談光伏發電系統電氣設計

許冬梅 / 熊小俊 / 孫澤人 / 龐小霞

(中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

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談光伏發電系統電氣設計

0引言

隨著我國經濟快速發展，不可再生能源的大量消耗導致氣候變暖和環境污染，而可再生能源太陽能發電技術采用一次能源，具有無需運輸、無需存放場地、無污染的特點，是改變氣候變暖和環境污染的有效措施，是理想的零能耗、零排放、零污染的發電技術。對此，國家也出臺了很多優惠政策，支持這一產業的發展。

由于我國地處北半球，南北4°～52.5°，東西73°～135°，年日照時間長達兩千多小時，所以我國是太陽能資源相當豐富的國家。太陽能資源最豐富的1、2、3類地區約占全國總面積的2/3以上，年太陽能輻射總量高于1 389kW·h/m2，年平均日照時數大于2 200h，尤其是西北地區、新疆、西藏及河北大部分地區，均具有利用太陽能發電的良好條件。

當前，已有不少工程中設置了光伏發電系統，尤其是室外照明、地下工程及遠離市政電源的地區應用更多，有的還配置了蓄電池，可全天候供電，具有節能減排、供電可靠的效果。

目前，光伏組件、逆變器及直流系統的開關、導線、電纜等設備均是成套生產，成本已大幅降低，今后光伏發電系統在民用建筑工程中一定會有更大的發展。

1光伏發電系統組成

光伏直流系統主要由太陽能電池、光伏組件、光伏組串及直流匯流箱等組成。將直流電轉換為交流電的主要設備是逆變器，逆變器主要由逆變橋電路晶閘管、反饋二極管及直流電容等組成。

并網型逆變器可以與高壓10kV側市政電源并網，也可以在低壓0.4kV側與市政電源并網，一般容量在250kW以上采用高壓并網系統，250kW及以下采用低壓并網系統。高壓并網系統因容量大、電壓高，一般配置升壓變壓器。因為逆變器的出口電壓為315V，所以應設置315V/10kV的升壓變壓器，以滿足與10kV市政電源并網的要求，光伏發電系統圖如圖1所示。

注：1：光伏組件陣列；2：光伏線路保護熔斷器；3：交、直流過電壓保護避雷器 SPD；4：直流控制負荷開關；5：直流EMC濾波器；6：直流電容器；7：并網型逆變器；8：交流濾波器；9：交流EMC濾波器；10：交流接觸器；11：空氣斷路器；12：升壓變壓器；13：高壓電纜圖1　光伏發電系統圖

100kW及以上低壓并網系統應配置隔離變壓器，以滿足低壓220V/380V三相四線制市政電網系統。60kW及以下小型逆變器也可以不設置隔離變壓器，直接與低壓電源并網，如組串型逆變器。在工程設計中，應業主要求，在已有建筑屋頂設置太陽能光伏電池組件，發電容量1 000kW，因容量較大，經研究后設置兩臺500kW逆變器，采用兩臺并網型逆變器分別與兩路10kV市政電源二段母線并網。為敘述方便，就一臺逆變器光伏發電系統的設計進行闡述。

2主要設備及選擇

2.1逆變器

逆變器主要是利用晶閘管控制其不同的導通時間，同一相上下二臂交替180°導通，將直流電轉換為交流電。

逆變器是將直流電轉換為交流電的主要設備，按輸入電源性質可分為電壓型逆變器和電流型逆變器；按激磁方式可分為自激式震蕩逆變器和他激式震蕩逆變器；按波形可分為方波逆變器和正弦波逆變器；按交流電相數又可分為三相逆變器和單相逆變器等。經過調制、濾波、升壓等環節，使其滿足與市政電源相匹配的正弦波交流電源，并網供用戶使用。

方波逆變器主要是用于1kW及以下小容量系統，但效率較高；正弦波逆變器可用于大容量系統，如并網光伏發電系統，但效率比方波逆變器低。

電壓型逆變電路應在直流側設置大容量電容器C，相當于電壓源。因為當交流側為電感性負載時，需要無功功率，直流側電容能起到緩沖無功能量的作用。圖2所示為三相橋式逆變電路。

注：Ud：直流電源電壓；V1～V6：逆變器用晶閘管；VD1～VD6：反饋二極管；C：直流電容器圖2　電壓型三相橋式逆變電路

為了給交流側向直流側反饋的能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。因為晶閘管的過電流及過電壓能力較低，所以逆變器的進線各回路均應設置過電流保護裝置及過電壓保護器SPD。進線采用直流負荷開關控制，直流側濾波措施采用EMC直流濾波器。交流側采用交流濾波器及交流EMC濾波器，并設置交流接觸器自動控制。白天自動啟動開始運行，晚間自動斷開停止運行。變壓器將逆變器電壓由315V升為10kV，以便于并網運行。

