10兆瓦的太阳能解析(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上格尔木10兆瓦光伏并网电站的设计 设计人：1、电站地理位置及太阳能资源调查青海省将在柴达木盆地建立太阳能资源普查评估体系，为有效利用这一地区丰富的太阳能资源提供科学依据。 据了解，这一项目研究主要是基于地理信息系统制作相关文件，在此基础上，利用统计分析方法对太阳能资源数据进行加工处理，建立柴达木盆地的太阳能辐射总量、直接辐射量、散射量的统计模型和太阳能资源评估数据库，全面开展盆地太阳能资源的普查和评估。 地理信息系统是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。 柴达木盆地海拔高、空

2、气稀薄、天气晴朗、水汽含量少、大气透明度好，加上这里地势平坦，无山峦遮挡，日照时数长，太阳辐射强，其太阳能资源十分丰富。盆地内年均日照时数在3000小时左右，太阳辐射和日照仅次于西藏，居全国第二位，是我国光能资源丰富的地区。 这一体系的建立将为科学合理开发利用柴达木盆地太阳能、保护生态环境和提高农牧民群众生活水平提供依据。1.1 太阳能光伏发电系统的分类及构成太阳能光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。并网太阳能光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，一般分为集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千瓦到兆瓦级以上

3、，而分散式并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦。本工程属于集中式大型并网光伏电站。并网太阳能光伏发电系统不设蓄电池，减少了蓄电池的投资与损耗，也间接减少了处理废旧蓄电池产生的污染，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电的稳定性，是太阳能发电发展的最合理和最经济的方向。在集中式并网光伏电站中，太阳能通过太阳电池组成的光伏阵列转换成直流电，经过三相逆变器（DC-AC）转换成电压较低的三相交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网电压要求的交流电，并直接接入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。本工程光伏发电系统主要由太阳电池阵列、逆变器及升压系统三大部分组成，其中太阳电池阵列及逆变器组

4、合为发电单元部分。1.2 太阳电池组件选择 太阳电池组件的选择应综合考虑目前已商业化的各种太阳电池组件的产业形势、技术成熟度、运行可靠性、未来技术发展趋势等，并结合电站周围的自然环境、施工条件、交通运输的状况，经技术经济综合比较选用适合集中式大型并网光伏电站使用的太阳电池组件类型。1.2.1.1 太阳电池分类 目前太阳电池按基体材料主要分为：（1）硅太阳电池：主要包括单晶硅（Single Crystaline-Si）电池、多晶硅（Polycrystaline-Si）电池、非晶硅（Amorphous-Si）电池、微晶硅（c-Si）电池以及HIT电池等。（2）化合物半导体太阳电池：主要包括单晶化合

5、物电池如砷化镓（GaAs）电池、多晶化合物电池如铜铟镓硒（CIGS）电池、碲化镉（CdTe）电池等、氧化物半导体电池如Cr2O3和Fe2O3等。（3）有机半导体太阳电池：其中有机半导体主要有分子晶体、电荷转移络合物、高聚物三类。（4）薄膜太阳电池：主要有非晶硅薄膜电池（-Si）、多晶硅薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池、纳米晶薄膜电池等。目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制造的，随着晶体硅太阳电池生产能力和建设投资力度的不断增长，一些大型新建、扩建的项目也陆续启动。我国的太阳能光伏发电产业发展迅猛，目前我国共有500 多家光伏企业和研发单位，年生产太阳能光伏电池组件已达

6、3000MWp左右。1.2.1.2 太阳电池性能技术比较 结合目前国内太阳电池市场的的产业现状和产能情况，选取目前市场上主流太阳电池（即晶体硅电池和非晶硅薄膜电池）进行性能技术比较。（1）晶体硅太阳电池 单晶硅电池太阳电池是发展最早，工艺技术也最为成熟的太阳电池，也是大规模生产的硅基太阳电池中，效率最高的电池，目前规模化生产的商用电池效率在14%20%，曾经长期占领最大的市场份额；规模化生产的商用多晶硅电池的转换效率目前在13%15%，略低于单晶硅电池的水平。和单晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是生产成本也较单晶硅太阳电池低，具有节约能源，节省硅原料的特点，易达到工艺成本和效率的平

