周承璽

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 建設(shè)部，遼寧 沈陽 110004)

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太陽能光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

周承璽

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 建設(shè)部，遼寧 沈陽 110004)

為確保光伏系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行，不影響光伏發(fā)電實(shí)際效果，以45 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計為例，對其系統(tǒng)各個組成部件進(jìn)行設(shè)計，同時對系統(tǒng)光伏組件、逆變器、匯流箱等重要組成部件進(jìn)行了優(yōu)化的選型合理匹配。通過系統(tǒng)25年的發(fā)電量計算，分析出整套系統(tǒng)所帶來的節(jié)能減排效應(yīng)及其經(jīng)濟(jì)效益。

智能光伏；并網(wǎng)系統(tǒng)；節(jié)能

人類社會進(jìn)入了21世紀(jì)，正面臨化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重的局面。廉價的石油時代已經(jīng)結(jié)束，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展道路已逐漸成為人們共識。光伏發(fā)電系統(tǒng)不同于一般機(jī)電產(chǎn)品，必須根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)貧庀蟆⒌乩項l件來決定系統(tǒng)的配置。為降低光伏發(fā)電成本，應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，來使其可靠性和經(jīng)濟(jì)性密切結(jié)合，最大限度地發(fā)揮光伏電源的作用。以45 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)方案為例，對系統(tǒng)進(jìn)行合理的方案設(shè)計，并預(yù)測未來25年中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能減排效應(yīng)及其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)主要部件

45 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件包括太陽能光伏電池組件及其安裝支架、電纜、相對應(yīng)的一些防護(hù)材料、防雷匯流箱、逆變器、系統(tǒng)的防雷保護(hù)措施和接地裝置等。

2 總體方案設(shè)計

2.1 組件選擇

選用250 W多晶硅電池組件180塊，電池板的工作電壓為29.5 V，開路電壓為37 V，連接方式為20塊/串。根據(jù)50 kW并網(wǎng)逆變器的工作范圍(470 V～850 V)，每20塊串聯(lián)接入逆變柜。根據(jù)裝機(jī)容量計算，共計9組組串并聯(lián)。并網(wǎng)逆變器輸出的交流電直接接入0.4 kV電網(wǎng)給負(fù)載用電。

系統(tǒng)內(nèi)安裝防雷匯流箱，分段逐級對光伏組件陣列進(jìn)行連接，并合理布置光伏電池組件與逆變器的連接線，以便日后維護(hù)與保養(yǎng)。

如圖1所示，當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)出的電量大于負(fù)載所需的電能，同時系統(tǒng)沒有配備儲能裝置時，余付的電量流向市電電網(wǎng)，避免光伏發(fā)電的浪費(fèi)，使太陽能發(fā)電得到充分利用；當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能不能滿足用戶負(fù)載要求時，市電補(bǔ)充進(jìn)來，完成負(fù)載用電需求。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

2.2 屋頂組件安裝結(jié)構(gòu)件設(shè)計

該系統(tǒng)安裝在平面屋頂結(jié)構(gòu)上，光伏支架結(jié)構(gòu)形式采用最佳傾角形式，如圖2所示。光伏組件排列時，預(yù)留安裝維修通道4.5 m，太陽能電池板距離屋面0.5 m高。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為了保證屋面負(fù)載的穩(wěn)定性及安全性，屋面均勻分布負(fù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值不小于2.0 kN/m2。

圖2 支架結(jié)構(gòu)

安裝準(zhǔn)備工作完成后，將水泥基礎(chǔ)墩按照施工圖排列，然后依次安裝軌道、PV組件、壓塊等,如圖3所示。安裝周期短，結(jié)構(gòu)簡單，只用一把扳手，就可以完成整個安裝過程。

2.3 光伏陣列匯流箱的設(shè)計

針對總體設(shè)計中逆變器和光伏組件的選擇，匯流箱的每路均有電流檢測，選用兩臺5進(jìn)1出匯流箱，并具備IP65的防護(hù)等級，滿足系統(tǒng)室外安裝條件；直流匯流輸出正極對地、負(fù)極對地、正負(fù)極之間配有光伏專用防雷器，同時輸入端配有防反充保護(hù)，電氣原理如圖4所示。

