屋顶光伏电站的若干技术问题及解决方案

屋顶光伏电站的若干技术问题及解决方
案
摘要：并网光伏电站是太阳能利用的主要形式之一，可分为屋顶光伏电站和
地面光伏电站。

从技术角度来说，屋顶光伏电站的优势是显而易见的:并网点靠
近用户端，可以实现即开即用，避免了长距离传输的损耗和电网建设的问题；电
站使用的场地是闲置的屋顶，不占用额外的土地资源；电站建设规模相对较小且
分散，其不稳定性对电网的影响相对较小；光伏发电的时间基本上就是电网的用
电高峰时间，可以起到很好的“削峰填谷”的作用，有助于减轻电网的负担。

关键词：屋顶光伏电站；光伏发电；太阳能
引言
随着全球能源危机和生态环境的恶化，风能、太阳能、水电等清洁和可再生
能源正在迅速发展。

与其他能源相比，太阳能广泛被采用，安全和强大的可持续
性优势，可以转化为电能和热能，以满足人们的各种供暖需求。

绿色建筑是近年
来建筑领域兴起的新的建筑概念。

采用环保节能作为技术手段，为用户提供安全
舒适健康的生活环境是未来建筑发展的主要方向，将光伏电站应用于绿色建筑，
可以充分利用太阳能资源，降低建筑能耗，满足绿色建筑的发展需求，实现节能
减排目标。

1光伏发电
太阳能发电分为光热发电和光伏发电。

光热发电是指通过大规模镜阵反射聚光，将盐溶质加热，再通过换热装置推动汽轮机发电。

而光伏发电是指利用太阳
能光伏组件吸收光电子，直接产生电势差，正负极连接后便形成了直流电，再通
过电力电子设备将直流电逆变为交流电。

并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备，也是最容易出现故障的设备。

并网逆变器主要由升压斩波器、滤波单元构成，输出的直流电经过交流EMI滤波单元后逆变为可正常使用的交流电，输出的电压
可以是220V，也可以是380V，甚至是800V。

光伏发电根据安装地点可以分为地
面光伏、屋顶光伏、水面光伏、山地光伏；根据规模可以分为集中式光伏、分布
式光伏、户用型光伏。

2屋顶光伏与集中光伏相比具有调节和成本优势
除了安装空间以外，光伏系统发展面临的另一重要瓶颈是有效消纳。

光伏的
发电量由天气决定，不可调控。

而光伏的发电与用电需求并不一致，如何协调电
源与电负荷的关系，从而有效消纳光电是目前光电发展的关键。

当全面实现电气
化以后，带有蓄电池的负载（包括电动车、电动拖拉机等）将占总用电功率的70%以上，可以实现灵活的用电和储电；另一方面，生产、农副产品加工等大多数流
程都可以实现“需求侧响应”的用电模式，即有光伏发电时运行，无光伏发电时
停运。