7、衡，目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电池。晶体硅类太阳电池在二十一世纪的前20年内仍将是居主导地位的光伏器件，并将不断向效率更高、成本更低的方向发展。（2）非晶硅薄膜电池（-Si） 薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其半导体层很薄，可大为节省电池材料，降低生产成本，因而是最有前景的新型太阳电池，已成为当今世界光伏技术研究开发的重点项目、热点课题。在薄膜类电池中非晶硅薄膜电池所占市场份额最大。其主要具有如下特点：a) 材料用量少，制造工艺简单，可连续大面积自动化批量生产，制造成本低；b) 制造过程消耗电力少，能量偿还时间短；c)

8、 基板种类可选择；d) 弱光效应好，温度系数低，发电量多；e) 售价低。目前约比晶体硅电池售价低1/31/2。薄膜类太阳电池中碲化镉、铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性，其规模化生产受到限制，目前仍在进一步研究中。 紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标，世界各国均在进行各种新型太阳电池的研究开发工作。目前，晶体硅高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳电池研究开发的两大热点和重点。已进行商业化应用的单晶太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟硒。 晶硅类电池中单晶硅电池和多晶硅电池最大的差别是单晶硅电池的光电转化效率略高于多晶硅电池，也就是相同

9、功率的电池组件，单晶硅电池组件的面积小于多晶硅电池组件的面积。两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，若仅考虑技术性能，在工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。晶硅类太阳电池由于产量充足、制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。 非晶硅薄膜太阳电池尽管有转化效率相对较低、占地面积较大、稳定性不佳等缺点，但随着技术和市场的发展，由于制造工艺相对简单、成本低、不需要高温过程、在弱光条件下性能好于晶硅类太阳电池等突出的优点，非晶硅薄膜电池所占的市场分额逐渐增加。(二)太阳能电池阵列设计 1、太阳能光伏组件选型 (1

10、)单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高，每瓦售价约36-40元。多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%-15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低，每瓦售价约34-36元。两种组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15%。 (2)根据性价比本方案推荐采用165WP太阳能光伏组件。 2、并网光伏系统效率计算并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。 (1)光伏阵列效率1：光伏阵列

11、在1000W/太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。 (2)逆变器转换效率2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率95%计算。(3)交流并网效率3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取变压器效率95%计算。(4)系统总效率为：总=123=85%95%95%=77%3、倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射

12、量才能进行发电量的计算。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：R=Ssin(+)/sin+D式中：R-倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量S-水平面上太阳直接辐射量D-散射辐射量-中午时分的太阳高度角-光伏阵列倾角根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式计算不同倾斜面的太阳辐射量，具体数据见下表：不同倾斜面各月的太阳辐射量(KWH/m2)从表5.5中可以得出各月太阳辐射变化趋势，当电池组件倾角为36时，全年日平均太阳总辐射量最大，并满足灰尘雨雪滑落要求及倾斜支架较好稳定性的角度范围，因此确定本工程电池方阵的最佳固定倾角为36。4、太阳能光

13、伏组件串并联方案太阳能光伏组件串联的组件数量Ns=560/23.50.5=24(块)，这里考虑温度变化系数，取太阳能电池组件18块串联，单列串联功率P=18165Wp=2970Wp;单台250KW逆变器需要配置太阳能电池组件串联的数量Np=297085列，1兆瓦太阳能光伏电伏阵列单元设计为340列支路并联，共计6120块太阳能电池组件，实际功率达到1009.8KWp。整个10兆瓦系统所需165Wp电池组件的数量M1=106120=61200(块)，实际功率达到10.098兆瓦。该工程光伏并网发电系统需要165Wp的多晶硅太阳能电池组件61200块，18块串联，3400列支路并联的阵列。5、太阳

