交大光伏太陽能電站系統設計方案
交大光伏太陽能電站系統設計方案
項目概況：10兆瓦的太陽能光伏併網發電系統，推薦採用分塊發電、集中併網方案，將系統分成10個1兆瓦的光伏併網發電單元，分別經過0.4KV/35KV變壓配電裝置併入電網，最終實現將整個光伏併網系統接入35KV中壓交流電網進行併網發電的方案。
本系統按照10個1兆瓦的光伏併網發電單元進行設計，並且每個1兆瓦發電單元採用4臺250KW併網逆變器的方案。每個光伏併網發電單元的電池組件採用串並聯的方式組成多個太陽能電池陣列，太陽能電池陣列輸入光伏方陣防雷匯流箱後接入直流配電櫃，然後經光伏併網逆變器和交流防雷配電櫃併入0.4KV/35KV變壓配電裝置。
(一)太陽能電池陣列設計
1、太陽能光伏組件選型
(1)單晶硅光伏組件與多晶硅光伏組件的比較
單晶硅太陽能光伏組件具有電池轉換效率高，商業化電池的轉換效率在15%左右，其穩定性好，同等容量太陽能電池組件所佔面積小，但是成本較高，每瓦售價約36-40元。
多晶硅太陽能光伏組件生產效率高，轉換效率略低於單晶硅，商業化電池的轉換效率在13%-15%，在壽命期內有一定的效率衰減，但成本較低，每瓦售價約34-36元。
兩種組件使用壽命均能達到25年，其功率衰減均小於15%。
(2)根據性價比本方案推薦採用165WP太陽能光伏組件。
（二）、光伏系統效率計算
併網光伏發電系統的總效率由光伏陣列的效率、逆變器效率、交流併網等三部分組成。
(1)光伏陣列效率η1：光伏陣列在1000W/㎡太陽輻射強度下，實際的直流輸出功率與標稱功率之比。光伏陣列在能量轉換過程中的損失包括：組件的匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度影響、最大功率點跟蹤精度、及直流線路損失等，取效率85%計算。
(2)逆變器轉換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，取逆變器效率95%計算。
(3)交流併網效率η3：從逆變器輸出至高壓電網的傳輸效率，其中主要是升壓變壓器的效率，取變壓器效率95%計算。
(4)系統總效率為：η總=η1×η2×η3=85%×95%×95%=77%
3、傾斜面光伏陣列表面的太陽能輻射量計算
從氣象站得到的資料，均為水平面上的太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進行發電量的計算。
對於某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關，較簡便的輻射量計算經驗公式為：
Rβ=S×[sin(α+β)/sinα]+D
式中：
Rβ--傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量
S--水平面上太陽直接輻射量
D--散射輻射量
α--中午時分的太陽高度角
β--光伏陣列傾角
根據當地氣象局提供的太陽能輻射數據，按上述公式計算不同傾斜面的太陽輻射量，具體數據見下表：
不同傾斜面各月的太陽輻射量(KWH/m2)
4、太陽能光伏組件串並聯方案
太陽能光伏組件串聯的組件數量Ns=560/23.5±0.5=24(塊)，這裡考慮溫度變化係數，取太陽能電池組件18塊串聯，單列串聯功率P=18×165Wp=2970Wp;
單臺250KW逆變器需要配置太陽能電池組件串聯的數量Np=250000÷2970≈85列，1兆瓦太陽能光伏電伏陣列單元設計為340列支路並聯，共計6120塊太陽能電池組件，實際功率達到1009.8KWp。
整個10兆瓦系統所需165Wp電池組件的數量M1=10×6120=61200(塊)，實際功率達到10.098兆瓦。
該工程光伏併網發電系統需要165Wp的多晶硅太陽能電池組件61200塊，18塊串聯，3400列支路並聯的陣列。
5、太陽能光伏陣列的佈置
(1)光伏電池組件陣列間距設計
為了避免陣列之間遮陰，光伏電池組件陣列間距應不小於D：
