项目四：大型并网光伏发电系统设计课件

,2017年“一流应用技术大学”建设项目国际化专业教学资源,天津中德应用技术大学2017年“一流应用技术大学”建设项目成果,项目四：大型并网光伏发电系统设计,目录,任务提出,任务解析,并网光伏发电系统,并网逆变器,1,2,3,4,防雷与接地设计,5,7,6,8,并网接入设计,任务实施,应用案例,1,任务提出,到,21,世纪末，可再生能源在能源结构中将占到,80%,以上，太阳能发电将占到,60%,以上光伏产业在能源领域具有至关重要的地位，而并网发电是光伏发电的最主要形式，代表了太阳能发电的发展方向。,本项目要求为天津某商业中心屋顶设计并网光伏发电系统，实现楼顶光伏电站并网发电，如图,4- 1,所示。,图,4- 1,并网光伏电站效果图,2,任务解析,并网光伏发电系统以电网储存电能，一般没有蓄电池容量的限制，即使是有备用蓄电池组，也是为防灾等特殊情况而配备的。并网光伏发电系统的设计也就没有独立光伏发电系统那样严格，重点考虑的应该是太阳能光伏阵列在有效的占用面积里，实现全年发电量的最大化。,光伏并网发电系统由光伏阵列、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜和监控等部分组成。系统设计时需要结合并网逆变器的规格型号，最大化地考虑装机容量，并依此确定太阳电池组件的串并联方案和所需线缆规格型号，尤其是最大功率电压跟踪范围，确定直流汇流箱、组件串列、电池组件的额定功率、电压、电流及其数量等。,3,并网光伏发电系统,并网光伏发电系统分类,并网光伏发电系统的组成,并网光伏发电系统不需要专门的储能元件，建设和维护成本相对较低。并网系统结构如图,1- 2,所示。并网光伏发电系统由,PV,发电系统、,DC/AC,逆变系统和并网接入系统等三部分组成，光伏电池组件、并网逆变器属于关键设备,。,图,1- 2,并网光伏发电系统,并网光伏发电系统根据电能是否送到电力系统可分为有逆流型并网系统、无逆流型并网系统、切换型并网系统、直、交流型并网系统和地域型并网系统等。,1.,有逆流并网发电系统,当太阳能光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余的电能送入公共电网；当太阳能光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向负载供电。由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。,图,1- 3,有逆流并网发电系统示意图,2.,无逆流并网发电系统,无逆流并网发电系统的示意图如图,1- 4,所示。当太阳能光伏发电系统即使发电充裕时，也不向公共电网供电，但当太阳能光伏发电系统供电不足时，则由公共电网供电。,图,1- 4,无逆流并网发电系统,3.,切换型并网发电系统,切换型并网发电系统示意图如图,1- 5,所示。该系统具有自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因天气及自身故障等原因导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电侧，由电网向负载供电；二是当电网因某种原因突然停电时，光伏发电系统可以自动切换使电网与光伏发电系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态。一般切换型并网光伏发电系统都带有储能装置。,图,1- 5,切换型并网光伏发电系统,4.,储能并网发电系统,有储能装置的并网光伏发电系统，就是在上述几类并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏系统主动性较强，当电网出现停电、限电及故障时，可独立运行并正常向负载供电。因此，带有储能装置的并网光伏发电系统可作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要场所或应急负载的供电系统。,大型并网光伏发电系统如图,1- 6,所示，由若干个并网光伏发电单元组合构成。每个光伏发电单元将太阳电池阵列发出的直流电经光伏并网逆变器转换成,380V,交流电，经升压系统变成,10KV,的交流高压电，再送入,35KV,变电系统后，并入,35KV,的交流高压电网，,35KV,交流高压电经降压系统后变成,380400V,交流电作为发电站的备用电源。