14、能光伏阵列的布置(1)光伏电池组件阵列间距设计太阳能阵列必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，并通过计算确定阵列间的距离或太阳电池阵列与建筑物的距离。一般的确定原则是：冬至日当天早晨9:00 至下午15:00（真太阳时）的时间段内，太阳电池阵列不应被遮挡。计算公式如下：光伏阵列间距或可能遮挡物与阵列底边的垂直距离应不小于D：D= cosAH / tan sin- 1(sinsind+coscosd cosh) 式中：D遮挡物与阵列的间距，m；H遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差，m； 当地纬度，deg；A太阳方位角，deg；d太阳赤纬角，deg；h时角，deg。经计算可得： 本工程多晶硅电池阵列行间

15、最小距离为4.77m。由于地形坡度的影响，每两个太阳电池组件单元之间留出1.5m的空间，既可作为纵向交通使用，又可使两个太阳电池组件单元相互之间不产生影响。(2)太阳能光伏组件阵列单列排列面布置见下图：(2) (三)直流配电柜设计(3) 每台直流配电柜按照250KWp的直流配电单元进行设计，1兆瓦光伏并网单元需要4台直流配电柜。每个直流配电单元可接入10路光伏方阵防雷汇流箱，10兆瓦光伏并网系统共需配置40台直流配电柜。每台直流配电柜分别接入1台250KW逆变器，如下图所示：直流配电柜(4) 1、性能特点(5) 选用光伏并网逆变器采用32位专用DSP(LF2407A)控制芯片，主电路采用智能功

16、率IPM模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。该并网逆变器的主要技术性能特点如下：(6) (1)采用32位DSP芯片进行控制;(7) (2)采用智能功率模块(IPM);(8) (3)太阳电池组件最大功率跟踪技术(MPPT);(9) (4)50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔离;(10) (5)具有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关，紧急停机操作开关。(11) (6)有先进的孤岛效应检测方案;(12) (7)有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能;(13)

17、(8)直流输入电压范围(450V880V)，整机效率高达94%;(14) (9)人性化的LCD液晶界面，通过按键操作，液晶显示屏(LCD)可清晰显示实时各项运行数据，实时故障数据，历史故障数据(大于50条)，总发电量数据，历史发电量(按月、按年查询)数据。(15) (10)逆变器支持按照群控模式运行，并具有完善的监控功能;(16) (11)可提供包括RS485或Ethernet(以太网)远程通讯接口。其中RS485遵循Modbus通讯协议;Ethernet(以太网)接口支持TCP/IP协议，支持动态(DHCP)或静态获取IP地址;(17) (12)逆变器具有CE认证资质部门出具的CE安全证书。

18、2、电路结构(18) 250KW并网逆变器主电路的拓扑结构如上图所示，并网逆变电源通过三相半桥变换器，将光伏阵列的直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧加入了先进的MPPT算法。(五)交流防雷配电柜设计(19) 按照2个250KWp的并网单元配置1台交流防雷配电柜进行设计，即每台交流配电柜可接入2台250KW逆变器的交流防雷配电及计量装置，系统共需配置20台交流防雷配电柜。(20) 每台逆变器的交流输出接入交流配电柜，经交流断路器接入升压变压器的0.4KV侧，并配有逆变器的发电计量表。每台

19、交流配电柜装有交流电网电压表和输出电流表，可以直观地显示电网侧电压及发电电流。(六)交流升压变压器(21) 并网逆变器输出为三相0.4KV电压，考虑到当地电网情况，需要采用35KV电压并网。由于低压侧电流大，考虑线路的综合排部，选用5台S9系列(0.4)KV/(35-38.5)KV，额定容量2500KVA升压变压器分支路升压，变压器技术参数如下：(22) 表：变压器技术参数表(七)系统组成方案原理框图(八)系统接入电网设计本系统由10个1兆瓦的光伏单元组成，总装机10兆瓦，太阳能光伏并网发电系统接入35KV/50Hz的中压交流电网，按照2兆瓦并网单元配置1套35KV/0.4KV的变压及配电系统