D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)〕
式中Φ為當地地理緯度(在北半球為正，南半球為負)，H為陣列前排最高點與後排組件最低位置的高度差)。
根據上式計算，求得：D=5025㎜。
取光伏電池組件前後排陣列間距5.5米。
(三)直流配電櫃設計
每臺直流配電櫃按照250KWp的直流配電單元進行設計，1兆瓦光伏併網單元需要4臺直流配電櫃。每個直流配電單元可接入10路光伏方陣防雷匯流箱，10兆瓦光伏併網系統共需配置40臺直流配電櫃。每臺直流配電櫃分別接入1臺250KW逆變器
每個1MW併網單元可另配備一套羣控器(選配件)，其功能如下：
(1)羣控功能的解釋：這種網路拓樸結構和控制方式適合大功
率光伏陣列在多臺逆變器公用可分斷直流母線時使用，可有效增加系統的總發電效率。
(2)當太陽升起時，羣控器控制所有的羣控用直流接觸器
KM1～KM3閉合，並指定一臺逆變器INV1首先工作，而其他逆變器處於待機狀態。隨著光伏陣列輸出能量的不斷增大，當INV1的功率達到80%以上時，控制直流接觸器KM2斷開，同時控制INV3進行工作。隨著日照繼續增大，將按上述順序依次投入逆變器運行;太陽落山時，則按相反順序依次斷開逆變器。從而最大限度地減少每臺逆變器在低負載、低效率狀態下的運行時間，提高系統的整體發電效率。
(3)羣控器可以通過RS485匯流排獲取各個逆變器的運行參數、
故障狀態和發電參數，以作出運行方式判斷。
(4)羣控器同時提供友好的人機界面。用戶可以直接通過LCD
和按鍵實現運行參數察看、運行模式設定等功能。
(5)用戶可以通過手動方式解除羣控運行模式。
(6)羣控器支持至少20臺逆變器按照羣控模式並聯運行。
(四)太陽能光伏併網逆變器的選擇
此太陽能光伏併網發電系統設計為10個1兆瓦的光伏併網發電單元，每個併網發電單元需要4臺功率為250KW的逆變器，整個系統配置40臺此種型號的光伏併網逆變器，組成10兆瓦併網發電系統。選用性能可靠、效率高、可進行多機並聯的逆變設備，本方案選用額定容量為250KW的逆變器，
1、性能特點
選用光伏併網逆變器採用32位專用DSP(LF2407A)控制晶元，主電路採用智能功率IPM模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術和優質進口高效隔離變壓器，可靠性高，保護功能齊全，且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等特點。該併網逆變器的主要技術性能特點如下：
(1)採用32位DSP晶元進行控制;
(2)採用智能功率模塊(IPM);
(3)太陽電池組件最大功率跟蹤技術(MPPT);
(4)50Hz工頻隔離變壓器，實現光伏陣列和電網之間的相互隔離;
(5)具有直流輸入手動分斷開關，交流電網手動分斷開關，緊急停機操作開關。
(6)有先進的孤島效應檢測方案;
(7)有過載、短路、電網異常等故障保護及告警功能;
(8)直流輸入電壓範圍(450V～880V)，整機效率高達94%;
(9)人性化的LCD液晶界面，通過按鍵操作，液晶顯示屏(LCD)可清晰顯示實時各項運行數據，實時故障數據，歷史故障數據(大於50條)，總發電量數據，歷史發電量(按月、按年查詢)數據。
(10)逆變器支持按照羣控模式運行，並具有完善的監控功能;
(11)可提供包括RS485或Ethernet(乙太網)遠程通訊介面。其中RS485遵循Modbus通訊協議;Ethernet(乙太網)介面支持TCP/IP協議，支持動態(DHCP)或靜態獲取IP地址;
(12)逆變器具有CE認證資質部門出具的CE安全證書。
2、電路結構
250KW併網逆變器主電路的拓撲結構，併網逆變電源通過三相半橋變換器，將光伏陣列的直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓，並通過濾波器濾波變成正弦波電壓接著通過三相變壓器隔離升壓後併入電網發電。為了使光伏陣列以最大功率發電，在直流側加入了先進的MPPT演算法。
