太阳能光伏并网发电系统设计中国建筑东北设计研究院有限公司 王金元 序： 节能减排、绿色环保是一项基本国策，大力推进节能减排和深度开发绿色能源是国民经济可持续发展的保证。太阳能作为一次能源，也是可再生能源，它资源丰富，即可免费使用，又无环境污染，它的研究与应用得到国家的高度重视，出台了一系列优惠政策和法规，推广太阳能的应用。太阳能光伏并网发电系统就是根据国内实际情况发展起来的。近年来，太阳能光伏并网发电系统在民用建筑中应用逐渐增多，发展较快。本文就我院在科技情报信息服务中心工程中设计的太阳能光伏并网发电系统作以介绍，与同行进行技术交流，为绿色能源的应用助力。1 项目概况 该工程位于沈阳市浑南新区，建筑面积31000m2,建筑高度55.2m，地下室面积4767 m2,为汽车库和设备用房。建设方拟建两星级绿能建筑，太阳能光伏并网发电系统是必上内容。太阳能光伏并网发电系统所带负荷为地下室普通照明，照明负荷容量31kW, 太阳能光伏电池方阵安装于不同高度的三块屋面上。采用分布式并网发电不可逆系统，并网接入点在地下室照明的四个配电箱处，并网逆变器为三相输出，接地形式为TN-S系统，照明电压220V，光伏发电系统内不设蓄电池组，太阳能供电时间平均按10h计。2 太阳能光伏电池方阵的计算 太阳能光伏电池方阵的计算内容包括：2.1 计算太阳能电池方阵输出功率Wp；2.2 选择太阳能电池组件型号及规格；2.3 计算电池组件数量；2.4 计算方阵安装所需占地面积；2.5 计算电池组件串联数量；2.6 计算电池组件并联数量；2.7 确定方阵的方位角与倾斜角。2.1 计算太阳能电池方阵输出功率Wp；2.1.1 计算照明负荷消耗容量P。 如前述，太阳能光伏发电系统供电时间平均按10h计， 则：P = Wh/V = 3100010/220 =1409(Ah)2.1.2 选定每天日照时数t（h）。 根据沈阳地区冬季与夏季平均日照时间t=10h。2.1.3 计算太阳能电池方阵工作电流。 IP = P(1+Q)/t = 1409(1+0.21)/10 = 170.5(A)式中：Q-为阴雨期富裕系数Q=0.211.000，取0.21。 Q的取值大小直接影响方阵工作电流的大小，Q值越大，需要的光伏电池越多，投资也越大。对于并网发电系统，阴雨天方阵输出电流很小，不足以满足负荷要求时则有市电补充负荷所需电能，故Q值可选下限值。2.1.4 确定电池方阵输出工作电压Vmp 确定光伏电池方阵输出工作电压Vmp，主要依据下列两方面因素： 1）太阳能光伏发电系统的负荷额定电压； 地下室照明额定电压交流220V，其最大值为2220V=311V。所以，施加在三相四线制并网逆变器三相桥上的直流电压应不小于311V。 2）光伏电池组件工作电压Vmp的温度系数。 由于太阳能光伏电池组件的最大峰值功率峰瓦值WP ,是设定在太阳能电池板的表面温度为25，太阳能辐射强度为1000W/m2,光分布AM1.5的模拟光源条件下测试获得的（欧洲委员会101号标准）。所以，环境温度的变化对光伏电池组件的最大峰值电压是由影响的。太阳能光伏电池的温度特性如图1所示： 根据图1可知：当太阳能电池板的表面温度大于25时，将使光伏电池组件的开路电压Vmp值下降，短路电流Isc则稍有增加。当温度小于25时，开路电压Voc值上升，短路电流Isc则稍有减少。 对于单晶硅和多晶硅太阳能光伏电池，其工作电压（VmP）的温度系数为-0.0045，工程中应计入温度系数对方阵工作电压的影响。沈阳地区夏季环境最高温度为+33，光伏电池组件表面温度高于环境最高温度取+40，折合+40时的系数为0.0675，此时光伏电池方阵的工作电压（VmP）降低21V。 则：光伏电池方阵输出工作电压 VmP =311+21=332V2.1.5计算太阳能电池方阵输出功率Wp。 WP = IPVP = 170.5332 =56600(W)2.2 选择太阳能电池组件型号及规格； 选择多晶硅太阳能电池组件，YL185-(23)P型技术参数如下： 最大峰值功率： 185 Wp ; 最大峰值功率电压： 23.5 V ; 最大峰值功率电流： 7.87 A ; 开路电压： 29.5 V ； 短路电流： 8.45 A 组件尺寸：WLH 9901310502.3电池组件数量=电池方阵输出功率 电池组件最 大峰值功率 = 56600185 = 306块2.4需要占地面积= 306(0.991.31) = 397 m22.5电池组件串联数量= 太阳能电池方阵工作电压(VP)光伏电池组件最大峰值功率电压(Vm) = 33223.5=14.13 圆整为 14块串联。 