,5.,大型并网发电系统,6.,分布式发电系统,分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。,7.,智能微网系统,微电网,(micro-grid),，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。,并网光伏发电系统的组成如图,1- 7,所示。光伏阵列将太阳能转换成直流电能，通过汇流箱汇流，再经逆变器将直流电转换成交流电，根据光伏发电站接入电网技术规定的光伏发电站容量，确定光伏发电站接入电网的电压等级，由变压器升压后，接入公共电网。,图,1- 7,并网光伏电站的系统组成,在实际使用中，往往一块组件并不能满足使用现场的要求，常将若干个组件按一定方式（串、并联）组装在组件支架上，形成太阳能电池阵列（,Solar Array,或,PV Array,），也称为光伏阵列。,1.,光伏阵列,在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏阵列与逆变器之间的连线，方便维护，提高可靠性，一般在光伏阵列与逆变器之间增加光伏阵列防雷汇流箱，其实物如图,1- 8,所示。用户可以将一定数量、规格相同的光伏组件串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏阵列的防雷汇流箱，在光伏阵列防雷汇流箱里配置了光伏专用的直流防雷模块、直流熔断器和断路器等。,图,1- 8,光伏阵列防雷汇流箱外形图和内部实物,2.,光伏阵列汇流箱,a）外观图,b,）内部图,直流配电柜主要是在中、大型太阳能光伏发电系统中，其作用是将太阳能光伏阵列的多路输出电缆集中输入、分组连接，不仅使连线井然有序，而且便于分组检查、维护，当光伏阵列局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作。,直流防雷配电柜主要将直流汇流箱输出的直流电源进行汇流，再接到逆变器上。直流防雷配电柜主要包括直流输入断路器、避雷器、防反二极管和电压表等，其原理图如图,1- 9,所示。,图,1- 9,直流防雷配电柜原理图,3.,直流防雷配电柜,并网逆变器的作用是将电能转化为与电网同频、同相的正弦波电流，馈入公共电网。并网逆变器的实物如图,1- 10,所示。,图,1- 10,并网逆变器的实物图,4.,并网逆变器,交流配电柜是用于实现逆变器输出电量的输出、监测、显示以及设备保护等功能的交流配电单元，其实物图和原理接线图如图,1- 11,所示。交流配电柜可以将逆变器输出的交流电接入后，经过断路器接入电网，以保证系统的正常供电，同时还能对线路电能进行计量。,5.,交流配电柜,a,）实物图,b,）原理接线图,图,1- 11,交流配电柜实物图和原理接成图,在独立光伏发电系统中，仅装设用户电能表，用户按照电能表的,“,净计量值,”,缴纳电费。在并网可逆流的光伏发电系统中，应装设双向电能表，在光伏发电系统逆流向电网供电时，双向电能表可记录光伏发电系统馈入电网的电量。,逆变器输出侧加装电能质量分析仪，目的就是对逆变器输出的电能质量进行检测，一旦逆变器输出电能质量不满足并网的技术要求，可采取措施将光伏发电系统从电网中切除。对于电能质量分析仪的要求就是能够提供各种电能质量的指标参数，以及对各种电能质量的数据进行记录，提供详细的信息以便了解及分析电能质量的状况。,6.,电能表,7.,电能质量分析仪,光伏发电监控系统通过对光伏电站的运行状态、设备参数、环境数据等进行监视、测量和控制，主要体现在设备和人身安全、发电可靠性和发电质量、并网电能管理、设备寿命管理、集中或远程监控等方面，实现光伏发电系统的安全、可靠经济和方便的运行。,8.,交流防雷保护器,为了防止光伏发电系统并网侧因雷击对设备造成损坏，在并网点加装交流防雷保护器。当线路由于遭到二次感应雷击或操作过电压时，防雷保护器动作将瞬时过电压短路泄放到地面，从而达到保护设备和人身安全的作用。,9.,计算机监控系统,4,并网逆变器,并网逆变器的工作原理,并网逆变器的功能,逆变器的基本电路构成如图,1- 15,所示。由输入电路、输出电路、主逆变开关电路,(,简称主逆变电路,),、控制电路、辅助电路和保护电路等构成。,图,1- 15,逆变器的基本电路构成,1.,逆变器的电路构成,2.,三相并网逆变器,三相并网逆变器输出电压一般为交流,380 V,或更高电压，频率为,50/60 Hz,，其中,50 Hz,为中国和欧洲标准，,60 Hz,为美国和日本标准。