光伏建筑电气设计说明

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1、太阳能光伏建筑一体化电气设计及用电规划 中国建筑设计研究院集团中国建筑设计咨询公司光伏事业部 陈子平2011 5 25 目录 1 光伏建筑电气设计 1 光伏建筑电气设计 光伏发电系统 光伏系统是一个发电系统 它的分类如下 独立光伏发电系统 并网光伏发电系统 农村电气化 村落电站 户用电源 光伏水泵等 通信和工业应用 通信 铁路 气象 阴极保护 航标等 光伏产品 太阳能路灯 草坪灯 交通信号灯 电筒等 与建筑结合的光伏发电系统 BIPV和BAPV 大型地面光伏电站 LS PV 无论哪种光伏系统都要进行电气系统设计 而不同的光伏系统 电气设计是不同的 我们今天主要讨论的是 1 光伏建筑电气设计 1

2、 1建筑光伏系统电气设计概述 框图 1 光伏建筑电气设计 光伏系统分界面 1 1建筑光伏系统电气设计概述 1 光伏建筑电气设计 系统构成 直流部分 交流部分 智能监测 太阳能电池板 直流汇流箱 直流配电柜 逆变器 交流配电柜 升压变压器 并网点在高压侧时需要 基本参数监测 环境参数监测 数据传输显示 特点 与原建筑配电是反向的 1 1建筑光伏系统电气设计概述 1 光伏建筑电气设计 关于并网 1 1建筑光伏系统电气设计概述 1 光伏建筑电气设计 用户侧并网的光伏系统一般在低压侧 400 230V 并入电网 对于计量点在中压电网 10kV 35kV 的直供电用户 光伏系统也可以在中压电网并网 建筑

3、光伏系统一般为用户侧并网 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 逆变器类型根据工作方式来分 并网逆变器和不并网逆变器根据逆变器的内部结构 带隔离变压器的逆变器 低频工频变压器 高频变压器 和不带变压器的逆变器根据接入的光伏系统的不同来分 组串逆变器 集中逆变器 建筑光伏多用并网逆变器 下面按 逆变器的内部结构 和 接入的光伏系统的不同 分别论述 无隔离变压器并网逆变器 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 优点 省去了笨重的工频变压器 很高的效率 97 重量轻 结构简单 缺点 1 太阳电池板与电网没有电气隔离 太阳电池板两极有电网电压 对人身安全不利 2 影响电网质量 直流易传入交流侧

4、 使电网直流分量过大 工频隔离变压器并网逆变器 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 优点 使用工频变压器进行电压变换和电气隔离 具有以下优点 结构简单 抗冲击性能好 最重要的是安全性高 缺点 1 系统效率相对较无变压器低 为95 左右 2 笨重 高频隔离变压器并网逆变器 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 优点 同时具有电气隔离和重量轻的优点 模块化 系统效率在 95 左右 缺点 1 由于隔离DC AC DC的功率等级一般较小 所以这种拓朴结构集中在5KW以下 2 高频DC AC DC的工作频率较高 一般为几十KHz 或更高 系统的EMC比较难设计 1 光伏建筑电气设计 组串并网逆

5、变器 1 2逆变器的选配 光伏系统被分解成几个并联的组串 每个组串被连接到一个特定的逆变器 我们称为 组串逆变器 每一个组串的组串逆变器都有单独的最大功率峰值跟踪 通过降低因不匹配和局部阴影而引起的损失 来增加能量的产出 这些电气特性降低了系统的成本同时增加了系统的可靠性 组串逆变器是以模块化的概念为基础的 光伏组串阵列连接到合适功率的逆变器上 通过并联的方式与电网相连 1 光伏建筑电气设计 集中并网逆变器 1 2逆变器的选配 在这种拓扑结构中 光伏系统是由许多并联的光伏组串构成 它们在直流侧连接到一个集中逆变器 这些逆变器的特性是高效率和最低的成本 但是 光伏系统的能量产出会受光伏模块的不匹

