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50kW并网光伏发电系统设计实例(转发2018)

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发表于 2020-10-19 09:06:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

作者:周志敏

摘要 |

本文在简述了并网光伏发电系统的形式及优点的基础上,重点论述了并网光伏发电系统的设计原则和50kW级并网光伏发电系统的设计要点。

关键词:形式 优点 原则 要点

1 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是目前发展最为迅速的太阳能光伏发电应用方式,随着光伏建筑一体化的飞速发展,各种各样的并网光伏发电系统都得到了广泛的应用。并网光伏发电系统包括如下几种形式:

①纯并网光伏发电系统。

②具有UPS功能的并网光伏发电系统。

③并网光伏发电混合系统。

太阳能并网光伏发电系统通过把太阳能转化为电能,不经过蓄电池储能,直接通过并网逆变器,把电能并入电网。太阳能并网光伏发电系统代表了太阳能光伏发电系统的发展方向,是21世纪最具吸引力的能源利用技术。与离网太阳能光伏发电系统相比,并网光伏发电系统具有以下优点:

①利用清洁干净、可再生的太阳能发电,不耗用不可再生资源,使用中无温室气体和污染物排放,与生态环境和谐,符合经济社会可持续发展战略。

②所发电能馈入电网,以电网为储能装置,省掉蓄电池,比离网太阳能光伏发电系统的建设投资可减少35%~45%,从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。

③在设计中使太阳能电池组件与建筑物完美结合,既可发电又能作为建筑材料和装饰材料,使物质资源充分利用发挥多种功能,不但有利于降低建设费用,并且还使建筑物科技含量提高。

④分布式建设,就近就地分散发供电,并入和退出电网灵活,既有利于增强电力系统抵御自然灾害的能力,又有利于改善电力系统的负载平衡,并可降低输电线路损耗。

⑤可起调峰作用。并网光伏发电系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点,是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势,市场巨大,前景广阔。



2 光伏发电系统设计原则

光伏发电系统的设计包括两个方面:容量设计和硬件设计。光伏发电系统容量设计的主要目的就是要计算出光伏发电系统在全年内能够可靠工作所需的太阳能电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调光伏发电系统工作的最大可靠性和成本两者之间的关系,在满足的最大可靠性基础上尽量地减少光伏发电系统的成本。光伏发电系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备:包括太阳能电池组件的选型,支架设计,逆变器的选择,电缆的选择,控制测量系统的设计,防雷设计和配电系统设计等。在进行光伏发电系统设计时需要综合考虑容量设计和硬件设计两个方面。针对不同类型的光伏发电系统,容量设计的内容也不一样。独立光伏发电系统,并网光伏发电系统和混合光伏发电系统的设计方法和考虑重点都会有所不同。

在进行光伏发电系统的设计之前,需要了解并获取一些进行计算和设备选择所必需的基本数据:如光伏发电系统安装的地理位置,包括地点、纬度、经度和海拔;该地区的气象资料,包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量,年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。要求所设计的光伏发电系统具有先进性、完整性、可扩展性、智能化程度高,以保证系统安全性、可靠性和经济性。

①先进性。随着国家对于可再生能源的日益重视,开发利用可再生能源已经是新能源战略的发展趋势。根据当地太阳日照条件、电源设施及用电负载的特性,选择利用太阳能资源建设光伏发电系统,既节能环保,又能避免采用市电铺设电缆的巨大投资(远离市电电源的用电负载),是具有先进性的电源建设方案。

②完整性。太阳能光伏发电系统包括:太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等部件,光伏发电系统可以独立对外界提供电源,也可与其它用电负载和市电电源配套,形成一个完整的离网和并网的光伏发电系统。光伏发电系统应具有完善的控制系统、蓄能系统、功率变换系统、防雷接地系统等构成一个统一的整体,具有完整性。

③可扩展性。随着太阳能光伏发电技术的快速发展,光伏发电系统的功能也会越来越强大。这就要求光伏发电系统能适应系统的扩充和升级,光伏发电系统的太阳能电池组件应为并联模块结构组成,在系统需扩充时可以直接并联加装太阳能电池组件模块,控制器或逆变器也应采用模块化结构,在系统需要升级时,可直接对系统进行模块扩展,而原来的设备器件等都可以保留,以使光伏发电系统具有良好的可扩展性。

