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1、太阳能光伏并网发电项目设计方案太阳能光伏并网发电项目设计方案时间:2013-07-11 10:22 来源:未知 作者:黄亮 点击: 次摘 要：以中节能锡铁山二期 20 MWp 并网光伏电站项目为例，分析了目前国内光伏并网发电项目中的主要设计方案，并结合实际工程条件、施工条件、可操作性、经济性等进行了研究和比较得出了合理的设计方案。 摘 要：以中节能锡铁山二期 20 MWp 并网光伏电站项目为例，分析了目前国内光伏并网发电项目中的主要设计方案，并结合实际工程条件、施工条件、可操作性、经济性等进行了研究和比较得出了合理的设计方案。关键词：光伏并网发电,光伏组件,逆变器,固定支架,跟踪支架,最佳倾角
2、1 光伏并网发电光伏发电技术的发展已经有了几十年的历史，且发展迅速，目前是一种较为成熟、可靠的技术，并逐渐从过去用于独立的系统，朝大规模并网方向发展。光伏并网发电标志着光伏发电由边远地区离网和特殊应用向电网电源发展、由补充能源向替代能源转变、人类社会开始建设可持续发展的能源体系。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到 2020 年累计装机将达到 30 GWp;2050 年将达到100 GWp。随着光伏电池技术的进步，其发电成本将会进一步降低，并能够和常规的化石能源发电技术相竞争1。2 项目背景项目名称：中节能锡铁山二期 20 MWp 并网光伏电站项目。项目建设工期：2011 年
3、 7 月至 2011 年 9 月。项目建设规模为 20 MWp，其中 18 MWp 是固定支架安装阵列，2 MWp 是单轴跟踪支架阵列。项目地处内陆荒漠，高海拔，空气稀薄，洁净、透明度好，云雨稀少，日照时间长。年平均日照时数达 3 100 h 以上。当地 2000 年至 3 主要设计方案3.1 多晶硅太阳能电池组件3.2 光伏阵列最佳倾角方阵倾角选为 37最为合适，使得全年范围内倾斜面上的总辐射量最高，达 2238 kWh/(m2a)。3.3 太阳电池方阵间距光伏阵列间距垂直距离应不小于 D 值。使用软件可以模拟太阳照射，在不同阵列间距下产生阴影遮挡的时间。固定安装组件排布方式以 40 块组件
4、为 1 个单元， 组件竖向双排布置。阵列前后排间距 D 为 8 600 mm。3.4 逆变器逆变器选用单台功率为 500 kW 大功率逆变器。工作方式采用各自独立并网。逆变器与输电网的连接通过升压变压器完成，逆变器自身不带变压器，逆变后直接通过升压变压器完成升压和隔离的功能。逆变器主要功能，采用 MPPT 技术，具有极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、交流过流及直流过流保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠压、电网过欠频、低电压穿越等保护功能。3.5 接线原则光伏组件采用串联升压、并联汇流、二级汇流、就地逆变、就地升压的接线原则。3.6 汇流箱带监控功能，监控各串联回路电流，及时发现故
5、障并检修和更换。一级汇流箱主要采用 16 汇 1 的形式设计。3.7 电气主接线方案采用国内较先进的组阵方案。将固定倾角安装的多晶硅光伏电池组件按每 1 MWp 为 1 个光伏并网发电矩阵，每 20 个多晶硅光伏电池组件 1 串，组成 1 个小的发电单元，再按照 16 进 1 方式和 15 进 1 方式，分别进入 75.2 kWp 的汇流箱和 70.5 kWp 的汇流箱，由各个汇流箱进行第一级回流后，再经直流汇流柜，进行第二级集中汇流后，分别由 2 个 500 kWp 的逆变器交流逆变后送入 1 250 kVA 的箱变低压侧，经箱变升压至 10 kV 后，按每 5 MWp 容量一环的环接方式，