工程中常用的光伏逆變器有電站型并網逆變器和組串型并網逆變器。電站型并網逆變器容量較大，額定輸出容量100～1 200kW；組串型逆變器電容較小，額定輸出容量2.5～60kW。

因為工程光伏電容量較大，設計選用兩臺SG500MX型光伏逆變器(可選擇其他型號，不同型號的技術參數略有不同)，其主要技術參數見表1。

表1　SG500MX型逆變器主要技術參數

注：外形尺寸(寬×高×深)1 606×2 034×860(mm); 防護等級 IP21; 排風扇風量 4 500m3/h

在國家定型產品中，自帶配套設備，成套性很高，配套很完善，可組裝成一個完整機組，如設計選用的SG500MX逆變器機組，除逆變電路外，直流及交流二側的過電壓保護器SPD和濾波設備等，均包括在逆變器機組內。

2.2太陽能光伏電池

光伏電池是將太陽能輻射能量直接轉換成電能的器件，光伏電池也稱為光伏電池片，主要是利用經特殊工藝處理的非金屬硅片，在太陽的照射下，因電子定向游離特性而形成電位差的特性。根據容量的不同，其規格大小亦有差異，156mm×156mm是太陽能光伏電站系統常用的規格，按光伏材料分為單晶硅、多晶硅和非晶硅等。單晶硅轉換效率高，但價格也高；而非晶硅一般在建筑造型有特殊要求(如彎曲形、柔軟形)時使用，效率較低；工程使用較多的是多晶硅，故該工程中選用156mm×156mm多晶硅光伏電池片。

2.3太陽能光伏組件

光伏組件是具有封裝及內部聯結的、能單獨提供最小直流電源輸出的、不可分割的光伏電池組合體，是由光伏電池片串并聯組合而成的不同規格的電池板。其主要技術參數見表2。本工程電池組件選用JAP-72/310/3BB型光伏組件(亦可選擇其他型號)，其主要技術參數如下：

最大功率Pd=310W

開路電壓uk=45.45V

最大功率點工作電壓ug=37V

最大功率點工作電流ig=8.38A

短路電流ik=8.85A

電池片數量m=72片

光伏面積S1=1 956×991=1 938.396mm2≈1.938 4m2

表2　光伏組件主要參數表

2.4光伏組串

從光伏組件的技術參數可以看出，最大工作電壓只有37V，而逆變器的輸入電壓最高可達1 000V，所以需要很多個光伏組件串聯，即多個光伏組件串聯成為1路光伏組串。

1)光伏組件數量的確定

1路光伏組串所需串接的光伏組件數量可由式(1)計算。

(1)

式中，n1為光伏組件數；Ud為逆變器最大輸入直流電壓，Ud=1 000V；uk為光伏組件開路電壓，uk=45.45V。

因為逆變器出線側設有交流接觸器控制，當太陽升起(大于500V)時，逆變器自動啟動，接觸器閉合；當太陽落山(小于460V)時，逆變器自動關閉，交流接觸器斷開。因開路電壓較高，危害逆變器安全，故使用光伏組件的開路電壓。所以光伏組件數量n1=Ud/uk=1 000/45.45=22.002 2，取22件。

2)外形尺寸及光伏面積

光伏組串的寬與光伏組件的長為1.956m，光伏組串的長為22×0.991=21.802m。組串的光伏面積為光伏組件數×光伏組件面積，即22×1.938 4=42.645m2。

3)光伏組串數量的確定

500kW逆變器所需光伏組串數由(2)式確定。

(2)

式中，n2為光伏組串數量；Id為逆變器最大輸入直流電流，Id=1 220A(逆變器參數)；ig為光伏組串最大工作電流，ig=8.38A(光伏組串參數)。即由n2=Id/ig=1 220/8.38=145.58，取146串。

2.5光伏陣列匯流箱

500kW逆變器，共需要146個組串接入，為了減少接入回路數量，光伏組串通過匯流箱匯流。定型產品匯流箱有兩種規格，有8路和16路組串接入，工程中選用16路PVS-16MA型匯流箱。其匯流箱主要技術參數如下。

1)最大光伏陣列電壓1 000V

2)最大光伏組串并聯電路數16路

3)每路熔絲額定電流10/15A

4)輸入電纜4～6mm2

5)出線電纜50～70mm2

6)防護等級IP65

7)環境溫度-25～+60℃

8)環境濕度0～95%

9)外形尺寸(寬×深×高)720×590×170mm

光伏陣列系統圖見圖3。

圖3　光伏陣列系統圖

(1)GF：光伏組串，由22個光伏組件(JAP-72/310/3BB)串聯而成。

(2)RD：光伏熔斷器，規格選用10/15，即熔體10A，保護最大工作電流8.38A，與匯流箱成套供貨。

(3)DL：直流斷路器，選用4極開關，因為直流1 000V電壓高，滅弧困難，所以選用4極開關串聯，以提高耐壓及分斷滅弧能力。

(4)PVS-16MA：匯流箱，工程中共設有10臺，進線采用熔斷器保護，出線采用直流斷路器保護，規格160/140。熔斷器及出線斷路器均包括在匯流箱內。匯流箱接入回路的端子數為16路，使用15路備用1路。

