光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1、編輯課件1太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司 王金元 編輯課件2序： 節(jié)能減排、綠色環(huán)保是一項(xiàng)基本國策，大力推進(jìn)節(jié)能減排和深度開發(fā)綠色能源是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保證。太陽能作為一次能源，也是可再生能源，它資源豐富，即可免費(fèi)使用，又無環(huán)境污染，它的研究與應(yīng)用得到國家的高度重視，出臺(tái)了一系列優(yōu)惠政策和法規(guī)，推廣太陽能的應(yīng)用。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況發(fā)展起來的。近年來，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中應(yīng)用逐漸增多，發(fā)展較快。本文就我院在科技情報(bào)信息服務(wù)中心工程中設(shè)計(jì)的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作以介紹，與同行進(jìn)行技術(shù)交流，為綠色能源的應(yīng)用助力。編輯課件31 項(xiàng)目

2、概況 該工程位于沈陽市渾南新區(qū)，建筑面積31000m2,建筑高度55.2m，地下室面積4767 m2,為汽車庫和設(shè)備用房。建設(shè)方擬建兩星級綠能建筑，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是必上內(nèi)容。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所帶負(fù)荷為地下室普通照明，照明負(fù)荷容量31kW, 太陽能光伏電池方陣安裝于不同高度的三塊屋面上。采用分布式并網(wǎng)發(fā)電不可逆系統(tǒng)，并網(wǎng)接入點(diǎn)在地下室照明的四個(gè)配電箱處，并網(wǎng)逆變器為三相輸出，接地形式為TN-S系統(tǒng)，照明電壓220V，光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)不設(shè)蓄電池組，太陽能供電時(shí)間平均按10h計(jì)。編輯課件42 太陽能光伏電池方陣的計(jì)算 太陽能光伏電池方陣的計(jì)算內(nèi)容包括：2.1 計(jì)算太陽能電池方陣輸出功率W

3、p；2.2 選擇太陽能電池組件型號(hào)及規(guī)格；2.3 計(jì)算電池組件數(shù)量；2.4 計(jì)算方陣安裝所需占地面積；2.5 計(jì)算電池組件串聯(lián)數(shù)量；2.6 計(jì)算電池組件并聯(lián)數(shù)量；2.7 確定方陣的方位角與傾斜角。編輯課件52.1 計(jì)算太陽能電池方陣輸出功率Wp；2.1.1 計(jì)算照明負(fù)荷消耗容量P。 如前述，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電時(shí)間平均按10h計(jì)， 則：P = Wh/V = 3100010/220 =1409(Ah)2.1.2 選定每天日照時(shí)數(shù)t（h）。 根據(jù)沈陽地區(qū)冬季與夏季平均日照時(shí)間t=10h。2.1.3 計(jì)算太陽能電池方陣工作電流。 IP = P(1+Q)/t = 1409(1+0.21)/10 =

4、170.5(A)式中：Q-為陰雨期富裕系數(shù)Q=0.211.000，取0.21。 編輯課件6 Q的取值大小直接影響方陣工作電流的大小，Q值越大，需要的光伏電池越多，投資也越大。對于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，陰雨天方陣輸出電流很小，不足以滿足負(fù)荷要求時(shí)則有市電補(bǔ)充負(fù)荷所需電能，故Q值可選下限值。2.1.4 確定電池方陣輸出工作電壓Vmp 確定光伏電池方陣輸出工作電壓Vmp，主要依據(jù)下列兩方面因素： 1）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷額定電壓； 地下室照明額定電壓交流220V，其最大值為2220V=311V。所以，施加在三相四線制并網(wǎng)逆變器三相橋上的直流電壓應(yīng)不小于311V。編輯課件7 2）光伏電池組件工作電壓Vmp

5、的溫度系數(shù)。 由于太陽能光伏電池組件的最大峰值功率峰瓦值WP ,是設(shè)定在太陽能電池板的表面溫度為25，太陽能輻射強(qiáng)度為1000W/m2,光分布AM1.5的模擬光源條件下測試獲得的（歐洲委員會(huì)101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)）。所以，環(huán)境溫度的變化對光伏電池組件的最大峰值電壓是由影響的。太陽能光伏電池的溫度特性如圖1所示：編輯課件8編輯課件9編輯課件10 根據(jù)圖1可知：當(dāng)太陽能電池板的表面溫度大于25時(shí)，將使光伏電池組件的開路電壓Vmp值下降，短路電流Isc則稍有增加。當(dāng)溫度小于25時(shí)，開路電壓Voc值上升，短路電流Isc則稍有減少。 對于單晶硅和多晶硅太陽能光伏電池，其工作電壓（VmP）的溫度系數(shù)為-0.0045