2.6 电池组件并联数量 = 太阳能电池方阵工作电流（IP）光伏电池组件最大峰值功率电流（Im） = 170.57.87 = 21.6 圆整为 21串并联, 总装机容量为54.4kWP峰瓦。2.7确定方阵的方位角与倾斜角 正确选择太阳能电池方阵的方位角和倾斜角是获得最大输出功率的重要措施之一。只有方阵安装合理才能获得最大的输出功率。 1）方位角 太阳能电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角，一般在北半球方阵朝向正南，即方阵的垂直面与正南方向的夹角0o。2）倾斜角 太阳能电池方阵通常是面向赤道放置，相对于地平面有一定的倾角。即太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角。沈阳地区的最佳安装倾斜角=+1，当地的纬度，沈阳地区纬度为41.77o，则=42.77o。3 并网逆变器的选择 工程要求：根据建筑物屋顶造型，电池板安装于三块高度不同屋面上，太阳能光伏并网发电系统采用分布式并网方式，系统内设置3台并网逆变器，其输出并接，设1台60kVA隔离变压器，其二次侧为三相四线制，通过并网控制器与地下室照明市电回路并网。 并网逆变器是光伏发电系统的核心部件，它将光伏电池方阵输出的直流电变换成交流电，并与市电电源并网为地下室照明供电。除此之外还应具备下列功能：1）最大功率跟踪控制功能； 具有跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳辐照强度变化而引起的输出电压与电流变化进行自动跟踪控制，使太阳能方阵保持在最大输出状态，以获得最大输出功率。2）防孤岛效应功能； 太阳能光伏发电系统与市电电源并网运行，太阳能光伏发电系统提供部分能量给负载使用。所谓“孤岛效应”是指在电网故障或中断的情况下，太阳能光伏发电系统继续独立供电给负载，这种现象会造成下列危害：（1）当电网发生故障或中断后，由于太阳能光伏发电系统持续独立供电给负载，将使得维修人员在进行修复时，安全受到威胁。（2）当电网发生故障或中断时，由于太阳能光伏发电系统失去电网作为参考信号，造成系统的输出电流、电压及频率，出现漂移而偏离电网频率，产生不稳定的情况，且可能含有较大的电压与电流谐波成分。若未及时将太阳能光伏发电系统切离负载，将会使得某些对频率敏感的负载损坏。（3）当电网恢复瞬间，由于电压相位不同，可能发生较大的冲击电流，造成相关设备损坏。且当电网恢复供电时，可能会发生同步的问题。 因此，将孤岛运行所造成的危害称作“孤岛效应”。太阳能光伏发电系统发生孤岛运行时，应解除并网。 3）自动运行和停止功能； 自动根据日出到日落的日照条件，尽量使太阳能方阵输出最大功率，在此范围内逆变器实现自动运行。当市电或逆变器发生故障时，应安全解除并网，控制逆变器停止运行。 4）直流接地检测功能； 在逆变器输入端设置直流接地检测，当直流侧发生接地故障及时报警。5）并网逆变器应设置并网保护装置； 该装置实时对市电电源的电压、相位、频率等进行采样比较，始终保证逆变器输出与市电电源的同步，为负载提供稳定的电能质量。6）保护功能； 应具有过压、失压、频率检测和保护功能，过负荷、短路自动隔离电网，逆向功率自动检测与保护功能。7）通信功能； 逆变器应具有RS485与RS232通信接口，通过数据电缆可与PC机进行通信，测量的系统参数可在PC机上显示。 据此，选用3台GT20000W正弦波并网逆变器，每台输入电池方阵为14串7并。 选择的并网逆变器的技术参数如下： 1）型 号： GT20000W 2） 最大输入电压： 600VDC 3）最大输入电流： 60ADC 4）输入电压范围： 195-600VDC 5）直流输入端口： 2个 6）交流输出电压： 230V 7）交流电压频率： 50HZ4 电池方阵最大输出电压（Vmp）、开路电压（Voc）与逆变器输入电压范围的配合 由选择的并网逆变器参数可知，输入电压范围为195-600VDC，电池方阵最大输出电压（Vmp）、开路电压（Voc）应在此范围之内。 1）工程上通常推荐Vmp的下限值为逆变器输入电压范围下限值195V的115%225V; Vmp的上限值为逆变器输入电压范围上限值600V的70%420V。推荐方阵Voc的下限值为逆变器输入电压范围下限值195V的150%300V; Vmp的上限值为逆变器输入电压范围上限值600V的90%540V。2）计算满足逆变器输入电压范围的光伏电池组件串联数串联数的最小值： N1=V1Vmp 式中：V1 为推荐Vmp范围的下限值。 则：N1=V1Vmp =22523.5=9.6 圆整为 10串。