(5)L1：匯流箱進線電纜 6mm2。

(6)L2：匯流箱出線電纜 70mm2。

(7)SG：光伏并網逆變器。

匯流箱的防護等級IP65，可以安裝在室外距光伏組件最近的位置。因光伏組串的數量多、面積大、擺放分散、匯流箱進線回路電纜(6mm2)及出線回路電纜(70mm2)線路較長，所以應進行電壓降校驗，以保證光伏發電量不受影響。

(8)HM：10路匯流母線，其直流承載能力應不小于1 500A。進線電纜接線端子應不少于12個，其端子電流承載能力不小于160A。

(9)FK：直流負荷開關規格應不小于1 600A，亦應選用4極開關。

4極開關的接線可以采用“+”極串2級、“-”極串2極，或是“+”極串3極、“-”極串1極，如圖4所示。

圖4　4極開關接線圖

3主要設計指標

1)直流輸入參數

最大輸入電流：

(3)

式中，Id為最大輸入電流，A；n2為光伏組串數，n2=146；ig為每1路光伏組串最大工作電流，ig=8.38A。所以Id=n2ig=146×8.38=1 223.48A。

最大輸入電壓：

(4)

式中，Ud為最大輸入電壓，V；n1為每1組串光伏組件數，n1=22；uk為光伏組件的開路電壓，uk=45.45V。所以Ud=n1uk=22×45.45=999.9V。

最大功率點工作電壓：

(5)

式中，Ug為最大功率點工作電壓，V；n1為光伏組件數，n1=22；ug為光伏組件最大功率點工作電壓，ug=37V。所以Ug=n1ug=22×37=814V。

最大輸入功率：

(6)

式中，Pd為最大輸入功率，kW；Id為最大輸入電流，Id=1 223.48A；Udd為最低工作電壓，Udd=460V。所以Pd=IdUdd=1 223.48×460=562 800W=562.8kW。

最低工作電壓：

根據逆變器規定Udd=460V。

啟動電壓：

根據逆變器參數規定Uq=500V。

2)交流輸出參數

最大輸出功率：

(7)

式中，逆變器效率η=0.892；Pd為最大輸入功率，Pd=562.8kW。所以Pe=0.892×562.8=502kW。

最大視在功率：

(8)

式中，Pe為最大輸出功率，Pe=502kW；cosφ=0.909(根據逆變器參數確定)。所以Se=502/0.909=552.2kVA。額定電網電壓Ue=315V(根據逆變器參數確定)。

最大輸出電流：

(9)

額定頻率為 50/60Hz(逆變器參數)。

總電流波形畸變率<3%(額定功率時逆變器參數)。

3)光伏組件數

光伏組件數：

(10)

式中，n為光伏組件總數；n1為每個光伏組串的組件數，n1=22；n2為光伏組串數，n2=146。所以n=n1n2=22×146=3 212。

4)光伏面積

(11)

式中，n為光伏組件數，n=3 212；s1為光伏組件面積，s1=1.938 4m2。所以s=ns1=3 212×1.938 4=6 226.14m2。

5)單位面積發電量(每m2光伏面積最大發電量)

(12)

式中，p為每m2光伏面積發電量；Pd為最大發電功率(直流)，Pd=562.8kW；S為光伏面積，S=6 226.14m2。所以p=Pd/S=562.8/6 226.14=0.090 4kW/m2=90.4W/m2。

6)年最大發電量

(13)

式中，Pe為最大輸出功率，Pe=502kW;α為平均負荷系數，取0.8; t為年日照時數，取2 200h。所以w=αPet=0.8×502×2 200=883 520kW·h。

4設備布置

4.1光伏陣列布置原則

因為具體布置及安裝由光伏組件承包商負責，故提出以下布置原則。

1)光伏組件四周應設有安裝及維護通道。

2)光伏組串應保持其完整性，不宜折斷布置。

3)安裝的方位應為正南方，并應有最佳傾斜角。

4)固定牢靠，并設有防風雪及防水排水措施。

5)應設有可靠的防雷接地系統。

4.2光伏組件布置

1)光伏組件外形尺寸，見圖5。

圖5　光伏組件外形尺寸

2)1 000V光伏組串外形尺寸，見圖6。

圖6　1 000V光伏組串外形尺寸

3)光伏陣列在屋面上的布置，見圖7。

注：光伏組串距建筑邊線距離A宜不小于1.2m；光伏組串間距及光伏組串距屋頂設備、屋頂女兒墻等的距離B不小于1m；光伏組串陣列間距C宜不小于1.5m。圖7　光伏陣列在屋面上的布置