6、，工程中應(yīng)計(jì)入溫度系數(shù)對方陣工作電壓的影響。沈陽地區(qū)夏季環(huán)境最高溫度為+33，光伏電池組件表面溫度高于環(huán)境最高溫度取+40，折合+40時(shí)的系數(shù)為0.0675，此時(shí)光伏電池方陣的工作電壓（VmP）降低21V。 則：光伏電池方陣輸出工作電壓 VmP =311+21=332V編輯課件112.1.5計(jì)算太陽能電池方陣輸出功率Wp。 WP = IPVP = 170.5332 =56600(W)2.2 選擇太陽能電池組件型號(hào)及規(guī)格； 選擇多晶硅太陽能電池組件，YL185-(23)P型技術(shù)參數(shù)如下： 最大峰值功率： 185 Wp ; 最大峰值功率電壓： 23.5 V ; 最大峰值功率電流： 7.87 A ;

7、 開路電壓： 29.5 V ； 短路電流： 8.45 A 組件尺寸：WLH 990131050編輯課件122.3電池組件數(shù)量=電池方陣輸出功率 電池組件最 大峰值功率 = 56600185 = 306塊2.4需要占地面積= 306(0.991.31) = 397 m22.5電池組件串聯(lián)數(shù)量= 太陽能電池方陣工作電壓(VP)光伏電池組件最大峰值功率電壓(Vm) = 33223.5=14.13 圓整為 14塊串聯(lián)。 2.6 電池組件并聯(lián)數(shù)量 = 太陽能電池方陣工作電流（IP）光伏電池組件最大峰值功率電流（Im） = 170.57.87 = 21.6 圓整為 21串并聯(lián), 總裝機(jī)容量為54.4kWP

8、峰瓦。編輯課件132.7確定方陣的方位角與傾斜角 正確選擇太陽能電池方陣的方位角和傾斜角是獲得最大輸出功率的重要措施之一。只有方陣安裝合理才能獲得最大的輸出功率。 1）方位角 太陽能電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角，一般在北半球方陣朝向正南，即方陣的垂直面與正南方向的夾角0o。2）傾斜角 太陽能電池方陣通常是面向赤道放置，相對于地平面有一定的傾角。即太陽能電池方陣平面與水平地面的夾角。沈陽地區(qū)的最佳安裝傾斜角=+1，當(dāng)?shù)氐木暥?，沈陽地區(qū)緯度為41.77o，則=42.77o。編輯課件143 并網(wǎng)逆變器的選擇 工程要求：根據(jù)建筑物屋頂造型，電池板安裝于三塊高度不同屋面上，太陽能光伏并

9、網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用分布式并網(wǎng)方式，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置3臺(tái)并網(wǎng)逆變器，其輸出并接，設(shè)1臺(tái)60kVA隔離變壓器，其二次側(cè)為三相四線制，通過并網(wǎng)控制器與地下室照明市電回路并網(wǎng)。 并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它將光伏電池方陣輸出的直流電變換成交流電，并與市電電源并網(wǎng)為地下室照明供電。除此之外還應(yīng)具備下列功能：編輯課件151）最大功率跟蹤控制功能； 具有跟隨太陽能電池方陣表面溫度變化和太陽輻照強(qiáng)度變化而引起的輸出電壓與電流變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制，使太陽能方陣保持在最大輸出狀態(tài)，以獲得最大輸出功率。2）防孤島效應(yīng)功能； 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與市電電源并網(wǎng)運(yùn)行，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供部分能量給負(fù)載使用。所謂“孤島效

10、應(yīng)”是指在電網(wǎng)故障或中斷的情況下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)獨(dú)立供電給負(fù)載，這種現(xiàn)象會(huì)造成下列危害：編輯課件16（1）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或中斷后，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)獨(dú)立供電給負(fù)載，將使得維修人員在進(jìn)行修復(fù)時(shí)，安全受到威脅。（2）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或中斷時(shí)，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)失去電網(wǎng)作為參考信號(hào)，造成系統(tǒng)的輸出電流、電壓及頻率，出現(xiàn)漂移而偏離電網(wǎng)頻率，產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，且可能含有較大的電壓與電流諧波成分。若未及時(shí)將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)切離負(fù)載，將會(huì)使得某些對頻率敏感的負(fù)載損壞。（3）當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)瞬間，由于電壓相位不同，可能發(fā)生較大的沖擊電流，造成相關(guān)設(shè)備損壞。且當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，可能會(huì)發(fā)生同步的問題