20、进行设计，即系统需要配置5套35KV/0.4KV的变压及配电系统。每套35KV中压交流电网接入方案描述如下：1、 系统概述 10兆瓦的太阳能光伏并网发电系统，推荐采用分块发电、集中并网方案，将系统分成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。本系统按照10个1兆瓦的光伏并网发电单元进行设计，并且每个1兆瓦发电单元采用4台250KW并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵防雷汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏并网逆

21、变器和交流防雷配电柜并入0.4KV/35KV变压配电装置。2、重要单元的选择(1)35KV/0.4KV配电变压器的保护35KV/0.4KV配电变压器的保护配置采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护配电变压器。系统中采用的负荷开关，通常为具有接通、隔断和接地功能的三工位负荷开关。变压器馈线间隔还增加高遮断容量后备式限流熔断器来提供保护。这是一种简单、可靠而又经济的配电方式。由于光伏并网发电系统的造价昂贵，在发生线路故障时，要求线路切断时间短，以保护设备。高遮断容量后备式限流熔断器的选择(2)熔断器的特

22、性要求具有精确的时间-电流特性(可提供精确的始熔曲线和熔断曲线);有良好的抗老化能力;达到熔断值时能够快速熔断;要有良好的切断故障电流能力，可有效切断故障电流。根据以上特性，可以把该熔断器作为线路保护，和并网逆变器以及整个光伏并网系统的保护使用，并通过选择合适的熔丝曲线和配合，实现上级熔断器与下级熔断器及熔断器与变电站保护之间的配合。对于35kV线路保护，3-110kV电网继电保护装置运行整定规程要求：除极少数有稳定问题的线路外，线路保护动作时间以保护电力设备的安全和满足规程要求的选择性为主要依据，不必要求速动保护快速切除故障。通过选用性能优良的熔断器，能够大大提高线路在故障时的反应速度，降低

23、事故跳闸率，更好地保护整个光伏并网发电系统。(3)中压防雷保护单元该中压防雷保护单元选用复合式过电压保护器，可有效限制大气过电压及各种真空断路器引起的操作过电压，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用。该复合式过电压保护器不但能保护截流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压，而且能保护雷电过电压。过电压保护器采用硅橡胶复合外套整体模压一次成形，外形美观，引出线采用硅橡胶高压电缆，除四个线鼻子为裸导体外，其他部分被绝缘体封闭，故用户在安装时，无需考虑它的相间距离和对地距离。该产品可直接安装在高压开关柜的底盘或互感器室内。安装时，只需将标有接地符号单元的电缆接地外，其余分别接A、B、C三

24、相即可。设置自控接入装置对消除谐振过电压也具有一定作用。当谐振过电压幅值高至危害电气设备时，该防雷模块接入电网，电容器增大主回路电容，有利于破坏谐振条件，电阻阻尼震荡，有利于降低谐振过电压幅值。所以可以在高次谐波含量较高的电网中工作，适应的电网运行环境更广。另外，该防雷单元可增设自动控制设备，如放电记录器，清晰掌控工作动作状况。可以配置自动脱离装置，当设备过压或处于故障时，脱离开电网，确保正常运行。(4)中压电能计量表中压电能计量表是真正反应整个光伏并网发电系统发电量的计量装置，其准确度和稳定性十分重要。采用性能优良的高精度电能计量表至关重要。为保证发电数据的安全，建议在高压计量回路同时装一块