三相并网逆变器多用于容量较大的光伏发电系统，输出波形为标准正弦波，功率因数接近,1.0,。,单相并网逆变器输出电压为交流,220V,或,110V,，频率为,50Hz,，波形为正弦波，多用于小型的户用系统。单相并网逆变器电路原理如图,1- 17,所示。其逆变和控制过程与三相并网逆变器基本类似。,图,1- 17,单相并网逆变器电路原理图,3.,单相并网逆变器,并网逆变器除具有离网逆变器的性能特点外，还具有最大功率跟踪控制功能、防孤岛效应功能、自动运行和停机功能、自动电压调整等功能。,5,防雷与接地设计,雷电的形成与基本形式,防雷系统基础知识,光伏发电系统防雷设计,（,1,）直击雷过电压（直击雷）,雷电直接击中地面电器设备、线路或建筑物，强大的雷电流通过物体泄入大地，在该物体上产生较高的电位降，称为直击雷过电压。,（,2,）感应过电压（感应雷）,当雷云在架空线路（或其他物体）上方时，由于雷云的先导作用，使架空线路上感应出先导通道符号相反的电荷。雷云放电时，先导通道中的电荷迅速中和，架空线路上的电荷被释放，形成自由电荷流向线路两端，产生很高的过电压。,（,3,）雷电波侵入,由于直击雷或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线路或金属管道侵入变,(,配,),电所或用户而造成危害。,按照防雷技术理论基础，防雷系统由外部防雷系统、内部防雷系统、过电压保护系统组成。外部防雷系统由接闪器、引下线和接地装置,3,部分组成；内部防雷系统主要由避雷器接地装置两部分组成。,避雷针,避雷线,避雷带,引下线,在光伏发电系统的防雷设计中，应将外部防雷和内部防雷结合起来，作为一个统一的整体。充分考虑到直击雷、感应雷、雷电侵入波对发电系统的影响，从光伏阵列的输入端至最终用户，每一级都有针对性地采取合理、有效的防雷措施，设立避雷装置，为光伏发电系统的安全、稳定运行提供重要保障。,6,并网接入设计,光伏电站等级及并网要求,实际上光伏电站等级划分并没有绝对标准，往往会根据电站规模的发展而变动。目前国际能源署对于光伏电站等级分类方法是：容量小于,100kW,为小规模；容量为,100kW,1 MW,为中规模；容量为,1,10MW,为大规模；容量为,10MW,以上为超大规模。可分为,小型、中型或大型,光伏电站，具体如下：,1),小型光伏电站接入电压等级为,0,4kV,低压电网的光伏电站。,2),中型光伏电站接入电压等级为,10,35kV,电网的光伏电站。,3),大型光伏电站接入电压等级为,66kV,及以上电网的光伏电站。,小型光伏电站的装机容量一般不超过,200kW,。根据是否允许通过公共连接点向公共电网送电，可分为可逆和不可逆两种接入方式。,光伏电站向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量，在谐波、电压偏差、电压不平衡度、直流分量、电压波动和闪变等方面应满足国家相关标准。,7,任务实施,系统方案设计,光伏系统的容量设计,光伏系统的结构设计,光伏系统的电气设计,并网接入设计,监控系统设计,系统方案设计框图如图,1- 31,所示，包括光伏阵列、汇流箱、直流配电柜、并网逆变器以及交流配电柜等。其中光伏阵列由太阳电池组件、基座、支撑结构、防护设施、内部电气连接、接地等组成。,图,1- 31,系统方案设计框图,项目所在地为天津市，属于温暖带大陆性季风气候，其经纬度为：北纬3852，东经11649。 历年各月极端高气温39.9，历年月极端低气温-17，多年平均气温为11.9，最低月平均气温为-4.8（1月），最高月平均气温为26.2（7月）。历年年平均相对湿度60.7。年平均日照时数2699.11h，历年各月日照时数最长月份出现在5月为10.1小时，最短月份在12月为5.6小时。,根据所在地区日照时间的长短，我国光资源分布划分为五类（项目一中有详细介绍），天津被划分为三类地区。三类地区的年日照时数为22003000h；年辐射总量为50005850MJ/，属于太阳能资源较丰富,地区。,1.,地理环境分析,光伏阵列设计需要根据楼顶或者电站安装地点地形进行设计。方案中参照中心大厦建筑的屋顶平面图，预留出建筑上透光的部分，以及屋顶表面的设备房顶的位置，并预留出,5000m,2,为设备和排风的安装用地，其余部分按照,5,度的倾角安装电池组件。