圖3 匯流箱支架

圖4 光伏陣列匯流箱配置

2.4 電纜槽架的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場的具體情況走線，連接到太陽能低壓配電室，布放在線槽的電纜可以不綁扎，但線槽內(nèi)電纜線應(yīng)順直，盡量不要交叉，電纜線不應(yīng)溢出線槽。轉(zhuǎn)彎處應(yīng)綁扎固定，室內(nèi)的線槽應(yīng)用支架支撐固定。電纜橋架內(nèi)纜線垂直敷設(shè)時，在纜線的上端和每間隔2 m處應(yīng)固定在橋架的支架上，水平敷設(shè)時，在纜線的首、尾、轉(zhuǎn)彎及每間隔3～5 m處進(jìn)行固定。

表1 并網(wǎng)逆變器參數(shù)

2.5 并網(wǎng)逆變器設(shè)計

采用模塊化逆變器是集中式逆變器的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，通過多個小功率模塊的輸入、輸出并聯(lián)，相互之間通信，可組成大功率逆變器。模塊化逆變器能實(shí)現(xiàn)智能啟動與休眠，可降低逆變器損耗，減少單模塊工作時間，延長設(shè)備使用壽命。弱光時，可讓一部分模塊待機(jī)，避免逆變器輕載低效工作，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。50 kW逆變器工作原理如圖5所示。

2.6 交流配電柜的設(shè)計

交流配電柜內(nèi)，通過斷路器將逆變器的交流輸出接入到三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)電計量表顯示逆變器發(fā)電量，在三相交流電源輸出側(cè)配有總防雷器，同時配備交流電網(wǎng)電壓表和輸出電流表，顯示電網(wǎng)側(cè)電壓及放電電流數(shù)值。

逆變器的交流輸出接入交流配電柜，經(jīng)交流斷路器并入三相交流電網(wǎng)發(fā)電，并配有測量逆變器的發(fā)電計量表。交流配電柜裝有交流電網(wǎng)電壓表和輸出電流表，可以直觀地顯示電網(wǎng)側(cè)電壓及放電電流，并在與電網(wǎng)連接的三相交流電源輸出側(cè)配有總防雷器。交流配電柜電氣原理如圖6所示。

圖5 50 kW逆變器工作原理

圖6 交流配電柜電氣原理

交流防雷配電柜主要功能：

1)與市電交流并網(wǎng)；

2)光伏發(fā)電部分開關(guān)功能；

3)光伏發(fā)電部分參數(shù)顯示(交流電壓、交流電流)；

4)光伏發(fā)電部分計量顯示(數(shù)字式電子計量表)；

5)空開保護(hù)；

6)浪涌保護(hù)；

7)接地保護(hù)。

強(qiáng)阻尼電壓源型虛擬同步發(fā)電機(jī)大擾動功角穩(wěn)定性分析//孟志偉,侯玉強(qiáng),方勇杰,朱玲,楊海洋//(9):44

2.7 接入電網(wǎng)方案

該系統(tǒng)采用的三相并網(wǎng)逆變器直接并入三相低壓交流電網(wǎng)(AC380 V，50 Hz)，通過交流配電線路給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余的電力饋入公用電網(wǎng)，如圖7所示。

2.8 接地及防雷設(shè)計

為了保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，機(jī)柜要有良好的接地保護(hù)措施。逆變器的交流側(cè)配備交流防雷配電柜接入電網(wǎng)，光伏組件直流側(cè)先匯流后再接入直流防雷配電柜，安裝多級防雷裝置避免雷擊造成器件的損壞，地線接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

圖7 并網(wǎng)系統(tǒng)

2.9 監(jiān)控系統(tǒng)

45 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用RS485(標(biāo)配)或Ethernet以太網(wǎng)(選配)通訊方式的監(jiān)控裝置，并實(shí)時觀察發(fā)電量，及其現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)向、日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等相關(guān)參數(shù)。圖8所示為監(jiān)控主機(jī)PC界面，通過網(wǎng)絡(luò)隨時對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3 效益分析

