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并网光伏发电系统设计与应用

Apr 28,2026

光伏支架是怡能智造集团四大支柱产业（电力铁塔、光伏支架、螺旋钢管、交通护栏）之一。怡能智造集团拥有年设计、生产12万吨光伏支架的能力。今天继续为大家分享光伏的相关知识。

万科中心及光伏发电工程项目简况

深圳万科中心位于广东省深圳市盐田区大梅沙旅游度假区，是将一系列不同功能建筑的几何形态连贯在一起的城市片段。整个项目为一组集酒店、公寓、办公、娱乐休闲、会展、商业于一体的地标性建筑。其中万科总部是万科集团总部新的办公大楼，总建筑面积为14400㎡，申报国家可再生能源示范项目示范面积为14400㎡。结合万科中心节能、生态的设计理念，在万科中心（及总部）屋顶设置太阳电池板，建设太阳能光伏并网发电系统，将清洁、环保的太阳能光伏并网发电技术融入设计。该项目的总目标：将万科总部项目设计成为国家可再生能源规模化利用示范工程项目，向社会推广可再生能源在建筑领域规模化应用的模式。

该项目整个太阳能发电工程分为3个部分：主体并网光伏电站、LED车库独立照明系统、光伏清洁对比系统。设计总峰值功率为282kW，采用单晶硅电池板共1567块，逆变器32套，成套电气设备40套，具体情况如下表所示。系统采用AC 220/380V三相五线制输出，分3个并网点，直接与万科地下总配电室630kVA变压器二次端并网运行。光伏发电系统具有逆功率保护、防孤岛、短路过电流、过电压等各种保护功能，确保光伏系统安全、可靠的发电并网运行。该工程已竣工验收全面投入并网运行，且运行稳定，日发电量为800～1350kWh。

发电工程具体情况

万科中心太阳能发电工程总体技术要求

（1）系统容量满足LEED认证关于“可再生能源不小于总能耗12.5％”的要求。

（2）年总发电量保证大于280MWh。

（3）太阳电池板合理排布安装后占屋顶面积小于3200㎡。

（4）系统采用AC 220V/400V低压并网运行。并网输出频率范围为50Hz±0.2Hz。

（5）系统应具有多点并网特性，具有防对电网倒送电的逆向功率保护功能。

（6）系统效率在额定输出时，不低于90％。新颖的设计思路针对万科中心太阳能发电工程的总体技术要求，通过全面系统的优化设计、分析、计算，从发电量、功率、电池板最优化的组串、系统效率的计算，电池板、逆变器、避雷针的选型，支架系统的设计、布局，电池板朝向、阴影分析，显示控制系统等，确保系统完全满足技术要求，系统效率最高，获得最大的发电量，同时降低了建造成本。现将工程设计思路阐述如下。

（1）电池组件的合理选型

深圳万科中心项目要求太阳能绿色环保可再生能源的年发电量不少于万科总部年电能消耗总量的12.5％，同时要求太阳电池板安装总占地面积约3200㎡。经发电量的计算和对综合因素的考虑，主体光伏并网电站的设计安装峰值功率为272.7kW；通过电池方阵间距阴影分析，净太阳电池板安装有效面积约为1900㎡，因此要选用高转换率的电池组件。原设计方案选用SANYO HIT（异质结）电池板能满足要求，但成本很高。经优化设计与成本对比分析，改采用TSM-180单晶硅组件，组件转换效率14.1％，性能稳定，完全满足要求，同时成本大大降低。电池组件参数对比如下表所示。

电池组件性能参数对比

（2）电池板统一朝正南安装万科中心位于深圳，所处经纬度为东经114.1°、北纬22.5°。原方案电池板设计是顺向建筑物方向的，朝向不是正南。为了在相同安装容量下获得最大年发电量，改为所有电池板安装朝向正南，同时通过对太阳能电站整体效果图模拟，发现电池板朝正南方向安装的效果更美观。朝正南方向发电量增加20％～30％。

（3）可调倾斜角的支架系统设计项目原方案对太阳能支架系统的设计为25°固定倾斜角。经过对固定倾斜角和可调倾斜角对比分析，采用可调倾斜角方式，每年只要变动两次倾斜角，就可以使系统多发3.6％的电能，整个系统成本并未增加多少，而且变动倾斜角的工作总量并不大。经计算与分析，支架系统设计为5°与25°可调的两个最优角度。支架系统设计为升降结构，根据季节来调整太阳电池板的倾斜角。春分日（3月21日）前后（4月1日至9月31日）：电池板倾斜角调为5°。秋分日（9月23日）前后（10月1日至次年2月28日）：电池板倾斜角调为25°。通过精确计算，可调倾斜角支架系统全年辐射量比原25°固定倾斜角时增加3.6％。

（4）阴影分析、合理阵列间距根据建设地的地理位置、太阳运动情况、支架高度等因素及公式计算，可得出屋顶太阳能支架系统前后排之间的距离；本方案太阳电池方阵的间距可设计为1m。此间距可保证在冬至日的上午9时至下午15时之间不会有前后排阴影遮挡的问题。

（5）技术先进、高效逆变器的选型并网逆变器是光伏并网系统中最关键、最主要的设备。高转换效率是并网逆变器最主要的技术指标。该项目选用目前全球用量最大、技术先进、转换效率高、质量稳定的德国SMA逆变器，保证了整个光伏发电系统并网的可靠性，同时使逆变效率最高、输出电能最多。主体光伏并网电站系统共采用24台SMC 11000TL和3台SB 5000TL逆变器，逆变器最高转换效率高达98.1％，采用MPPT最优化跟踪方式，内置光伏输入直流电子开关ESS，电网孤岛保护和步进式接入等技术。该设备还采用创新的功率平衡功能，能够在不同相上控制并平衡并网输出功率。

