全運會文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的應用

遼寧太陽能研究應用有限公司 ■ 王志喜

0 引言

遼寧省第十二屆全運會文化場館的太陽能光伏項目具有較高的社會知名度和社會影響力。項目具有“建筑規(guī)模大、功能復雜、工藝要求高、設計施工難點較集中、新技術新工藝應用涵蓋多專業(yè)、建設工期高度緊迫”等特點。作為本項目四大單體工程中的光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站，以其所具有的技術先進性，系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、可靠性，以及所帶來的社會、環(huán)境和經(jīng)濟價值成為遼寧省第十二屆全運會文化場館的一大亮點。

光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)是由光伏方陣、光伏匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、防逆流系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和顯示電能相關參數(shù)的儀表組成。光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)為用戶側并網(wǎng)，在遼寧省科技館屋頂建設太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目。本項目采用230 W/29.5 V太陽電池板，22塊串聯(lián)為一組，3個組串通過1臺防雷匯流箱，共采用光伏匯流箱4臺進入交直流配電柜。直流電通過逆變器逆變后，交流電進行并網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。樓頂共放置太陽電池組件264塊，總裝機容量為60.72 kW。此系統(tǒng)采用先進的防逆流控制技術，光伏發(fā)電首先提供給負載用電，即發(fā)即用原則，當用電量小于光伏發(fā)電量時，防逆流控制器減小逆變器功率輸出，避免向上一級變壓器輸送電量。整個系統(tǒng)具備監(jiān)測功能，通過逆變器與PC機通信，顯示系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)和運行參數(shù)。

圖1 現(xiàn)場施工圖

1 系統(tǒng)組成與設計

1.1 光伏組件的設計選型

光伏組件是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本組成單元，是將太陽能轉化為電能的主要部件。根據(jù)文化場館建筑設計及其電力負荷確定光伏組件的類型、規(guī)格、數(shù)量、安裝位置、安裝方式和可安裝場地面積；根據(jù)光伏組件規(guī)格及安裝面積確定光伏系統(tǒng)最大裝機容量；根據(jù)并網(wǎng)逆變器的額定直流電壓、最大功率跟蹤控制范圍、光伏組件的最大輸出工作電壓及其溫度系數(shù)確定光伏組件的串聯(lián)數(shù)；根據(jù)總裝機容量及光伏組件串的容量確定光伏組件串的并聯(lián)數(shù)。在對光伏組件進行設計選型時，要首先考慮并網(wǎng)逆變器的額定直流電壓、最大功率跟蹤控制范圍。

圖2 光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)

1.2 光伏組件支架

光伏系統(tǒng)設計過程中，支架系統(tǒng)作為直接支撐光伏組件的核心結構，其成本在整個光伏系統(tǒng)中所占比重雖然不大，但對系統(tǒng)的安全性及其發(fā)電效率卻有至關重要的作用。合理的支架結構形式能提升系統(tǒng)抗風抗雪載的能力；合理的運用支架系統(tǒng)在承載方面的特性，可進一步對其尺寸參數(shù)做優(yōu)化，節(jié)約材料、降低成本，同時增強結構穩(wěn)定性，為光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行進一步做出貢獻。根據(jù)當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)及地理條件，文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站的結構支架設計采用先進的數(shù)字化設計流程，以均勻分布載荷作用下光伏組件的變形均值為參數(shù)目標，通過對C型鋼光伏支架系統(tǒng)的分析模擬，以穩(wěn)定結構形式，做出最優(yōu)化的結構方案。應用先進的三維軟件的參數(shù)化設計功能，按照每個連接點間的參數(shù)關系式建立完整的支架系統(tǒng)結構模型；模型建立后，應用CFD軟件進行整體流體力學分析(如圖3所示)，對支架整體結構方陣抗風荷載能力進行模擬校核，實現(xiàn)光伏支架結構完全數(shù)字化設計。

圖3 光伏支架FLUENT流體分析

1.3 光伏并網(wǎng)逆變器及智能監(jiān)控裝置

光伏并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，主要功能是將光伏組件發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)；同時實現(xiàn)對中間電壓的穩(wěn)定，便于前級升壓斬波器對最大功率點的跟蹤；并且其具有完善的并網(wǎng)保護功能，保證系統(tǒng)能安全可靠地運行。光伏并網(wǎng)逆變器應該具備兩個特點：穩(wěn)定性和高效性。

文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)電站所采用的光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏串輸入電壓通過Boost電路傳輸?shù)街绷髂妇€上，再將直流輸入進行最大功率點跟蹤，以確保即使在不同的PV輸入條件下，也可獲得最大功率。三電平逆變電路將直流轉化為交流電，交流電將通過五芯端子饋入電網(wǎng)。保護電路用于保證逆變器的安全運行與人員安全。逆變器內存在直流開關，用于安全斷開直流電流；逆變器還提供標準的RS485通訊接口，便于對系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。該逆變器擁有極性反接保護、短路保護、對地絕緣監(jiān)測、逆變器輸出電壓監(jiān)測、逆變器輸出頻率監(jiān)測、剩余電流保護、交流輸出電流的直流分量監(jiān)測、反孤島保護、環(huán)境溫度監(jiān)測、直流過壓保護、過流保護、功率模塊溫度保護等保護功能；也可對有功功率和無功功率進行調節(jié)。