(五)交流防雷配電櫃設計
按照2個250KWp的併網單元配置1臺交流防雷配電櫃進行設計，即每臺交流配電櫃可接入2臺250KW逆變器的交流防雷配電及計量裝置，系統共需配置20臺交流防雷配電櫃。
每臺逆變器的交流輸出接入交流配電櫃，經交流斷路器接入升壓變壓器的0.4KV側，並配有逆變器的發電計量表。每臺交流配電櫃裝有交流電網電壓表和輸出電流表，可以直觀地顯示電網側電壓及發電電流。
(六)交流升壓變壓器
併網逆變器輸出為三相0.4KV電壓，考慮到當地電網情況，需要採用35KV電壓併網。由於低壓側電流大，考慮線路的綜合排部，選用5臺S9系列(0.4)KV/(35-38.5)KV，額定容量2500KVA升壓變壓器分支路升壓，變壓器
(七)系統組成方案原理框圖
(八)系統接入電網設計
1、系統概述
本系統由10個1兆瓦的光伏單元組成，總裝機10兆瓦，太陽能光伏併網發電系統接入35KV/50Hz的中壓交流電網，按照2兆瓦併網單元配置1套35KV/0.4KV的變壓及配電系統進行設計，即系統需要配置5套35KV/0.4KV的變壓及配電系統。每套35KV中壓交流電網接入方案描述如下：
2、重要單元的選擇
(1)35KV/0.4KV配電變壓器的保護
35KV/0.4KV配電變壓器的保護配置採用負荷開關加高遮斷容量後備式限流熔斷器組合的保護配置，既可提供額定負荷電流，又可斷開短路電流，並具備開合空載變壓器的性能，能有效保護配電變壓器。
系統中採用的負荷開關，通常為具有接通、隔斷和接地功能的三工位負荷開關。變壓器饋線間隔還增加高遮斷容量後備式限流熔斷器來提供保護。這是一種簡單、可靠而又經濟的配電方式。
(2)高遮斷容量後備式限流熔斷器的選擇
併網發電系統的穩定，線路故障時，要求線路切斷時間短，以保護設備。
熔斷器的特性要求具有精確的時間-電流特性(可提供精確的始熔曲線和熔斷曲線);有良好的抗老化能力;達到熔斷值時能夠快速熔斷;要有良好的切斷故障電流能力，可有效切斷故障電流。
根據以上特性，可以把該熔斷器作為線路保護，和併網逆變器以及整個光伏併網系統的保護使用，並通過選擇合適的熔絲曲線和配合，實現上級熔斷器與下級熔斷器及熔斷器與變電站保護之間的配合。
對於35kV線路保護，《3-110kV電網繼電保護裝置運行整定規程》要求：除極少數有穩定問題的線路外，線路保護動作時間以保護電力設備的安全和滿足規程要求的選擇性為主要依據，不必要求速動保護快速切除故障。
通過選用性能優良的熔斷器，能夠大大提高線路在故障時的反應速度，降低事故跳閘率，更好地保護整個光伏併網發電系統。
(3)中壓防雷保護單元
該中壓防雷保護單元選用複合式過電壓保護器，可有效限制大氣過電壓及各種真空斷路器引起的操作過電壓，對相間和相對地的過電壓均能起到可靠的限制作用。
該複合式過電壓保護器不但能保護截流過電壓、多次重燃過電壓及三相同時開斷過電壓，而且能保護雷電過電壓。
過電壓保護器採用硅橡膠複合外套整體模壓一次成形，外形美觀，引出線採用硅橡膠高壓電纜，除四個線鼻子為裸導體外，其他部分被絕緣體封閉，故用戶在安裝時，無需考慮它的相間距離和對地距離。該產品可直接安裝在高壓開關櫃的底盤或互感器室內。安裝時，只需將標有接地符號單元的電纜接地外，其餘分別接A、B、C三相即可。
設置自控接入裝置對消除諧振過電壓也具有一定作用。當諧振過電壓幅值高至危害電氣設備時，該防雷模塊接入電網，電容器增大主迴路電容，有利於破壞諧振條件，電阻阻尼震蕩，有利於降低諧振過電壓幅值。所以可以在高次諧波含量較高的電網中工作，適應的電網運行環境更廣。
另外，該防雷單元可增設自動控制設備，如放電記錄器，清晰掌控工作動作狀況。可以配置自動脫離裝置，當設備過壓或處於故障時，脫離開電網，確保正常運行。
(4)中壓電能計量表
中壓電能計量表是真正反應整個光伏併網發電系統發電量的計量裝置，其準確度和穩定性十分重要。採用性能優良的高精度電能計量表至關重要。