6、接至厂内 10 kV 母线段。3.8 高压开关高压环网柜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。3.9 箱式变压器采用全密封油浸式分裂变压器。容量 1 250 kVA，型号 S9M-1250/10，1250/625-625 kVA;10.52*2.5%/0.27/0.27 kV，联结组别为 D,y11，y11。3.10 电缆电池组串连至汇流箱的直流电缆选用 pfG 1169 PV1-F 1x4 mm2 光伏专用电缆，正负极分开，单拼敷设;汇流箱至直流配电柜的直流电缆选用 YJV22-1.0 2*50 型及 YJV22-1.0 2*25 型，单拼设;逆变器至 1250 kVA 升
7、压变压器的交流电缆选用三芯电缆 YJV22-1.0-3*150，6 拼敷设。3.11 光伏阵列防雷接地光伏阵列区防雷与接地，采用发电单元外轮廓的铝合金外框作为防止直击雷过电压保护接伞器，发电单元的铝合金外框与其钢支架可靠连接后,通过 60X8 的热镀锌扁钢，与地下的主接地网相连，组成 1 个立体的防雷体系，此外各个设备均与主接地网做到可靠连接。3.12 组件支架基础和结构固定阵列太阳能电池组支架采用钻孔灌注桩地基处理，桩径取用 300mm。单轴跟踪太阳能电池组支架采用天然地基。固定支架采用前后支墩式全铰接钢结构框架，设置纵向柱间中心支撑和横梁下部偏心支撑。柱间距 1.5 m，纵向间距 3.3
8、m。4 主要设计方案分析4.1 太阳能电池组件分析目前市场占有率和性价比较高的是多晶硅太阳能电池组件。组件的功率选择应考虑产品成熟功率较大的组件，可以减少组件数量，使组件间连接点少，故障几率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗也会降低。4.2 光伏阵列最佳倾角设计一般取当地纬度或当地纬度加上几度做为当地太阳能电池组件安装的倾角。当然如果采用计算机辅助设计软件，可以进行太阳能电池倾斜角的优化计算，使两者能够兼顾就更好，这对于高纬度地区尤为重要2。选择的最佳倾角，应使组件倾斜面上收到的全年太阳辐射量最大，使光伏并网发电系统全年获得最大发电量。4.3 光伏阵列间距设计光伏阵列前后排之间必须保持
9、一定距离，以免前排阵列挡住后排阵列的阳光。因此需要确定前后排方针之间的最小距离本工程地处北半球，最小间距确定原则是，冬至日的正常发电时间内，后排的阵列不应被前排阵列遮挡。4.4 逆变器选择选择 500 kW 级逆变器并机方案主要原因是简化系统接线，同时大功率逆变器效率较高，利于降低运行损耗、提升光伏电场整体效率。500 kW 级逆变器，可成对并机为 1 MW 单元，配定制的低压侧带分裂绕组的 1 MVA 箱式变压器，组成 1 MW 光伏逆变升压单元。逆变器 MPPT 技术是在光照和温度等外界条件发生变化时，系统通过控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，从而保
10、证光伏阵列始终保持最大功率输出3。大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越功能;电力系统发生不同类型故障时，若光伏电站并网点考核电压全部在电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站应保证不间断并网运行，否则光伏电站停止向电网线路送电4。光伏电站的低电压穿越能力需要由逆变器实现。4.5 接线方式分析按照：20 个组件为 1 个串联回路，16 个串联回路并联共 6 路，另 15 个串联回路并联共 1 路，组件串联总数为 111 串，阵列容量为 521.7 kWp。本工程按 1 MWp 光伏阵列进行分区，每个分区集中逆变升压，设置 2 台 500 kW 逆变器。每个分区按照达到 1 MWp 总功率的最优值布置
11、 14 个一级汇流箱。分区阵列总功率为 1.0434 MWp。1 MWp 分区组件安装总功率的设计应该考虑建设初期投资和不同气候条件下的实际发电功率，并结合逆变器额定输出功率和最大输出功率进行计算。根据实际运行经验，在阴天气候条件下，1 MWp 分区远不能达到额定功率输出;而在气候条件最佳的时候，满发的情况在一年当中寥寥无，即使满发时间也很短暂。如果分区组件配置数量过多必定会导致建设初期投资增加，而实际发电量总体不会有显著增加。4.6 设备布置分析汇流箱居中布置，逆变器和变压器居中布置于阵列中间位置以减少电缆的长度，降低线损。逆变站和箱变须对其南、北面及左侧的太阳电池组件在正常发电时间内不产生