在出现连阴天、发电量不足时，对大部分负载采用停运模式，保证最低用
电负荷，并不会对正常生产生活产生过大的冲击。

除可以实现灵活调节和需求侧
响应模式以外，屋顶光伏也是初投资最低的光伏发电系统。

随着光伏技术的迭代
发展和规模化生产应用，光伏板的成本仍将加速下降，很快将降至1元/Wp。

在
光伏系统中，光伏器件的成本只占到初投资的35%~45%，其他投入包括逆变器、
保护装置、支架、安装费等。

随着光伏板价格的不断下降，光伏支架和安装的成
本逐渐成为影响光伏发电系统总成本的重要因素。

而屋顶光伏的支架在各类光伏
发电支架中成本最低，因此屋顶光伏系统的总成本整体低于其他光伏发电系统。

采用“优先自用”的模式，直接将发电接入终端配电系统，避免了交/直流转换、升/降压的装置成本和转换损失，因而能够进一步降低系统成本。

3屋顶光伏电站的问题及解决方式
3.1智能监控调度
屋顶光伏电站的建设规模相对较小且分散。

如何实时监控分散式光伏电站系
统的运行状态，并及时处理可能出现的缺陷，已成为光伏电站监控管理的一项重
要任务。

建立安全智能的绿色能源调度管理系统，并实现分布式能源系统的集中
调度管理和智能监控，对光伏电站的安全可靠运行具有重要的现实意义。

智能监
控调度系统与节能环保中心在线监控系统联网，可远程直接监控光伏电站的运行
状态和发电量。

智能监控和调度系统的构建通过广泛的地理分布降低了电厂的维护成本。

如果发电厂发生故障，监控系统的上位计算机可以直接查找故障，从而缩短故障排除时间。

调度系统存储长期和实时的开发和天气预报数据，此类原始数据的收集和统计分析可以为系统设计的改进和优化提供依据。

3.2设计方面
屋顶分布式光伏应当按照“就近接入、就地消纳”的原则，在用电负荷高、电网承载能力强的区域优先布局。

分布式光伏接入低压配电网后，原本无源的低压网络变成了有源网络，潮流的流向由原来单纯地从电网侧流向用户侧、从高压侧流向低压侧变为双向流动，用户同时也是发电源，电能在无法就地消纳的情况下会反送回电网，在低压网络无法就地消纳时会反送至高压网络，如此一来，对电网的一些继电保护设置、系统电压维持、短路特性等产生影响，当电网的运行电压越限时，可能引起继电保护装置动作。

在电网发生故障的极端情况下，部分区域发生停电时，分布式光伏发电如继续运行，会导致停电区域的部分线路仍保持带电状态，从而形成电力孤岛效应。

符合电网需求的屋顶分布式光伏项目是需要与区域配电网协调发展的，在配电网承载力的基础上，针对不同的住户，分析消纳条件与用电规律，分析负荷分布情况与配电网现状，主动调整配电网的规划与改造升级。

对于经济落后的地区，用能需求量小，电力网薄弱，配电网基础设施的国内供电可靠性差，安装屋顶分布式光伏的装机容量容易受限。

反过来，供电能力强的区域，才能确保发电系统运行稳定。

在接入点较多、内部网络结构复杂的应用场景中，继电保护装置和监控反馈系统对于电网平稳运行、电站安全协调发展都是必要的。

因此，在设计阶段就要综合考虑安全与经济问题。

3.3光伏组件的安装方式
由于建筑屋顶的复杂条件，分布式光伏屋顶生成系统的光伏模块安装模式不仅要考虑太阳辐射，还要考虑遮阳和建筑及美学要求。

在平屋顶安装太阳能模块时，建议倾斜安装，并使用太阳能模块的最佳安装坡度来获得最大发电量。

根据用于光伏电站设计的GB50797-2012代码，太阳能模块安装的倾角可以设置为区域纬度，也可以根据年度动态模拟确定。

如果需要水平安装太阳光模块，则必须在太阳光模块下安装通风腔。

通风腔的高度最好在综合考虑后决定，取决于建筑
物冷热负荷的特点和太阳能发电的特点。

在斜坡上安装太阳能模块时，可以采用顶部安装。

但是，在布局中，需要注意的是，太阳能模块不能超过屋檐装饰，以避免太阳能模块跌落的危险，并符合建筑防火条例的要求。

3.4运维方面
在电网运行期间，分布式光伏发电受外部天气变化的影响，逆变器的输出功率也随之变化，容易产生谐波造成电能污染。

屋顶分布式光伏通过低压线路接入配电网，无法消纳的电能通过台区变压器返送电网，存在多个并网点和计量点。

当某地区有若干个光伏发电接入配电网时，会出现不稳定性。

屋顶光伏发电的不可调控特性无法完全与电网系统负荷波动匹配，会出现电压峰谷差、产生电压波动与电压闪变、产生三相不平衡的现象。

某些地区地处偏远，需经过长距离配电网输送，电能损耗明显。

若干个分布式光伏发电并入配电网时，配电网系统的薄弱环节很难承载，尤其是台区变压器的容量不足，对农村配电网的运行和控制带来很大的挑战。

因此，需要在台区部分配置一定比例的储能设备。

在光伏出力高峰时，充电以缓解变压器过载压力；在光伏出力不足时，由储能设备放电，以此提高就地消纳能力，必要时再对配电网络进行升级改造。

结束语
光伏电站不仅能充分利用太阳能，减少电力损失，还能有效解决城市配电网供电不平衡和电力短缺的问题。

光伏电站与绿色建筑有着相同的发展理念，两者的有效结合可以为居民创造更好的生活环境。

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作者简介：封胜，男，1980年5月出生，重庆市垫江县(籍贯)。