11、。編輯課件17 因此，將孤島運(yùn)行所造成的危害稱作“孤島效應(yīng)”。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生孤島運(yùn)行時(shí)，應(yīng)解除并網(wǎng)。 3）自動(dòng)運(yùn)行和停止功能； 自動(dòng)根據(jù)日出到日落的日照條件，盡量使太陽能方陣輸出最大功率，在此范圍內(nèi)逆變器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)市電或逆變器發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)安全解除并網(wǎng)，控制逆變器停止運(yùn)行。 4）直流接地檢測功能； 在逆變器輸入端設(shè)置直流接地檢測，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生接地故障及時(shí)報(bào)警。編輯課件185）并網(wǎng)逆變器應(yīng)設(shè)置并網(wǎng)保護(hù)裝置； 該裝置實(shí)時(shí)對市電電源的電壓、相位、頻率等進(jìn)行采樣比較，始終保證逆變器輸出與市電電源的同步，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能質(zhì)量。6）保護(hù)功能； 應(yīng)具有過壓、失壓、頻率檢測和保護(hù)功能，過負(fù)荷

12、、短路自動(dòng)隔離電網(wǎng)，逆向功率自動(dòng)檢測與保護(hù)功能。7）通信功能； 逆變器應(yīng)具有RS485與RS232通信接口，通過數(shù)據(jù)電纜可與PC機(jī)進(jìn)行通信，測量的系統(tǒng)參數(shù)可在PC機(jī)上顯示。編輯課件19 據(jù)此，選用3臺(tái)GT20000W正弦波并網(wǎng)逆變器，每臺(tái)輸入電池方陣為14串7并。 選擇的并網(wǎng)逆變器的技術(shù)參數(shù)如下： 1）型 號(hào)： GT20000W 2） 最大輸入電壓： 600VDC 3）最大輸入電流： 60ADC 4）輸入電壓范圍： 195-600VDC 5）直流輸入端口： 2個(gè) 6）交流輸出電壓： 230V 7）交流電壓頻率： 50HZ編輯課件204 電池方陣最大輸出電壓（Vmp）、開路電壓（Voc）與逆變器

13、輸入電壓范圍的配合 由選擇的并網(wǎng)逆變器參數(shù)可知，輸入電壓范圍為195-600VDC，電池方陣最大輸出電壓（Vmp）、開路電壓（Voc）應(yīng)在此范圍之內(nèi)。 1）工程上通常推薦Vmp的下限值為逆變器輸入電壓范圍下限值195V的115%225V; Vmp的上限值為逆變器輸入電壓范圍上限值600V的70%420V。推薦方陣Voc的下限值為逆變器輸入電壓范圍下限值195V的150%300V; Vmp的上限值為逆變器輸入電壓范圍上限值600V的90%540V。編輯課件212）計(jì)算滿足逆變器輸入電壓范圍的光伏電池組件串聯(lián)數(shù)串聯(lián)數(shù)的最小值： N1=V1Vmp 式中：V1 為推薦Vmp范圍的下限值。 則：N1=V

14、1Vmp =22523.5=9.6 圓整為 10串。注：確定下限值時(shí)向上圓整。 串聯(lián)數(shù)的最大值：N2=V2Voc 式中：V2為推薦 Voc范圍的上限值。 則：N2=V2Voc = 54029.5=18.3圓整為 18串。編輯課件22在本工程中方陣的最大輸出電壓 : Vmp=23,514=329 V; 開路電壓Voc=29.514=413 V ; 光伏電池組件串聯(lián)數(shù)為14串，均在表4-1所合理范圍之內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。編輯課件235 并網(wǎng)控制柜 本工程選用一臺(tái)并網(wǎng)控制柜，該柜與三臺(tái)逆變器柜并列安裝于屋頂層配電室內(nèi)，其功能如下： 1）逆變器交流輸出設(shè)短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)； 2）并網(wǎng)接觸器，具有自動(dòng)并

15、網(wǎng)和離網(wǎng)功能； 3）交流電壓、電流及單臺(tái)逆變器輸出功率； 4）共設(shè)四路并網(wǎng)輸出；另設(shè)兩臺(tái)備用并網(wǎng)開關(guān)。編輯課件246逆功率保護(hù)裝置 逆功率保護(hù)裝置是由逆功率檢測器和防逆流控制器組成。為了確保光伏系統(tǒng)所發(fā)的電能全部被地下室照明消耗，而不是饋送至市電網(wǎng)絡(luò)，防逆流控制器會(huì)隨時(shí)監(jiān)控變電所至地下室照明低壓配電回路的電壓、電流，一旦發(fā)現(xiàn)向電網(wǎng)饋送電能，會(huì)立即控制逆變器降低輸出電流，減少光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。當(dāng)出現(xiàn)通信故障或其他系統(tǒng)故障時(shí)，防逆流控制器會(huì)斷開并網(wǎng)接觸器，停止向電網(wǎng)供電。編輯課件25 對于防逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，逆功率檢測器安裝于并網(wǎng)點(diǎn)上一級配電回路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有逆流時(shí)，逆功率檢測裝置與防逆流控制器通信，控制