注：SG1、SG2：兩臺逆變器。M：設兩臺匯流母線接線箱，寬700mm。ST1、ST2：兩臺升壓變壓器，315V/10kV，630kVA。AH：高壓開關柜，設14臺，其中二路進線4臺，聯絡2臺，計量2臺，配電變壓器4臺，升壓變壓器2臺。AA：低壓開關柜，可根據設計需要設置。T3、T4：兩臺配電變壓器。圖9　變電所平面布置圖

4.3光伏高壓并網系統圖

如圖8所示，設兩路10kV市政電源供電，設4臺配電變壓器，其中T1、T2為分變電所，在另一建筑物內。T3、T4設在本總變電所內。

圖8　光伏高壓并網系統圖

兩臺500kW光伏逆變器機組經630kVA升壓變壓器與二段10kV母線并網。

4.4變電所平面布置圖

變電所平面布置圖如圖9所示。

5光伏發電系統監控

監控系統采用通用的分層分布式結構，現場設置監測元件，中間設置通訊管理設備，中央設置集中管理設備。

1)現場光伏組件陣列的每一個光伏組件的安全運行都應有實時監測。即每一個光伏組件的電流、電壓及組件溫度等，均應設置檢測元件，

注：(1)為光伏系統檢測控制箱;(2)為測控箱電源;(3)為直流斷路器脫扣線圈;(4)為直流斷路器;(5)為光伏系統防雷器;(6)為測控回路電流熔斷器;(7)為光伏陣列回路熔斷器;(8)為光伏組件陣列。圖10　光伏系統測控示意圖

采用數字通訊與上級監控設備聯系，實現實時監測。

2)現場光伏匯流箱內應設置光伏組串監控設備，每1路光伏組串回路設置電流、電壓及直流電弧的檢測元件，另對防雷保護器的實效及斷路器的通斷狀態等也應有實時監測，如圖10所示。

3)對逆變器直流總輸入電流、電壓、開關狀態、過電壓保護器及濾波器等均應有監測；對輸入總功率及運行電能可隨時打印；對逆變器交流側電流、電壓、有效功率、視在功率、總電流畸變率、電網頻率、功率因數、設備溫度等應有實時監測，并控制冷卻風機自動啟/停對輸出總功率及運行電能應有可視監測儀表。具體由承包商設計及實施。

6結束語

設計共設置2套光伏發電系統，按2套系統計算。直流輸入總功率為Pd=2×562.8=1 125.6kW；光伏組件總數為N=2×3 212=6 424 件；光伏組件總面積為S=2×6 226.14=12 452.28m2；交流輸出總功率為Pe=2×502=1 004kW；年最大發電量w=2×883 520=1 767 040kWh；折合標準煤217.16t。

太陽能是一次能源，也是可再生能源，能源豐富，既可免費使用，又無需運輸。光伏發電既不消耗資源，又不釋放污染物，不存在廢料、廢水、廢渣等問題，是零耗能、零排放、零污染的發電技術，對周邊環境保護和生態環境改善及經濟效益提高都有十分顯著的作用。今后隨著國家政策的支持，光伏發電技術一定會有更大發展。

參考文獻

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[5]孫玲,董維華.中新生態城零能耗建筑的光伏發電系統設計[J].智能建筑電氣技術，2015，9(4):34-40.

Research on Electrical Design of Photovoltaic Power Generation System

Xu Dongmei / Xiong Xiaojun / Sun Zeren / Pang Xiaoxia

許冬梅 / 熊小俊 / 孫澤人 / 龐小霞

(中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

摘要隨著能源危機日益凸顯，光伏發電技術應用快速發展。通過對光伏發電系統主要設備的性能、參數的研究，明確了系統主要設備選型中所采用的計算方法，并結合工程實例加以分析，闡述了光伏發電系統在實際工程中的應用及對于節能減排的重要意義。

關鍵詞光伏發電系統光伏并網逆變器光伏電池光伏組件光伏組串

AbstractWith the energy crisis becoming increasingly prominent, there has a rapid development of photovoltaic power generation technology. The calculation method used in the selection of the main equipment of the system is defined by research on the performance and parameters of the main equipment of the photovoltaic power generation system and combined with engineering examples to analyze. The application of photovoltaic power generation system in practical engineering and the important significance of energy saving and emission reduction are expounded.

Keywordsphotovoltaic power generation system, photovoltaic grid connected inverter, photovoltaic cell, PV module, PV group