6、配和局部阴影的影响而降低 此外 系统的可靠性会受到限制 因为能量的产出依赖于一个部件 集中逆变器的失效会导致整个光伏系统停止运行 集中逆变器比较适合大的地面电站 当然大的建筑屋顶 例如火车站 厂房等 朝向和受光都一样 也可选用集中式并网逆变器 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 根据逆变器的MPPT特性 选配逆变器时需注意 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 不同种类电池电流不同 非晶硅组件电气参数 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 不同种类电池电流不同 多晶硅组件电气参数 建筑各面接收到的

7、太阳辐射不同 电池板产生电流不同 故有不同的发电效率 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 逆变器为了达到最大发电效率都具有最大功率点跟踪 MPPT 功能 从上几页我们看到 不同种类的电池输出功率不同 同种电池 安装在建筑不同位置的阵列 由于受光不同 输出功率也不同 因此选配逆变器时一定要根据这些特点选配 即相同电池板 相同串并联连接 安装在同一建筑面 选择一台功率相配的逆变器 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 例如 我们做的河北汉盛办公楼 屋顶安装21 6kWp 南立面19kWp 西立面9 5kWp 逆变器不能配1台50kW的 要分别配置

8、 屋顶和南立面各配1台20kW 西立面配1台10kW 关于逆变器效率 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 目前有些逆变器厂家生产的逆变器是模块化的 并具有控制策略 早上 在光伏发电功率小时只投入1 2个模块工作 随着发电功率增大 逐间增加工作的模块 到中午发电功率最大时投入全部模块 到傍晚则是反过程 随着发电功率减小 工作模块逐一退出 这样可获得逆变器最大效率 同时 控制策略还可控制 最早进入工作的模块是循环的 即让每个模块的工作时间基本均等 1 光伏建筑电气设计 1 2逆变器的选配 1 光伏建筑电气设计 逆变器选配小结 为了安全 尽量选带隔离变压器的逆变器 如是小功率逆变器 5kW以下

9、 可选用带高频隔离变压器的逆变器 因为逆变器具有的MPPT功能 为了得到最大发电效率 按不同电池板 不同建筑面安装分别配置逆变器 如财力允许 可选择模块化结构 具有分模块进入退出控制功能的逆变器 1 2逆变器的选配 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 按照建设部 建筑工程设计文件编制深度规定 到施工图深度 电气设计包括 图纸包括 光伏电气系统 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 光伏电池排列及连线 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 汇流箱 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 直流配电 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 交流配电 1 光伏建筑电气设计 1 3电气

10、设计深化 配件部件深化可在系统图里提配电要求 电缆 保护器 防雷器等参数 与厂家配合 光伏发电系统的防雷接地设计 1 雷击的危害直击雷 雷电放电主通道通过被保护物 就称被保护物被直击雷击中 感应雷 雷电放电主通道没有经过被保护物 但放电过程中产生强大的瞬变电磁场在附近的导体中感应到电磁脉冲 称为LEMP 即感应雷 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 1 静电感应 在雷云中电荷积聚时 就近的导体会感应相反的电荷 当雷击放电时 雷云中电荷迅速释放 而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释放通道 就会在电路中形成LEMP 见下图 a 2 电磁感应 在雷云放电时 迅速变化的雷电流

11、在其周围产生强大的瞬变电磁场 附近的导体中就会产生很高的感生电动势 在电路中形成LEMP 见下图 b LEMP可通过两种不同的感应方式侵入导体 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 LEMP沿导体传播 损坏电路中的设备或设备中的器件 光伏发电系统中电缆多 线路长 给LEMP的产生 耦合和传播提供了良好环境 而光伏发电系统设备随着科技的发展 智能化程度越来越高 低压电路和集成电路也用得很普遍 抗过电压能力越来越差 极易受LEMP的袭击 并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件 所以更不能掉以轻心 由于LEMP可以来自云中放电 也可以来自对地雷击 而光伏发电系统与外界连接有各种长距离电缆可在更