16、逆變器發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)最大利用并網(wǎng)發(fā)電而不出現(xiàn)逆流。 在本工程中，逆功率保護(hù)裝置是由4臺(tái)逆功率檢測器和1臺(tái)防逆流控制器組成。7 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng) 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)是由系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)(PC機(jī))、數(shù)據(jù)采集器及鏈路等組成，該系統(tǒng)集光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控功能于一體，實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測與控制。其主要功能如下：編輯課件26 1）顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體信息包括：日期、以發(fā)電總量、當(dāng)日發(fā)電總量、當(dāng)前發(fā)電量；環(huán)境溫度、組件表面溫度、太陽光輻照量、市電網(wǎng)電壓、電流、頻率。 2）顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的在線信息包括：逆變器的型號(hào)、編號(hào)；逆變器輸入直流電壓、電流及輸入功率；逆變器輸出交流電壓、電流及輸出功率；并網(wǎng)逆

17、變器的工作狀態(tài)；并網(wǎng)逆變器當(dāng)天已工作時(shí)間。 3）打印報(bào)表：每臺(tái)逆變器日發(fā)電量報(bào)表，光伏發(fā)電系統(tǒng)日總發(fā)電量報(bào)表。 4）查詢：每天發(fā)電量查詢，每臺(tái)逆變器開啟時(shí)間，逆變器工作狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)記錄、故障信息等。編輯課件278光伏電纜的選擇 光伏電纜通常采用低煙無鹵輻照交聯(lián)專用電纜。對其性能要求主要有下列幾方面。1）耐高溫和耐低溫、抗紫外線、抗臭氧、耐潮濕；2）耐壓等級應(yīng)高于光伏方陣最大輸出電壓的1.25倍；3）載流量應(yīng)大于光伏方陣最大輸出電流的1.25倍，且線路損耗小于2%。 據(jù)此，本工程選用了PV1-F型低煙無鹵輻照交聯(lián)光伏專用電纜，這種電纜是根據(jù)光伏電池組件所處的特殊環(huán)境設(shè)計(jì)的，主要用于光伏組件之間

18、和匯流箱輸入、輸出直流電壓的傳輸。最高電壓1.8kVDC，（135、-40），光伏電池串連接電纜PV1-F-22.5mm2,光伏匯流箱出線225 mm2。編輯課件289 直流匯流箱 直流匯流箱是將N路光伏電池串匯接在一起合成一路輸出的設(shè)備。它由直流斷路器、正負(fù)直流匯流排、與回路數(shù)對應(yīng)的正負(fù)極熔斷器和電涌保護(hù)器組成。 匯流箱分為4路、8路、12路、16路標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，每路電流最大可達(dá)10A。由于匯流箱通常安裝于屋頂，其外殼的防護(hù)等級不應(yīng)低于IP45。 本工程中每臺(tái)逆變器輸入端需接7路光伏組件串，故選用8路直流匯流箱。編輯課件2910 防雷 由于太陽能光伏電池方陣輸出為直流，通常采用專用型電涌保護(hù)器，因此在選擇電涌保護(hù)器時(shí)應(yīng)注意下列問題： 1）不宜選用放電間隙。如果選用可能會(huì)導(dǎo)致雷電流過后，放電間隙因直流續(xù)流不能關(guān)斷（除有特殊技術(shù)保證者外）。 2）在選擇太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)專用電涌保護(hù)器時(shí)，應(yīng)特別注意其導(dǎo)通時(shí)的保護(hù)電壓UP不應(yīng)大于1.2kA,否則是保護(hù)不了光伏發(fā)電系統(tǒng)的。有不少專用電涌保護(hù)器的UP值為2.5kA,而控制器和逆變器的單板機(jī)要求不大于1.5kV。編輯課件30 3）可采用殘壓值不大于1.2kA的復(fù)合電涌保護(hù)器或多級電涌保護(hù)器串聯(lián)的防雷箱（如天津中立防雷公司的防雷箱），末級嵌壓800V。 4）太陽