1.4 防逆流裝置與智能監(jiān)控裝置

1.4.1 防逆流裝置

在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中為了防止光伏發(fā)電系統(tǒng)把剩余電能送入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成影響，一般都需要在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中設置防逆流裝置。這樣可避免增加電表的讀數(shù)，消除用戶的電費損失。通過檢測母線功率及各光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，運用一定的邏輯判斷來防止電流流向電網(wǎng)。

全運會文化場館光伏智能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防逆流裝置是在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，檢測流經(jīng)電表的電流并產(chǎn)生逆流信號，根據(jù)逆流信號產(chǎn)生防逆流控制信號并發(fā)送到組件逆變器。在已出現(xiàn)逆流的情況下，系統(tǒng)判斷逐級與下位機通訊減掉多發(fā)出的電量；當出現(xiàn)不足的情況時，逐級增加電池板的發(fā)電量，直到全部打開，如果仍不滿足，需要由市電補充。

1.4.2 光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 防逆流系統(tǒng)原理圖

光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)是對系統(tǒng)中的各項電流和電壓燈信號進行采集顯示，將多個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和電流信號在一個現(xiàn)場控制中心顯示屏內顯示，并且可顯示實時波形、讀取歷史數(shù)據(jù)波形、檢測系統(tǒng)的運行狀況、監(jiān)控逆變器的運行狀態(tài)及故障信息等。遠程控制中心也能讀取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)便于各部門信息共享。光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)的使用能實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)電站完整、統(tǒng)一的實時監(jiān)控和控制，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)是通過逆變器中的各項數(shù)據(jù)采集模塊，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的各項電壓電流信號進行采集匯總，采用阻抗匹配RS485專用電纜與逆變器進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)信號反饋給監(jiān)控中心。同時，監(jiān)控中心也可通過監(jiān)控軟件對逆變器的一些簡單易用的參數(shù)進行設置。所設置的參數(shù)通過通信電纜反饋到逆變器中，進而改變逆變器中的參數(shù)，做到對系統(tǒng)參數(shù)的調整。

2 光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)綜合性分析

2.1 經(jīng)濟效益分析

由光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的特點可知，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏組件使用壽命可達20～25年。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)總成本只包括初始設備費和施工費，由于其可靠性高，又不消耗常規(guī)能源，每年的維修費和運行費基本為零，可不必考慮。

根據(jù)目前非居民用電電價0.6元/kWh及《中國電價和電力發(fā)展研究》課題組的最新研究結論，無論是從宏觀經(jīng)濟運行，還是從行業(yè)發(fā)展來看，電價水平還有一定的調升空間；適當調整電價水平及其結構，不僅不會導致價格總水平的顯著上漲，而且還會有利于產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化升級。經(jīng)過測算，目前中國的經(jīng)濟和社會狀況能承受的電價水平的合理上漲系數(shù)是每年0.04元/kWh。 按光伏并網(wǎng)系統(tǒng)20年運行周期計算，同時考慮社會利率及電價上漲因數(shù)，節(jié)約的電費現(xiàn)值分別計算如下：

每年節(jié)約的用電量(60 kW裝機容量，峰值日照時間4.67 h，發(fā)電效率按70%計算)：

60 kW × 4.67 h × 365 d × 0.7=71591.1 kWh

每年節(jié)約的電費A1=71591.1 kWh × 0.6元/kWh=42954.66元，每年節(jié)約的電費增加額G1=71591.1 kWh × 0.04 元 /kWh=2863.644 元。分別利用等額收付和遞增等差收付序列現(xiàn)值計算公式，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)20年節(jié)約電費現(xiàn)值P1計算過程如下：

式中，i是對應于可再生能源系統(tǒng)的社會年利率，取10%；n是光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏組件工作年限；A1是每年太陽能路燈節(jié)省的等年值電費；G1是太陽能路燈每年節(jié)省的因電價預期上調增加的等差變額電費。

2.2 社會效益分析

光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)對于一個城市甚至一個國家來說，標志著現(xiàn)代物質文明和精神文明的進步、人們觀念的更新和環(huán)保意識的增強；對于帶動一個城市的科技文化進步、經(jīng)濟水平發(fā)展意義重大，也是社會穩(wěn)定、經(jīng)濟繁榮的重要標志；其社會效益顯著，大幅縮短了一個城市與現(xiàn)代文明社會的距離，使其早日步入新天地。

2.3 環(huán)境效益分析

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電原理工作，不消耗化石燃料，無CO2、SO2等有害氣體的排放，清潔干凈，環(huán)境效益良好。據(jù)估算，本項目在光伏組件使用壽命20年內可減少標準煤燃燒430.196 t，減少CO2排放量651.81 t，減少SO2排放量3.17 t。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應用對于保護相關地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境有著特殊意義。

3 結論

經(jīng)過現(xiàn)場實際運行和詳細的經(jīng)濟計算分析表明，遼寧省第十二屆全運會文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的先進性、穩(wěn)定性；無論從經(jīng)濟評估角度、社會評估角度和環(huán)境評估角度，光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)都必將為人類所接受，在太陽能的應用上人類必將迎來光伏智能并網(wǎng)的新時代。

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