根据楼顶可安装组件的面积设计光伏阵列总容量为,1.7MW,，为了方便接线和减少电力传输损失，整体电站分为,8,个,200KW,左右的光伏阵列区和一个,100KW,左右的光伏阵列区，每个阵列区配有相互独立的直流配电柜，交流配电柜和逆变器，电站的系统方案如图,1- 32,所示。,图,1- 32,电站方案原理图,2.,光伏阵列设计,1),太阳能电池组件或阵列的形状与尺寸的确定,大型并网电站中组件的选型可以根据客户需要进行选择，或者根据市场需求等其他客观条件进行。本方案选择了非晶硅太阳电池组件作为项目中电站的光伏组件，组件的参数如表,1- 3,所示。,3.,光伏组件选型,组件参数,输出功率,40W,最大输出功率时的电压,46V,最大输出功率时的电流,0.87A,开路电压,61V,短路电流,1A,最大系统电压,1000V,长度,1245mm,宽度,635mm,厚度,7mm,重量,13Kg,功率温度系数,，,%/,-0.19,电压温度系数,，,%/,-0.28,电流温度系数,，,%/,0.09,表,1- 3,组件参数,设计方案中选用逆变器为交流三相，额定电压为,380V,，逆变器采用三相桥式接法，则输出电压,380 V/0.817 ,465 V,，再考虑电压富余量，光伏阵列的输出电压应增大到,1.1 465V=512V,电池组件的峰值电压为,46V,，则计算出组件的串联数为,512V/46V=11.13,，则需要串联,12,块电池板。,太阳电池阵列中每,12,块组件为一串，,12V,46V=552V,，,然后每,16,串为一并联串，每,6,个并联串再并联输出接入直流防雷配电柜。整体设计中共安装容量,1715.52KW,的电池阵列，共需太阳能电池组件块,42888,块。,2,）光伏阵列串,光伏电站建成后要有阵列的自排水系统，同时需要电站建成后有一个很好的鸟瞰效果，因此按照,5,的倾角进行太阳电池的安装设计。由于建筑女儿墙的具体高度未确定，因此设计了将阵列整体架高使其与屋顶表面设备房等高，以及将电站安装在屋顶平面两种安装方式。具体设计参数如下：光伏阵列倾角为,5,，阵列间距,0.6m,，占地面积,42888m,2,。,1.,光伏阵列倾角与间距设计,光伏支架结构尺寸如图,1- 34,所示。其由支架基座、槽钢底框、角钢支架等组成。光伏支架系统槽钢具有齿牙和加强筋，配合同样具有齿牙的连接扣件，能够形成齿轮式啮合节点，保证拼装节点受剪可靠，防止滑移，并且保证事故工况下是塑性破坏而非刚性破坏。加强筋加强槽钢强度，利于运输及切割，所用锁扣为一体成型设计，非弹簧螺母形式。,支架表面采用热浸镀锌处理，热浸镀锌厚度,60,微米，支架结构设计能承受基本风,0.85KN/m,2,，,能承受基本雪压,0.6KN/m,2,，能抗,7,级地震。,在楼顶采用水泥压块自重式安装方式。不对楼顶打孔、不破坏原有楼顶的建筑结构。对防水层没有任何的破坏。,2.,光伏支架设计,图,1- 34,光伏支架结构示意图,为了减少直流侧电缆的接线数量，提高系统的发电效率，本项目方案中使用了光伏阵列汇流箱，其主要作用是将一定数量的电池阵列汇流成,1,路直流输出。每路电池阵列输入回路配置了耐压,1000V,的高压熔丝和光伏专用防雷器，并可实现直流输出手动分断功能。,本系统共选用一级汇流箱224个，二级汇流箱38台。,1.,光伏汇流箱设计,光伏阵列通过汇流箱汇流到直流配电柜的正极和负极输入端，各路直流输入通过直流配电柜的正极母排和负极母排集中汇流，然后通过直流专用断路器输出到直流输出端，接入逆变器的直流输入端，如图,1- 36,所示。本项目方案选用,200KW,直流防雷配电柜,8,台，,100KW,直流配电柜,1,台。,图,1- 36,直流防雷配电柜原理图,2.,光伏直流配电柜设计,3.,光伏逆变器设计,1,）并网逆变器的选型原则,（,1,）容量匹配设计,并网系统设计中要求电池阵列与所接逆变器的功率容量相匹配，一般的设计思路为电池阵列功率,=,组件标称功率组件串联数组件并联数,（2）MPPT电压范围与电池组电压匹配,电池阵列的标称电压近似等于并网逆变器MPPT电压的中间值，这样可以达到MPPT的最佳效果。,（3）最大输入电流与电池组电流匹配,电池组阵列的最大输出电流应小于逆变器最大输入电流。,（4）转换效率 逆变器在其他条件满足的情况下，转换效率越高越好。,（5）配套设备 在逆变器选型过程中，应考虑相关的配套设备是否齐全。,3.,光伏逆变器设计,根据前端设计，本系统选用,17,台,100KW,逆变器，参数如表,1- 4,所示。