家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)(課程設(shè)計(jì))

《家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì) 前，我國(guó)光伏發(fā)電的應(yīng)用市場(chǎng)處于起步階段。從當(dāng)前光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，現(xiàn)主要廣泛應(yīng)1.通信領(lǐng)域的應(yīng)用。主要包括無(wú)人值守微波中繼站，光纜通信系統(tǒng)及維護(hù)站，移動(dòng)通信基站，廣播、通信、無(wú)線尋呼電源系統(tǒng)，衛(wèi)星通信和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)，農(nóng)村程控電話、載2.公路、鐵路、航運(yùn)等交通領(lǐng)域的應(yīng)用。如鐵路和公路信號(hào)系統(tǒng)，鐵路信號(hào)燈，交通警3.石油、海洋、氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。如石油管道陰極保護(hù)和水庫(kù)閘門(mén)陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源4.農(nóng)村和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)應(yīng)用。在高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等農(nóng)村和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能光伏戶用系統(tǒng)、小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等解決日常生活用電問(wèn)題，如照明、電視、醫(yī)院、飯館、旅社、商店等的供電系統(tǒng)。應(yīng)用太陽(yáng)能光伏水泵，解決了無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、農(nóng)田灌溉等用電問(wèn)題。另外還有太陽(yáng)能噴霧器、太陽(yáng)能電圍欄、太陽(yáng)能黑光滅蟲(chóng)燈等應(yīng)5.太陽(yáng)能光伏照明方面的應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏照明包括太陽(yáng)能路燈、庭院燈、草坪燈，太庭建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的投資在短期內(nèi)得到回收。但相對(duì)于歐洲尤其是德國(guó)，我國(guó)的分布在政府大力鼓勵(lì)發(fā)展分布式光伏發(fā)電的政策推動(dòng)下，生態(tài)農(nóng)業(yè)與光伏的結(jié)合正在建成一些成功的項(xiàng)目。如：上海市首家現(xiàn)代化養(yǎng)殖場(chǎng)光伏屋頂發(fā)電站在東鄉(xiāng)縣江西東華種畜禽有限所謂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，也有分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。常見(jiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有下列幾種形式。有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.1所示。當(dāng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時(shí)，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電當(dāng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時(shí)向電網(wǎng)供電時(shí)與電網(wǎng)供電的方向相反，所以稱為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)。交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器交流負(fù)載太陽(yáng)能電池方陣表出表入無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.2所示。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)即使發(fā)電充裕也不向公；電網(wǎng)供電，但交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器交流負(fù)載太陽(yáng)能電池方陣表入切換的功能。一是當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云、陰雨天及電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電；二是當(dāng)電網(wǎng)因?yàn)槟撤N原因，然停電時(shí)，光伏系統(tǒng)可以自動(dòng)切換使與電網(wǎng)分離，成為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)。有些切換型光伏發(fā)電系統(tǒng)，還可以在需要時(shí)斷開(kāi)為一般負(fù)載的交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器太陽(yáng)能電池方陣蓄電池組應(yīng)急負(fù)載交流負(fù)載表入2.2家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量分析地面并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量一般由光伏電站可建設(shè)面積來(lái)決定。