④智能化程度。所设计的太阳能光伏发电系统,在使用过程中应不需要任何人工的操作,控制器可以根据太阳能电池组件和蓄电池的容量状况控制负载端的输出,所有功能都由微处理器自动控制,还应能实时检测太阳能光伏发电系统的工作状态,定时或实时采集光伏发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心,通过计算机分析,实时掌握设备工作状况,对于工作状态异常的设备,发出故障报警信息,以使维护人员可提前排除故障,保证供电的可靠性。

光伏发电系统设计必须要求具有高可靠性,保证在较恶劣条件下的正常使用,同时要求系统具有易操作和易维护性,便于用户的操作和日常维护。整套光伏发电系统的设计、制造和施工要具有低的成本,设备的选型要标准化、模块化,以提高备件的通用互换性,要求系统预留扩展接口便于以后规模容量的扩大。

3 50kW并网光伏系统设计要点

50kW并网光伏系统的主要设备有:太阳能电池组件及其支架;汇流箱;光伏并网逆变器;交流防雷配电柜;系统通信及监控装置;系统发电计量装置;系统防雷接地装置;系统的电力电缆连接。为了增加太阳能电池阵列的输出能量,尽可能地避免太阳能电池组件之间互相遮光,以及被屋顶电气设备、通风设备、屋顶边缘及其他障碍物遮挡阳光。充分考虑到了太阳能电池组件的安装有效区域,最大可能的提高太阳能电池阵列的输出效率。由于太阳能发电成本较高,而且主要部件:太阳能电池板的使用寿命在25年以上,要求整个系统具备非常高的可靠性,整套系统全部采用标准化、模块化设计,而且充分考虑当地气候,所有设备要具有耐候性,同时采用全天侯监控系统,发现故障及时报告及时解决。

①太阳能电池组件

作为并网光伏发电系统的核心部件,太阳能电池组件的技术性能和指标对整套系统的长期稳定运行起到至关重要的作用,要求其转换效率要高、使用寿命要长、技术性能稳定;针对技术要求,选用高性能的优质产品SST230-60P太阳能电池组件,同等额定功率下具有比其它厂家产品更大的输出功率,采用高效率的太阳能电池组件大大减少了安装所需的区域面积,也减少了安装和制造的成本。

完善的工艺和高品质的原材料保证了的产品品质,选择性发射极太阳电池等组件主要优势有:选择性发射极电池(SE)特殊的内部结构大大提高规模化生产的电池片的生产效率和转换效率。从目前国际主要生产厂家的16%~16.5的平均效率提高的到17%~17.5%。将为整套太阳能发电系统提供更可靠的稳定运行保证,太阳能电池组件的封装材料和工艺均采用世界领先新材料、新工艺,确保组件具有超长的使用寿命和长期的稳定性能。

太阳能电池组件的型号为SST230-60P(230W),考虑温度变化系数,取太阳能电池组件9块一串进行串联,单列串联功率P=230W×9=2070W;单列串联峰值电压为9×29.4=264.6Vdc。并联9块太阳能电池组成的9块太阳能电池组件路数为24路,太阳能电池组件总容量为2070×24=49680W。逆变器具有MPPT最大功率跟踪,每台逆变器输入阵列功率5520×3=16560W。太阳能电池组件支架为模块化标准设计,材料为铝合金和热镀锌方钢型材,标准件为不锈钢,外形美观、结构牢固、施工方便、经久耐用。

在当地最低气温条件下运行时,太阳能电池组件串的开路电压值VOC应低于逆变器的最高直流输入电压值。在当地最高气温条件下运行时,太阳能电池组件串的最大功率电压值Vpm应高于逆变器MPPT工作范围内的最低直流输入电压值。组件串的总电流不高于逆变器的最大直流输入电流值。输入同一台逆变器的组件串,要通过对太阳能电池组件的参数分选、位置安排,使其电压值之间的差别控制在5%以内。

②逆变器

Danfoss逆变器采用了工业计算机为核心,它的直流输入范围宽,便于太阳能电池组件的连接;并具有三路独立最大功率跟踪的功能,技术参数及性能特点如下:

