保温等特 殊要求， 针对性采用新建屋顶水泥预置T型方 案和无预置屋顶导流板支架方案，不但实现 光伏电站的稳定发电，同时保证了用户侧半 导体精密设备的可靠运行。

2.2 电站设计优化 如何实现并网光伏系统的整体优化设计 从而降低发电成本是光伏发电平价上网的核 心问题。

光伏系统整体优化设计主要从组件 选型、安装倾角优化、环境匹配等方面加以 优化，从而减少系统发电损失，据测算电站 由于组件选型、倾角设计、环境因素等方面 的设计不当造成的损耗约占总发电量的 20%，具体损耗比例如图2所示。

京东方能源为实现光伏电站的整体优化 设计，规划建设了光伏组件户外优化测试系 统（如图3） ，该系统目前已具备多种户外实 证性测试功能（如图4） ，可通过长期实时监 测组件发电性能、同步搜集天气环境数据， 比较不同类型电池的发电能力，评估安装倾角及跟踪方案对发电量的影响。

图5 不同类型电池在不同季节下发电对比(2011年)通过本系统实际数据的分析处理，获得图2 系统发电量损失分布图了多项电站优化设计参考方案，以提升光伏 系统整体发电效率，降低发电成本。

例如光 伏组件选型方面，研究了不同种类光伏组件 在不同天气条件下的发电特性（如图5） ，结 合光辐照度、温度、湿度等天气资料，分析 测试结果表明： 晶体硅和CIGS应该更适合辐 照量高、温度低、湿度低的中国北部地区； 硅薄膜在辐照度不高、或温度高及湿度高的 中国南部大部分地区应该具有更高发电量[3]。

图3 光伏组件户外优化测试系统的 连接示意图(上)和实物图(下) 图6 “金太阳TMP工厂认证实验室”证书光伏组件户外优化测试系统获得了鉴衡 认证中心的认可，并授权成为国内首家“金 太阳TMP工厂认证实验室” （如图6） ，该实 验室已发展成为具有国际先进水平的太阳能 电池实证性和标准化检测及系统整体优化设图4 光伏组件户外优化测试系统的功能定位计的公共技术平台和研究基地，填补了国内光伏组件户外实证性评价测试系统的空白， 促进我国太阳能电池认证检测技术整体水平 的提高。

2.3 电能质量和安全 电网及用户侧的安全性主要体现在供 电设备（光伏电站）输出的电能质量和供电 设备在电网异常时候的响应特性。

对于屋顶 光伏电站大多采用用户侧低压并网，输出电 能直接供用户侧使用，因此电站输出电能质 量以及电站的安全性显得更为重要。

合格的 电能质量是在正常工作情况下不影响或干扰 用户使用电力情况的物理特性，其衡量指标 主要包括谐波、电压偏差、电压不平衡度、 直流分量、电压波动和闪变等指标。

国内外 均对光伏电站输出电能质量提出了相关的标 准，如表1所示。

光伏电站在电网异常时的响 应特性直接决定了用户侧用电及维护的安全 性，其响应特性主要包括孤岛保护、低电压使光伏电站能快速检测孤岛状态进行防范， 保护用户安全； 提高低电压耐受能力方面 （其 工作原理如图7所示） ，通过检测系统电压幅 值以获得不同电压参考值，控制光伏电站输 出电压，从而实现低电压穿越，并在低电压 时输出无功以支撑电网。

电能质量和安全关 键技术的研究成果，对光伏并网电站的集成 技术和优化起到支撑作用，同时提升了公司 光伏集成领域的核心竞争力。

图 7 低电压耐受能力2.4 智能监控调度 智能监控调度 穿越等。

屋顶光伏电站建设的规模较小且相对分表 1 光伏电站并网技术的国内外标准要求散，如何对分散的光伏电站系统运行状况进 行实时监控，并及时对可能出现的故障作出 应急处理成为光伏电站后期监控管理的重要 任务。

构建一个安全的、智能化的绿色能源 调度管理系统，实现分散式能源系统的集中 调度管理与智能监控，对光伏电站的安全可 我公司针对屋顶并网电站电能质量和安 靠运行具有十分重要的现实意义。

全问题与清华大学联合开展研究，在降低谐 我公司对已建成的多个电站项目组建了 波输出、防范孤岛效应、提高低电压耐受能 智能监控调度系统，并与北京市发改委节能 力等方面取得较好成绩，并成功申请了相关 环保中心的在线监测系统进行联网，可远程 发明专利。

降低谐波输出方面，采用先进的 实时在线监测光伏电站的运行状况及发电量 PWM控制技术，合理优化设计控制参数，并 对控制死区进行补偿，经试验验证有效降低 降低了电站因地域分布广泛分散而产生的维 了光伏电站的谐波输出； 防范孤岛效应方面， 护成本；电站出现故障时，可通过监控系统 采用主动加被动的检测方式， 缩小检测盲区， 上位机直接定位故障所在，缩短了故障排查 情况（如图 8） 。

智能监控调度系统的建立，时间；监控调度系统存储长期及实时的发电 数据、天气数据，这些原始数据的采集和统 计分析，可为系统的设计改进及优化提供依 据。

(a) 京东方恒通商务园区项目图 8 节能环保中心在线监测系统远程智能监控界面 (监测电站项目：京东方恒通商务园区项目) (b) 8.5 代线 5MW 大型屋顶项目3 屋顶光伏电站项目业绩目前国内从事屋顶光伏电站建设的企业 相对比较分散，竞争格局尚未完全形成，加 上国内屋顶光伏市场潜力巨大，对于企业来 说这是一个很好的发展机会。

正是基于此原 因的考虑，京东方能源以国家“金太阳”政(c) 透光性 BIPV 电站实景策的出台为契机，从下游太阳能应用领域切 入，以应用带动核心技术、关键产品的研发， 以研发更好地服务于应用。

一直以来，京东方能源科技以“金太 阳”与“光伏建筑一体化”示范项目为主 导，通过实际案例来提升和完善屋顶光伏电 站的设计和安装能力。

公司近年来在北京建 设完成了首个金太阳项目（图9(a)）、最大 的屋顶光伏电站项目（图9(b)）、首个透光 性BIPV项目（图9(c)）、首个风光储智能微 网示范项目的光伏部分（图9(d)）等，通过 实践具备了提供屋顶光伏电站整体解决方案 竞争的成熟、技术手段的改进和提升，屋顶 的能力。