注：确定下限值时向上圆整。 串联数的最大值：N2=V2Voc 式中：V2为推荐 Voc范围的上限值。 则：N2=V2Voc = 54029.5=18.3圆整为 18串。在本工程中方阵的最大输出电压 : Vmp=23,514=329 V; 开路电压Voc=29.514=413 V ; 光伏电池组件串联数为14串，均在表4-1所合理范围之内，满足系统要求。5 并网控制柜 本工程选用一台并网控制柜，该柜与三台逆变器柜并列安装于屋顶层配电室内，其功能如下： 1）逆变器交流输出设短路保护、过负荷保护； 2）并网接触器，具有自动并网和离网功能； 3）交流电压、电流及单台逆变器输出功率； 4）共设四路并网输出；另设两台备用并网开关。6逆功率保护装置 逆功率保护装置是由逆功率检测器和防逆流控制器组成。为了确保光伏系统所发的电能全部被地下室照明消耗，而不是馈送至市电网络，防逆流控制器会随时监控变电所至地下室照明低压配电回路的电压、电流，一旦发现向电网馈送电能，会立即控制逆变器降低输出电流，减少光伏系统的发电量。当出现通信故障或其他系统故障时，防逆流控制器会断开并网接触器，停止向电网供电。 对于防逆流并网系统，逆功率检测器安装于并网点上一级配电回路，当发现有逆流时，逆功率检测装置与防逆流控制器通信，控制逆变器发电功率，实现最大利用并网发电而不出现逆流。 在本工程中，逆功率保护装置是由4台逆功率检测器和1台防逆流控制器组成。7 光伏发电监控系统 光伏发电监控系统是由系统监控主机(PC机)、数据采集器及链路等组成，该系统集光伏发电系统数据处理和监控功能于一体，实现对光伏发电系统实时检测与控制。其主要功能如下： 1）显示光伏发电系统的总体信息包括：日期、以发电总量、当日发电总量、当前发电量；环境温度、组件表面温度、太阳光辐照量、市电网电压、电流、频率。 2）显示光伏发电系统的在线信息包括：逆变器的型号、编号；逆变器输入直流电压、电流及输入功率；逆变器输出交流电压、电流及输出功率；并网逆变器的工作状态；并网逆变器当天已工作时间。 3）打印报表：每台逆变器日发电量报表，光伏发电系统日总发电量报表。 4）查询：每天发电量查询，每台逆变器开启时间，逆变器工作状态及历史数据记录、故障信息等。8光伏电缆的选择 光伏电缆通常采用低烟无卤辐照交联专用电缆。对其性能要求主要有下列几方面。1）耐高温和耐低温、抗紫外线、抗臭氧、耐潮湿；2）耐压等级应高于光伏方阵最大输出电压的1.25倍；3）载流量应大于光伏方阵最大输出电流的1.25倍，且线路损耗小于2%。 据此，本工程选用了PV1-F型低烟无卤辐照交联光伏专用电缆，这种电缆是根据光伏电池组件所处的特殊环境设计的，主要用于光伏组件之间和汇流箱输入、输出直流电压的传输。最高电压1.8kVDC，（135、-40），光伏电池串连接电缆PV1-F-22.5mm2,光伏汇流箱出线225 mm2。9 直流汇流箱 直流汇流箱是将N路光伏电池串汇接在一起合成一路输出的设备。它由直流断路器、正负直流汇流排、与回路数对应的正负极熔断器和电涌保护器组成。 汇流箱分为4路、8路、12路、16路标准产品，每路电流最大可达10A。由于汇流箱通常安装于屋顶，其外壳的防护等级不应低于IP45。 本工程中每台逆变器输入端需接7路光伏组件串，故选用8路直流汇流箱。10 防雷 由于太阳能光伏电池方阵输出为直流，通常采用专用型电涌保护器，因此在选择电涌保护器时应注意下列问题： 1）不宜选用放电间隙。如果选用可能会导致雷电流过后，放电间隙因直流续流不能关断（除有特殊技术保证者外）。 2）在选择太阳能光伏发电系统专用电涌保护器时，应特别注意其导通时的保护电压UP不应大于1.2kA,否则是保护不了光伏发电系统的。有不少专用电涌保护器的UP值为2.5kA,而控制器和逆变器的单板机要求不大于1.5kV。 3）可采用残压值不大于1.2kA的复合电涌保护器或多级电涌保护器串联的防雷箱（如天津中立防雷公司的防雷箱），末级嵌压800V。 4）太阳能光伏电池组件的安装支架应多点与屋面避雷带连接，根据分流理论，连接的点数越多,雷击电池脉冲幅值越小。 5）当采用避雷针保护光伏电池方阵时，避雷针应设置在方阵的背向，且离方阵边缘距离不小于2m，避雷针与避雷带的连接导体，严禁直接连至方阵安装支架在与避雷带连接。11 接地 光伏电池并网发电系统的接地采用共用接地系统。在11层设备间设局部接地端子箱LEB，逆变器柜设置中性线（N）母排和保护线（PE）母排，并接后引出PE线与LEB箱连接，系统的直流地和设备的金属外壳等均采用绝缘铜导体与LEB箱可靠连接连接，接地电阻不应大于1欧姆。12 太阳能光伏并网发电系统图如图2所示：