光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的電池組件使用壽命可達(dá)到20～25年，光伏系統(tǒng)每年的維修費(fèi)以及運(yùn)行費(fèi)忽略不計，初始投資包含設(shè)備費(fèi)和施工費(fèi)，根據(jù)《中國電價和電力發(fā)展研究》課題組報告顯示，中國的電價有一定的調(diào)升空間。以非居民用電電價每度電0.6元，電價水平的合理上漲系數(shù)為每年每度電0.04元，峰值日照時間為4.67 h，發(fā)電效率按70%計算，并分別利用等額收付(Uniform Series Present Worth Factor)和遞增等差收付序列(Present Worth Factor of the Uniform Gradient Series)現(xiàn)值計算公式，20年為周期，計算45 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)約電費(fèi)現(xiàn)值P1，計算過程如下：

45 kW×4.67 h×365 d×0.7=54 728 kW·h

年節(jié)約的電費(fèi)：

A1=54 728 kW·h×0.6元/kWh=32 837元

圖8 并網(wǎng)逆變器的監(jiān)控界面

每年節(jié)約的電費(fèi)增加額：

G1=54 728 kW·h×0.04元/ kW·h=2 189元

P1=A1(P/A,i,n) +G1(P/G,i,n)=

式中，i為對應(yīng)于可再生能源系統(tǒng)的社會年利率(10%)；n為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)太陽能組件工作年限,A1為每年節(jié)省的等年值電費(fèi)；G1為每年節(jié)省的因電價預(yù)期上調(diào)增加的等差變額電費(fèi)。

3.2 環(huán)境效益分析

整套系統(tǒng)總裝機(jī)容量為45 kW，按照光伏組件壽命和國家補(bǔ)助時間為25年計算，整個分布式電站發(fā)電總量為1 386 672 kW·h。按國家補(bǔ)貼為0.42元/kW·h，現(xiàn)有電價為0.5元/kW·h計算，25年總收益為1 275 738萬元，詳見表2。

表2 發(fā)電量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

在太陽能電池組件使用壽命達(dá)到25年時，節(jié)能減排各項數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 節(jié)能減排數(shù)據(jù)

該項目可減少標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒415 t，減少CO2排放量639 t，減少SO2排放量3 t，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用對于保護(hù)相關(guān)聯(lián)地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境有著特殊的意義。由表3數(shù)據(jù)可以看出，45 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在25年內(nèi)的累計發(fā)電量為1 386 673度電，經(jīng)過詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)計算分析表明，無論從經(jīng)濟(jì)評估角度、社會評估角度和環(huán)境評估角度，該系統(tǒng)設(shè)計方案合理。影響光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的因素有很多，需要進(jìn)一步的理論研究和實(shí)際調(diào)查，才能使得光伏系統(tǒng)處于長期穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，充分發(fā)揮光伏發(fā)電的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]楊金煥,于化叢,葛 亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]鞠振河.光伏電站中可調(diào)支架系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析[J].可再生能源，2012(6)：103-106.

[3]李現(xiàn)輝.太陽能光伏建筑一體化工程設(shè)計與案例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]張中青.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)與運(yùn)維管理[M].北京：中國電力出版社，2014.

[5]王帥杰，郭 瑞，高 薇.我國太陽能光熱發(fā)電的現(xiàn)狀研究及投資策略[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，8(1)：14-16.

[6]王志喜.全運(yùn)會文化場館光伏智能并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].太陽能，2015(5)：65-68.

(責(zé)任編輯張凱校對魏靜敏)

DesignandApplicationofSmartSolarPhotovoltaicGrid-connectedSystem

ZHOU Cheng-xi

(Construction department,State Grid Liaoning Electric Power Co.Ltd,Shenyang 110004,Liaoning Province)

In this paper,the whole scheme and its constituent elements of a 45kW PV grid-connected system were designed.Meanwhile,the reasonable type selections of the important components such as the photovoltaic module,inverter and junction box were optimized.It was analyzed that the energy conservation and emission reduction effect and commercial benefits brought about by the whole system based on the 25 years′ electric energy production of the system.

Smart photovoltaic;grid-connected system;Energy conservation

2017-04-19

周承璽(1962-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.003

TM615

： A

： 1673-1603(2017)03-0204-06