從光伏電站的轉(zhuǎn)換效率、組件方陣最光伏方陣年發(fā)電量計(jì)算公式為：電池組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)式中光伏方陣面積不僅僅是指占地面積，也包括光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)占用的屋頂、外墻立面修正系數(shù)K=K1K2K3K4K5其中K1為太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期運(yùn)行性能衰降修正系數(shù)，一般取0.8:K2為灰塵遮擋玻璃及溫度升高造成可根據(jù)逆變器生產(chǎn)商提供的技術(shù)參數(shù)確定；K5為光伏方陣朝向及傾斜角修正系數(shù)。表2-1太陽(yáng)能電池組件朝向與傾斜角的修正系數(shù)光伏組件朝向光伏組件朝向太陽(yáng)能電池組件方陣與地面的傾斜角東南西同一系統(tǒng)有不同方向和傾斜角的光伏方陣時(shí)，要根據(jù)各自條件分別計(jì)算發(fā)電量。對(duì)于并網(wǎng)光伏電站容量是指系統(tǒng)中組件功率總和。在給定區(qū)域內(nèi)，并網(wǎng)光伏電站的容量主要由電池組件有效面積決定，電池組件有效面積是指電池組件面的面積總和。①電池組件實(shí)際占地面積估算電池組件有效面積與當(dāng)?shù)鼐S度、組件間距、站址面積等參數(shù)相關(guān)。從上圖中可知，組件傾斜角ω為41o,每行組件長(zhǎng)度L為1590*2mm，其在地面的有效長(zhǎng)度為電站面積中，約占44.4%，即光伏電站站區(qū)面積的44.4%為電池組件的有效面積。在光伏電站站區(qū)中，除了組件及組件間距面積還包含站區(qū)通道、配電房等占地面積。所以光伏電站中電池組件的有效面積約占站區(qū)面積的0.35%左右，其值受緯度、傾斜角、組件方陣的跟蹤方式而影響。②電站容量估算從上分析來(lái)看，在給定站區(qū)面積情況下，并網(wǎng)光伏電站的裝機(jī)容量可用下述表達(dá)式估算。S另外上述公式也可以從電池轉(zhuǎn)換效率角度對(duì)光伏電站容量進(jìn)行估算：上式β為電池組件轉(zhuǎn)換效率。在上述案例中，電池組件功率250W，面積1.63m2，即表示該電池轉(zhuǎn)換效率為15.33%。帶入公式后，配電側(cè)并網(wǎng)電網(wǎng)公司對(duì)其不作為發(fā)電站來(lái)管理，不監(jiān)測(cè)，不控制，但需要從總量上加以限制。在日本，屋頂分布式光伏電站容量基本按不超過(guò)配電容量的20%；美國(guó)，一般不超過(guò)配電容量的15%；中國(guó)還沒(méi)有文件明確規(guī)定比例要求，基本掌握不超過(guò)30%。上述15%、20%或30%是按照負(fù)荷來(lái)計(jì)算的，主要是為了發(fā)出來(lái)的電要基本在配電側(cè)全部用掉，而盡可能少發(fā)生逆流（用不掉而向高壓側(cè)反送電）?；究扇孔园l(fā)自用。能轉(zhuǎn)換裝置將光伏陣列所輸出的直流電變換成交流電送入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核也是隔離型并網(wǎng)逆變器中根據(jù)工作頻率可分為工頻和高頻兩類，工頻隔離逆變器是將太陽(yáng)能的交流電能，之后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行調(diào)壓和隔離，再經(jīng)過(guò)AC/D非隔離型并網(wǎng)逆變器按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單級(jí)和多級(jí)兩類源電流型。從輸入看，逆變器分為電壓型和電流型，電壓源型逆變器是以電壓源輸入，在直流輸入側(cè)并聯(lián)大電容，用電容作無(wú)功功率緩沖環(huán)節(jié)，使逆變器呈現(xiàn)低阻抗的電壓源恃性。而一個(gè)受控電壓源，其內(nèi)阻很?。浑娏餍涂刂频脑硎菍⑤敵鲭姼须姴⒕W(wǎng)逆變器是連接太陽(yáng)能電池板和電網(wǎng)的樞紐，一般具有以下功能：工作，此時(shí)的并網(wǎng)系統(tǒng)與周圍的負(fù)載形成了一個(gè)自給供電的孤島，分布式系統(tǒng)仍然對(duì)失壓的部分線路供電，電力公司無(wú)法掌握電力情況，這就是孤島運(yùn)行，會(huì)給設(shè)備及維修人員帶來(lái)安光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出是采用電流控制方式時(shí)，電網(wǎng)就等效為一個(gè)恒壓源，這時(shí)的系網(wǎng)電壓同頻同相，也將常規(guī)逆變器的波形控制技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制、多環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。雙環(huán)控制是逆變器控制中使用比較廣泛的控制策略，它包括并網(wǎng)逆變器的直流電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。并網(wǎng)逆變器中的外環(huán)控制是電壓控制，電壓外環(huán)是能量控制環(huán)節(jié)，而在上一章的太陽(yáng)能電池組件或方陣的設(shè)計(jì)計(jì)算中，雖然根據(jù)用電量或計(jì)劃發(fā)電量計(jì)算出了電池組件或整個(gè)方陣的總的容量和功率，確定了電池組件的串并聯(lián)數(shù)量，但是還需要根據(jù)太陽(yáng)能電池的具體安裝位置來(lái)確定電池組件的形狀及外型尺寸，以及整個(gè)方陣的整體排列等。有些異型和特殊尺寸的電池組件還需要例如從尺寸和形狀上講，同一功率的電池組件可以做成長(zhǎng)方形，也可以做成正方形或圓形、梯形等其這就需要我們來(lái)選擇和確定。電池組件的外形和尺寸確定后，才能進(jìn)行組件的組合、固定和支架、基礎(chǔ)等內(nèi)容的設(shè)計(jì)。附錄2提供了太陽(yáng)能光伏發(fā)電常用晶體硅電池組件規(guī)格尺寸和技術(shù)爹數(shù)等可供選型時(shí)參考。直流接線箱也叫直流配電箱，小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不用直流接線箱，電池組件的輸出線就直組件方陣的多路輸出電纜集中輸入、分組連接，不僅使連線井然有序，而且便于分組檢查、維護(hù)，當(dāng)太陽(yáng)能電池方陣局部發(fā)生故障時(shí)，可以局部分離檢修，不影響整體發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)工作。單路直流接線箱內(nèi)部基本電路，圖4.1所示的是多路直流接線箱的內(nèi)部基本電路，它們由分路開(kāi)關(guān)、主開(kāi)關(guān)、避雷防雷器件、接線端子等構(gòu)成，有些直流接線箱還把防反充二極管也放在其中。