為保證發電數據的安全，建議在高壓計量迴路同時裝一塊機械式計量表，作為IC式電能表的備用或參考。
該電錶不僅要有優越的測量技術，還要有非常高的抗幹擾能力和可靠性。同時，該電錶還可以提供靈活的功能：顯示電錶數據、顯示費率、顯示損耗(ZV)、狀態信息、警報、參數等。此外，顯示的內容、功能和參數可通過光電通訊口用維護軟體來修改。通過光電通訊口，還可以處理報警信號，讀取電錶數據和參數。
3、監控裝置
系統採用高性能工業控制PC機作為系統的監控主機，可以每天24小時不間斷對所有的併網逆變器進行運行數據的監測。
光伏併網系統的監測軟體使用本公司開發的大型光伏併網系統專用網路版監測軟體SPS-PVNET(Ver2.0)。該軟體可連續記錄運行數據和故障數據：
(1)要求提供多機通訊軟體，採用RS485或Ethernet(乙太網)遠程通訊方式，實時採集電站設備運行狀態及工作參數並上傳到監控主機。
(2)要求監控主機至少可以顯示下列信息：
①可實時顯示電站的當前發電總功率、日總發電量、累計總發電量、累計CO2總減排量以及每天發電功率曲線圖。
②可查看每臺逆變器的運行參數，主要包括：
A、直流電壓
B、直流電流
C、直流功率
D、交流電壓
E、交流電流
F、逆變器機內溫度
G、時鐘
H、頻率
I、功率因數
J、當前發電功率
K、日發電量
L、累計發電量
M、累計CO2減排量
N、每天發電功率曲線圖
③監控所有逆變器的運行狀態，採用聲光報警方式提示設備出現故障，可查看故障原因及故障時間，監控的故障信息至少因包括以下內容：
A、電網電壓過高;
B、電網電壓過低;
C、電網頻率過高;
D、電網頻率過低;
E、直流電壓過高;
F、直流電壓過低;
G、逆變器過載;
H、逆變器過熱;
I、逆變器短路;
J、散熱器過熱;
K、逆變器孤島;
L、DSP故障;
M、通訊失敗;
(3)要求監控軟體集成環境監測功能，主要包括日照強度、風速、風向、室外溫度、室內溫度和電池板溫度等參量。
(4)要求最短每隔5分鐘存儲一次電站所有運行數據，包括環境數據。故障數據需要實時存儲。
(5)要求至少可以連續存儲20年以上的電站所有的運行數據和所有的故障紀錄。
(6)要求至少提供中文和英文兩種語言版本。
(7)要求可以長期24小時不間斷運行在中文WINDOWS2000，
XP操作系統
(8)要求使用高可靠性工業PC作為監控主機
(9)要求提供多種遠端故障報警方式，至少包括：SMS(簡訊)
方式，E_MAIL方式，FAX方式。
(10)監控器在電網需要停電的時候應能接收電網的調度指令。
4、環境監測裝置
在太陽能光伏發電場內配置1套環境監測儀，實時監測日照強度、風速、風向、溫度等參數。
該裝置由風速感測器、風向感測器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成。可測量環境溫度、風速、風向和輻射強度等參量，其通訊介面可接入併網監控裝置的監測系統，實時記錄環境數據。
5、系統防雷接地裝置
為了保證本工程光伏併網發電系統安全可靠，防止因雷擊、浪湧等外在因素導致系統器件的損壞等情況發生，系統的防雷接地裝置必不可少。
(1)地線是避雷、防雷的關鍵，在進行配電室基礎建設和太陽電池方陣基礎建設的同時，選擇電廠附近土層較厚、潮濕的地點，挖1～2米深地線坑，採用40扁鋼，添加降阻劑並引出地線，引出線採用35mm2銅芯電纜，接地電阻應小於4歐姆。
(2)直流側防雷措施：電池支架應保證良好的接地，太陽能電池陣列連接電纜接入光伏陣列防雷匯流箱，匯流箱內含高壓防雷器保護裝置，電池陣列匯流後再接入直流防雷配電櫃，經過多級防雷裝置可有效地避免雷擊導致設備的損壞。
(3)交流側防雷措施：每臺逆變器的交流輸出經交流防雷櫃(內含防雷保護裝置)接入電網，可有效地避免雷擊和電網浪湧導致設備的損壞，所有的機櫃要有良好的接地。
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