25、机械式计量表，作为IC式电能表的备用或参考。该电表不仅要有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。同时，该电表还可以提供灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显示损耗(ZV)、状态信息、警报、参数等。此外，显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改。通过光电通讯口，还可以处理报警信号，读取电表数据和参数。3、监控装置系统采用高性能工业控制PC机作为系统的监控主机，可以每天24小时不间断对所有的并网逆变器进行运行数据的监测。光伏并网系统的监测软件使用本公司开发的大型光伏并网系统专用网络版监测软件SPS-PVNET(Ver2.0)。该软件可连续记录运行数据和故障数据：(1)要求

26、提供多机通讯软件，采用RS485或Ethernet(以太网)远程通讯方式，实时采集电站设备运行状态及工作参数并上传到监控主机。(2)要求监控主机至少可以显示下列信息：可实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图。可查看每台逆变器的运行参数，主要包括：A、直流电压B、直流电流C、直流功率D、交流电压E、交流电流F、逆变器机内温度G、时钟H、频率I、功率因数J、当前发电功率K、日发电量L、累计发电量M、累计CO2减排量N、每天发电功率曲线图监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少因

27、包括以下内容：A、电网电压过高;B、电网电压过低;C、电网频率过高;D、电网频率过低;E、直流电压过高;F、直流电压过低;G、逆变器过载;H、逆变器过热;I、逆变器短路;J、散热器过热;K、逆变器孤岛;L、DSP故障;M、通讯失败;(3)要求监控软件集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外温度、室内温度和电池板温度等参量。(4)要求最短每隔5分钟存储一次电站所有运行数据，包括环境数据。故障数据需要实时存储。(5)要求至少可以连续存储20年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。(6)要求至少提供中文和英文两种语言版本。(7)要求可以长期24小时不间断运行在中文WINDOWS200

28、0，XP操作系统(8)要求使用高可靠性工业PC作为监控主机(9)要求提供多种远端故障报警方式，至少包括：SMS(短信)方式，E_MAIL方式，FAX方式。(10)监控器在电网需要停电的时候应能接收电网的调度指令。4、环境监测装置在太阳能光伏发电场内配置1套环境监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成。可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。5、系统防雷接地装置为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，

29、系统的防雷接地装置必不可少。(1)地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖12米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。(2)直流侧防雷措施：电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。(3)交流侧防雷措施：每台逆变器的交流输出经交流防雷柜(内含防雷保护装置)接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好

30、的接地。每个1MW并网单元可另配备一套群控器(选配件)，其功能如下：(1)群控功能的解释：这种网络拓朴结构和控制方式适合大功率光伏阵列在多台逆变器公用可分断直流母线时使用，可以有效增加系统的总发电效率。(2)当太阳升起时，群控器控制所有的群控用直流接触器KM1KM3闭合，并指定一台逆变器INV1首先工作，而其他逆变器处于待机状态。随着光伏阵列输出能量的不断增大，当INV1的功率达到80%以上时，控制直流接触器KM2断开，同时控制INV3进行工作。随着日照继续增大，将按上述顺序依次投入逆变器运行;太阳落山时，则按相反顺序依次断开逆变器。从而最大限度地减少每台逆变器在低负载、低效率状态下的运行时间

31、，提高系统的整体发电效率。(3)群控器可以通过RS485总线获取各个逆变器的运行参数、故障状态和发电参数，以作出运行方式判断。(4)群控器同时提供友好的人机界面。用户可以直接通过LCD和按键实现运行参数察看、运行模式设定等功能。(5)用户可以通过手动方式解除群控运行模式。(6)群控器支持至少20台逆变器按照群控模式并联运行。 (四)太阳能光伏并网逆变器的选择此太阳能光伏并网发电系统设计为10个1兆瓦的光伏并网发电单元，每个并网发电单元需要4台功率为250KW的逆变器，整个系统配置40台此种型号的光伏并网逆变器，组成10兆瓦并网发电系统。选用性能可靠、效率高、可进行多机并联的逆变设备，本方案选用额定容量为250KW的逆变器。专心-专注-专业