逆变效率高,最大98%,欧洲效率高达>97%。
具有高达99.9%的输入最大功率跟踪功能。
具有三个独立的MPPT跟踪单元,适应更加复杂的使用环境。
直流输入电压250V~1000V,使配置太阳能电池组件更加简便。
输出电能品质好,满足国家电网电能质量要求。
工作温度范围宽,-25℃~+60℃。
内置电脑控制系统。具有记录运行数据功能,运行控制参数可以设置与调整,应用适应性好。
安全等级、防护等级高IP54。
安装简便,悬挂式安装;安装环境,户内户外均可。
运行操作简单,基本实现无人值守的全自动运行。
通过使用具有沟槽栅结构的IGBT(绝缘栅双极型晶体管),以及通过使用铁粉扼流圈和损耗低于1%的高质量变压器,逆变器的效率可达98%,在同等功率太阳能组件的前提下,使太阳能发电的功率得到有效提升。交流谐波小于2%,输入电网电流更干净,对电网影响更小,有效的维护了外部电网的稳定。系统电气连接图如图1所示。



50kW并网光伏系统主要参数见表1。



从太阳能电池组件到接线箱、接线箱到逆变器以及从逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能保持在最短距离:减小线路的压降损失,提高系统的输出能量;减小电缆尺寸以降低成本,同时减轻屋顶负荷并增加其灵活性;由于连接电缆的长度较长,应尽可能按最短距离布置电缆;通常,在进行太阳能光伏电站设计时,需要将直流部分的线路损耗控制在3~4%以内。

③直流防雷配电柜

太阳电池阵列通过太阳能电池阵列防雷汇流箱在室外进行汇流后,通过电缆接至配电房的直流防雷配电柜再进行一次总汇流,每16560W并网单元配置8台太阳能电池阵列防雷汇流箱。每台直流防雷配电柜按照3个16560W直流配电单元进行设计,每个直流配电单元接入8台太阳能电池阵列防雷汇流箱,汇流后接至SG100K3逆变器。直流防雷配电柜的电气原理接线图如图2所示。直流防雷配电柜的每个配电单元都具有可分断的直流断路器、防反二极管和防雷器。



④交流防雷配电柜设计

按照1台50kW的光伏并网单元设计交流配电、逆变器的交流防雷配电及计量装置以及并网回路,每台逆变器的交流输出接入交流配电柜,经交流断路器并入三相交流低压电网发电,并配有发电计量表。交流配电柜装有交流电网电压表和输出电流表,可以直观地显示电网侧电压及放电电流,并在与电网连接的三相交流电源输出侧配有总防雷器。

光伏并网逆变器接入的电网为380VAC/50Hz三相交流低压电网,使用独立的N线和接地线,该逆变器适应于2的电网参数。



⑤监控系统

在系统数据通信系统中,使用了Danfoss的ComLynxDatalogger控制器进行系统监测和数据传输,可以同时连接20台并网逆变器。通过RS485通信电缆将3台逆变器连接后再与DataLogger控制器相连即可。监控系统能够通过监控装置采集逆变器和太阳能电池方阵等设备运行时相关的实时数据,并对系统运行状态进行详细记录。监控装置具有自诊断功能,能够接收控制中心的指令,并对逆变器和配电柜发送相应数据执行操作。

监控装置能够依据并网光伏发电系统所处位置的通信条件,将采集数据或状态信息通过MODBUS协议的RS485接口把信息传递给远程控制中心。

监控系统的工作站配有实时数据分析软件与故障分析软件,实时数据分析软件可显示电站中逆变器和电池方阵的相关参数,同时显示系统的运行曲线。故障分析软件可判断出系统中逆变器或太阳能电池方阵运行时出现的故障情况及位置,同时发出相应的声光报警。监控装置能够采集的量和执行的操作:

数据采集量包括:逆变器输出的电压、电流、频率、总功率值和三相电压的不平衡度。逆变器的各种故障信息、工作状态;太阳能电池方阵的输出电压、电流。
执行的控制操作:按指定地址切断逆变器的输出;太阳能电池方阵的电压输出。
信息数据的存储:能够将装置的采集数据和逆变器的故障信息进行存储;可人工进行查阅,并以数据报表的形式打印出来。
DataLogger具有模拟和数字输入通道,可以连接太阳辐射强度,太阳能电池组件温度,环境温度等多个外部传感器,同时还有可以接入功率计的数字接口

本文来自于 电气工程师合作组织 微信公众号 - 三言两语   https://www.sohu.com/a/245661505_100098465
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