SV避雷器浪涌電壓抑制器圖4.1單路輸入直流接線箱內(nèi)部電路圖直流接線箱一般由逆變器生產(chǎn)廠家或?qū)I(yè)廠家生產(chǎn)并提供成型產(chǎn)品。選用時(shí)主要考慮根據(jù)光伏方陣的輸出路數(shù)、最大工作電流和最大輸出功率等就要根據(jù)實(shí)際需要自己設(shè)計(jì)制作了。光伏逆變器選型時(shí)一般是根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定的直流電壓來(lái)選擇逆變器的直流輸入電壓，根據(jù)負(fù)載的類型確定逆變器的功率和相數(shù)，根據(jù)負(fù)載的沖擊性決定逆變器的功率余量。逆變器的持續(xù)功率應(yīng)該大于使用負(fù)載的功率，負(fù)載的啟動(dòng)功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時(shí)還要考慮為光伏發(fā)電系統(tǒng)將來(lái)的擴(kuò)容留有一定的余量。在離網(wǎng)（獨(dú)立）光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求而定。負(fù)載電壓要求越高系統(tǒng)電壓也應(yīng)盡量高，當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有12V直流負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)電壓最好選擇24V、48V或以上，這樣可以使系統(tǒng)直流電路部分的電流變小。系統(tǒng)電壓越高，系統(tǒng)電流就越小，從而可以使系統(tǒng)損耗變小。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸入電壓是每塊（每串）太陽(yáng)能電池組件峰值輸出電壓或開(kāi)路電壓），因此并網(wǎng)型逆變器的輸入直流電壓有一定的輸入范圍。表4.1為合肥陽(yáng)光電源公司主產(chǎn)的SG5K逆變器產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)與規(guī)格尺寸。表4.1合肥陽(yáng)光電源離網(wǎng)（獨(dú)立）型逆變器技術(shù)參數(shù)表技術(shù)參數(shù)：直流側(cè)參數(shù)最大直流電壓?jiǎn)?dòng)電壓最低電壓最大直流功率最大輸入電流推薦光伏陣列開(kāi)路電壓最大功率跟蹤器路數(shù)/每路跟蹤器可接入組串?dāng)?shù)交流側(cè)參數(shù)額定輸出功率最大交流輸出電流額定電網(wǎng)電壓允許電網(wǎng)電壓額定電網(wǎng)頻率允許電網(wǎng)頻率總電流波形畸變率功率因素最大效率歐洲效率夜間自耗電允許環(huán)境溫度冷卻方式允許相對(duì)濕度顯示與通訊標(biāo)準(zhǔn)通訊方式可選通訊方式機(jī)械參數(shù)300V~650V230Vac47~51.5Hz/57~61.5Hz94.5%（含變壓器）93.6%（含變壓器）-25~+60℃0~95%，無(wú)冷凝RS485410x580x283mm在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中低壓直流輸送部分使用的電纜，因?yàn)槭褂铆h(huán)境和技術(shù)要求的不同，對(duì)不同部件的連接有不同的要求，總體要考慮的因素有：電纜的絕緣性能、耐熱阻燃性能、電纜的防潮，防光、電纜的敷設(shè)方式、電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）、電纜的大小規(guī)格等。光伏系統(tǒng)中不同的部件之間的連接，因?yàn)榄h(huán)境和要求的不同，選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術(shù)要求：酸、鹽的侵蝕能力，優(yōu)越的全天候能力和耐磨損能力。(2)蓄電池與逆變器之間的連接電纜，要求使用通過(guò)UL測(cè)試的多股軟線，盡量就近連接。選擇短而粗的電纜可使系統(tǒng)減小損耗，提高效率，增強(qiáng)可靠性。(3)電池方陣與控制器或直流接線箱之間的連接電纜，也要求使用通過(guò)UL測(cè)試的多股軟線，截面積規(guī)格根據(jù)方陣輸出最大電流而定。圖8-6組件延長(zhǎng)電纜使用示例示意圖蓄電池到室內(nèi)設(shè)備的短距離直流連接，選取電纜的額定電流為計(jì)算電纜連續(xù)電流的1.25倍；交流負(fù)載的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍；逆變器的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍；方陣內(nèi)部和方陣之間的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍；考慮溫度對(duì)電適當(dāng)?shù)碾娎|尺徑選取基于兩個(gè)因素，電流強(qiáng)度與電路電壓損失。完整的計(jì)算公式為：交流母線交流母線交流母線交流母線交流母線交流母線線損=電流×電路總線長(zhǎng)×線纜電壓因子式中線纜電壓因子可由電纜制造商處獲得。太陽(yáng)能光伏發(fā)電中的監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)是各相關(guān)企業(yè)針對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，一般可配合逆變器系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄和控制，系統(tǒng)故障記錄與報(bào)警以及各種參數(shù)的設(shè)置，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行界面一般可以顯示：當(dāng)前發(fā)電功率、日發(fā)電量累計(jì)、月發(fā)電量累計(jì)、年發(fā)電量累計(jì)、總發(fā)電量累計(jì)、累計(jì)減少C02排放量等相關(guān)參數(shù)，如圖8-8所示。逆變器各種運(yùn)行數(shù)據(jù)提供RS485接口與監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)主機(jī)連接。監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)一般用在中大型光伏發(fā)