（6）合理组串的设计万科中心太阳能发电站工程采用了多串、并组连接方式，保证了光伏方阵发电的一致性，提高了系统电能输出的平衡度。电池组串必须考虑全面，无论是低温还是高温，组串电压符合逆变器MPPT范围，且最优化，才能保证最大的发电量，这是非常关键的设计参数。深圳1月最冷，月平均最低气温为11.4℃，7月最热，月平均最高气温29.5℃，电池板正常工作时本身温度约为70℃。经过最优化设计与软件计算，SMC 11000TL逆变器的参数符合要求，电池板12块串联为一组，5组并联，共60块电池板，总功率10.8kW为最佳配置。开路电压与环境温度的变化关系成反比。假定组件串联数为Sn，串联后总开路电压为Ut，25℃时的组件开路电压为Uoc，开路电压温度系数为Kut，则在温度t下串联组件总开路电压Ut为：Ut=Sn×Uoc×（1+Kut）用此公式校验12串，为最佳组串。 SB 5000TL逆变器设计选型过程相同，组串设计过程类同。

（7）逆变器就近安装逆变交流输送万科中心太阳能发电站分布的区域面积较大，该工程使用了27台逆变器，考虑到光伏阵列安装于屋面，远离强电间，设计中优化了逆变器就近电池板位置安装，采用直流汇流箱与逆变器一体柜就近安装的创新做法。就近将直流逆变成交流，减少直流线缆敷设量与长度，适当加大交流输送线缆的截面积，降低了线损，保障了整个系统效率的最大化；同时降低了成本，因为直流光伏专用线缆成本相对交流线缆成本要高很多。

（8）可行的逆功率保护系统为保证大楼负载较少时，太阳能发电不会回流至主电网，本套光伏并网系统设计了可控制逆变器自动并网运行的自动控制系统。控制分为手动控制与自动控制。自动控制系统采用单片机对并网点侧的变压器二次总输出电流进行闭环监控，根据监控电网各种情况来控制光伏系统各回路的并网运行与停止。自动控制系统具有以下功能。

① 逆功率检测保护控制器功能是用了检测光伏发电系统并网点所连的变压器低压二次侧总出线的总输出功率情况，根据检测到的功率输出情况，给出相应的输出信号控制执行机构动作。

② 逆功率检测保护控制器根据检测到输出功率的大小，控制光伏系统投入或停止并网运行的回路数，当出现倒送电负功率时，光伏发电系统回路全部切断并网运行。

（9）技术先进的防雷措施——提前放电式避雷针

本工程采用了3套SI40（H=5m）提前放电式避雷针，保护整个太阳能发电站不受到雷击。提前放电式避雷针又名“主动式避雷针”，这种避雷针在光伏行业应用较为广泛。它可以在较低的位置保护好更广的范围。在雷电情况下，当雷电下行先导接近地面时，任何导电的表面均会产生一个上行先导，提前放电式避雷针的上行先导的激发时间大大缩短。在雷电放电前的高静态电场特性情况下，提前放电式避雷针在针尖会产生可控幅度和频率的脉冲，这使避雷针产生一个上行先导并向上传播，从而截获雷云里发出的下行先导，提前将雷电流接收引入地下。根据以上参数，选型SI40（H=5m），保护等级为Ⅱ。提前放电式避雷针的优点如下。

① 该避雷针技术先进，在雷电情况下提前截获雷电导入大地，保护功能极强，保护范围大。

② 该避雷针能在较低的位置保护到较广的范围，且避雷针的外径较小，因此避雷针杆本身产生的阴影很小，几乎不影响电站的发电，在光伏行业应用较为广泛。

③ 避雷针利用建筑物原有接地系统进行接地，冲击接地电阻不大于10Ω；避雷针本身全部为不锈钢。

（10）完备监控显示系统监控显示系统能全面监控整个光伏系统运行状态与参数，包括瞬时光伏方阵直流侧的电压、电流、功率，交流侧的电压、电流、频率、即时发电功率、日发电量、累计发电量、节能减排数据、环境参数、逆功率状态等指标。

万科光伏项目的创新与示范技术

（1）光伏清洁对比系统万科中心设计了光伏清洁对比系统，为研究电池组件表面附着灰尘对发电量的影响，设计了两个1800W的光伏系统，共3.6kW。一个安装了自动清洁系统，每天定时自动清洁电池组件表面的灰尘；另一个未安装清洁系统。对比两个系统的日发电量、月发电量和年发电量，从中总结出自动清洁系统对提高光伏系统发电量的数据，为以后的光伏系统应用积累宝贵经验与数据。自动光伏清洁系统通过一整套程序化控制系统，每天定时清洁电池组件上的灰尘，记录发电量，分析自动清洁系统对提高发电量的数据，积累经验。

（2）LED车库太阳能照明系统万科中心设计了地下车库LED太阳能照明系统，一方面使用了绿色环保的太阳能发电，另一方面使用高效节能的LED照明灯具，节约能量。设计这个小型太阳能LED应用的范例，为以后推广太阳能与LED照明系统提供宝贵的数据、经验及示范，同时它也是倡导建筑节能与可再生绿色能源的先行者。

LED地下车库照明系统设计光伏系统功率约为5.76kW，包括太阳电池、控制器逆变器一体机、蓄电池、照明灯具等。系统组成示意如下图所示。