12、大范围内产生LEMP 并沿电缆传入机房和设备 所以防感应雷是光伏发电系统防雷的重点 2 光伏发电系统的防雷措施A 直击雷的保护一般宜采用抑制型或屏蔽型的直击雷保护措施 如避雷带 避雷网和避雷针等 以减小直击雷击中的概率 并尽量采用多根均匀布置的引下线 因为多根引下线的分流作用可降低引下线沿线压降 减少侧击的危险 并使引下线泻流产生的磁场强度减小 引下线的均匀布置可使引下线泻流产生的电磁场在建筑物内空间内部部分抵消 以抑制LEMP的产生强度 接地体宜采用环型地网 引下线宜连接在环型地网的四周 这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 B 感应雷的保护静电感

13、应产生的LEMP一般通过电力电缆和通信电缆的金属外皮和天馈线侵入系统 所以对于进出电缆防雷防护的主要措施是 一是进出电缆必须带金属屏蔽层 且应埋地进出建筑物 并在进出户外电缆金属外屏蔽层与联合接地体作等电位联结 二是在电源上逐级加装避雷器 实行多级防护 使LEMP在经过多级泄流后的残压小于电站设备的耐压值 三是在建筑物内的设备综合布线保护管宜采用金属管 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 2 光伏发电系统的防雷措施 系统实际发电量 理论发电量x系统效率x系统无故障率系统效率是实际无故障发电量和基于实际光照的理论发电量的比值 这个值反映了系统方案是否合理 如防遮挡 散热 阵列配置等 所选设

14、备技术是否先进 如电池板 逆变器 布线 电气连接等施工过程是否认真仔细 系统的损失是每个部分损失的累积 只有每个环节都认真把握 才可保证高的系统效率 系统无故障率即系统可靠性 代表电站的连续运行水平 是电站实际发电量和无故障发电量的比值 这个值反映各系统部件 汇流箱 配电柜 逆变器等 的质量和电网的可靠性 也反映施工质量 如果部件质量差 三天两头出问题 是很影响系统发电量的 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 例 以武威100kWp固定37 倾角安装为例 发电量统计时间间隔 2009 5 19 2010 5 18 平均日峰值瓦时5 2H 无故障日平均发电量为418kWH 全年所有无故障发

15、电量418x365 152635 7kWH 实际光照理论发电量 100kWx5 2Hx365 189800kWH系统效率 152635 7kWH 189800kWH x100 80 全年实际发电量141599kWH 无故障发电量152635 7 系统无故障率 141599 152635 7 x100 92 7 系统实际发电量是理论发电量的74 5 141599 189800或80 41 92 7 在做光伏电气系统设计时一定要认真对待这两个指标 1 光伏建筑电气设计 1 3电气设计深化 2 用电规划 建设部 关于组织实施太阳能光电建筑应用一体化示范的通知 中 示范项目应优先考虑采用用户侧并网方式

16、 实现自发自用 具备条件地区应加快推广微电网共网技术示范 完善相关技术标准和管理制度 提高光伏发电对现有电网条件的适应能力 财政部 关于实施金太阳示范工程的通知 中 用户侧并网的光伏发电项目所发电量原则上自发自用 富余电量及并入公共电网的大型光伏发电项目所发电量均按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价全额收购 2 用电规划 2 1原则自发自用 每日办公楼耗电曲线和太阳能光伏发电曲线的对比 Solarelectricityproductionandelectricitydemandofanofficebuildingmatchperfectly 2 用电规划 2 1原则自发自用 电力消耗与太阳能的对应关系 Source BSW Solar MeteocontrolGmbH 峰值电价格高达1 5 kWh约15RMB kWh 德国Leipzig贸易博览会不同时段电价27thJuly2006 2 用电规划 2 1原则自发自用 2 用电规划 2 1原则自发自用 部分省区电网销售电价 44 国外应用 2 用电规划 2 1原则自发自用 德国并网光伏发电项目 45 柏林火车站200KWpBIPV项目