逆变器接入交流配电柜，然后接入电网,380V,用户侧。,2,）并网逆变器的选型设计,参数名称,具体参数,参数名称,具体参数,品牌,对地故障检测,有,规格型号,错极性保护,有,最大光伏输入功率,110KW,功率因数,0.99,输入电压范围,0-850,电流谐波THD,4%,最大输入电流,250A,MPPT追踪范围,440-800,最多输入路数,6,电网工作电压范围,330-460,直流电压纹波,10%,电网工作频率范围,47.5-51.2HZ,直流分断,断路器,电网连接方式,接线端子,最大直流输入电压,850,最大效率,96.8%,额定交流输出功率,100,平均效率,96.0%,额定交流输出电流,152.0A,工作温度范围,-20度-50度,过、欠压保护,有,工作湿度范围,0-95%（不结露）,过、欠频保护,有,防护等级,IP20 (室内)IP65（室外）,短路、漏电保护,有,宽/高/厚（毫米）,850*1050*2100,防雷保护,有,重量,1200,KG,防孤岛保护,有,其他,具有通讯及多台监控功能,表,1- 4 100KW,的逆变器参数,交流配电柜一般可以由逆变器生产厂家或专业厂家设计生产并提供成型产品。当没有成型产品提供或成品不符合系统要求时，就要根据实际需要自己设计制作。,本方案中在逆变器和并网点之间，安装交流配电柜，交流配电柜内包括交流断路器、铜排以及三相电表。本项目系统中，共使用,200KW,交流配电柜,8,台，,100KW,交流配电柜,1,台。,4.,光伏交流配电柜设计,1,）防雷设计,本项目针对直击雷和感应雷分别作了防护设计。,（,1,）直击雷的防护,室外需要防护的主要是支架、配电电缆管和汇流箱。本项目工程将支架配电电缆管和汇流箱先等电位连接，然后用扁铁和楼结构的防雷设施连接。,（,2,）感应雷的防护,系统采用三级防雷。第一级：汇流箱加装防雷器；第二级：直流配电单元加装防雷器；第三级：交流配电单元加装防雷器。这样大大提高了系统的安全性。,5.,防雷与接地设计,根据建筑物防雷设计规范和建筑物电子信息系统防雷设计规范，进行防雷与接地设计。,2,）接地设计,接地装置的设计需要注意几下几方面：,（,1,）接地体设计,接地体垂直埋设时，一般使用的材料镀锌角钢和镀锌钢管，应按设计所提及数量及规格进 行加工。接地装置须埋于地表层以下，一般深度不应小于,0.6m,。为减少邻接地体的屏蔽作用，垂直接地体之间的间距不宜小于接地体长度的,2,倍，并应保证接地体与地面的垂直度。,（,2,）接地体连接线的设计,接地体与接地体之间的连接一般采用镀锌扁钢。扁钢应立放，这样既便于焊接又可减少流散电阻。,（,3,）接地线的设计,本项目系统的接地设备分室内和室外两部分，室内设备主要是直流配电柜、逆变器和交流配电柜，室外主要是支架、电缆配线管和汇流箱。,根据并网接入电网要求，项目接入电压等级为,0.4kV,低压电网的光伏电站。项目中光伏电站中,8,个,200KW,左右的子电站和,1,个,100KW,的子电站分别在不同的接入点，接入电网,380V,用户侧。在逆变器与用户侧电网之间加装逆功率检测装置，与逆变器进行通讯。,本系统所用的开关均采用空气开关，具有过流保护功能。同时在逆变器输出汇总点设置了总断路器，易于操作，可闭锁，确定电力检修维护人员的人身安全。,本项目方案选择,RS485,方式将逆变器和工控,PC,机进行连接，工控机上安装的监控及通讯软件具有以下功能,:,图,1- 37,监控管理系统,(1) PC,机上显示直流电流、直流电压、网侧电压、网侧电流、输出功率；,（,2,）,PC,机上显示当日发电量、累计发电量等；,（,3,）故障告警：对并网逆变电源上故障可通过,RS485,接口传输到,PC,机上；,（,4,）查看当前的时间信息；,（,5,）可在,PC,机上的控制软件里面对并网电源进行远程控制。,并网系统的监控及通讯示意图如图,1- 37,所示。,8,应用案例,案例介绍,内蒙古鄂托克前旗,10,兆瓦的太阳能光伏并网发电系统，分成,10,个,1,兆瓦的光伏并网发电单元，分别经过,0.4KV/35KV,变压配电装置并入电网，最终实现将整个光伏并网系统接入,35KV,中压交流电网进行并网发电的方案，系统方案如图,1- 38,所示。,内蒙古鄂托克前旗,10,兆瓦的太阳能光伏并网发电系统,图,1- 38,系统方案框图,给内蒙古鄂尔多斯市某学校设计一个屋顶,10KW,并网电站，包括设计流程、光伏电站容量设计、电气设计及阵列结构设计。,【课后作业】,感谢您的聆听,