12、阴影遮挡4.7 发电量分析发电量计算可以利用 RETScreen 软件，建立工程信息由软件自动计算生成。也可以采用理论公式进行计算。根据本项目软件计算值和理论计算值对比，偏差小于 0.25%，最终采纳软件计算值。年上网电量实际受多方面因素影响，其中的效率计算要考虑组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、电缆传输损失、逆变器效率、升压变压器的效率等。理论总利用率一般在 76%82%。由于多晶硅电池组件 25 a 后衰减率为 20%，取 25 a 内加权平均值，估算每年衰减率为 0.8%。可以计算出 25 a 的上网电量估算值，得出每年的平均上网电量估算值。4.8 电气
13、设备选择分析电气设备应满足所在环境条件下的正常运行，应充分考虑到高海拔、高、低温对逆变器的影响，满足连续运行实现满功率发电。箱变一般采用欧式箱变或美式箱变，美式箱变的优点是体积小占地面积小、便于安放价格比欧式箱变便宜。欧式项目变体积大，可以设置配电自动化，价格高于美式箱变。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。熔断器的特性要求具有精确的时间-电流特性;有良好的抗老化能力;达到熔断值时能够快速熔断;具有良好的切断故障电流能力，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
14、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。4.9 光伏阵列防雷接地分析汇流箱的每路输入配有光伏专用高压防雷器，具备防雷功能，具有高直流耐压值，可承受的直流电压值不小于 1 000 Vdc。目前国内光伏电站普遍采用利用光伏电池组件自身铝合金外框做接闪器，再将接闪器与光伏组件支架可靠连接，最后与主接地网连接组成的立体网防雷保护。但此种方案不能保证在雷击生时，巡检人员的人身安全，同时也与光伏组件的自身绝缘有关。采用避雷针或避雷线虽是目前防治直击雷过电压保护的成熟方案，但对于太阳能光伏电站而言，由于光伏阵列面积较大，需用避雷针数量较多，高度较高，在晴好天气会对光伏阵列造成遮挡，影
15、响发电量;故太阳能光伏电站可以将雨天禁止人员进入光伏阵列写入运行规程中，以避免发生雷击时对误入光伏阵列的人员造成人身伤害。4.10 固定阵列太阳能电池组件支架基础和结构分析目前支架基础主要有钢筋混凝土独立基础、预制桩(或小直径 300 mm 钻孔灌注桩)基础和螺旋桩。支架结构主要有：檩条采用冷弯薄壁卷边 Z 型钢，支撑和横梁均采用角钢，并设置横向水平支撑维护上部结构稳定性;采用前后支墩式全铰接钢结构框架，并在前后柱列分别布置刚性中心支撑，在横向柱间布置人字型支撑;将横梁延长并加高前排支墩，使低端直接支承在支墩上;将纵向柱距拉大，并设置纵向柱间中心支撑和横梁下部偏心支撑;以 1 MW 光伏阵列的
16、支架系统为例，各种方案的经济比较见表 4。结合本工程的实际情况，从保护环境、可操作性、经济性、施工难易程度等诸多方面考虑，采用单列柱型式作为光伏组件的支撑体系，钢筋混凝土独立基础。目前也有采用钻孔灌注桩和螺旋桩两种方式，这两种基础的优点在于避免大面积开挖回填等土方工程，施工快捷方便、大幅缩短施工周期，造价低。但是螺旋桩在单桩承载力、上部支架连接的可靠性和防腐蚀性上存在隐患。5 结语：对太阳能光伏并网发电项目设计方案的总结：a)单晶硅太阳能电池光电转化效率高于多晶硅，但价格比多晶硅太阳能电池高 10%左右。随着单晶硅的技术发展和普及，设计中可以逐步采用单晶硅太阳能电池取代多晶硅太阳能电池;b)单轴跟踪、双轴跟踪与固定倾角安装相比，发电量可再提高约 20%和40%，同时也产生了跟踪轴旋转机械的用电及维护等需求。而沙尘暴和大风天气会影响跟踪轴的正常运行，导致机械故障频繁。跟踪方式安装数量目前远低于固定倾角安装方式，但随着跟踪技术的发展和缺陷的完善，设计中应多采用跟踪方式;c)设计中应结合当地岩土工程条件、施工难易程度、可操作性、经济性等，采用钢结构支架体系和钢筋混
