1、5MW太阳能并网发电系统5MW太阳能并网发电系统1.太阳能并网发电系统简介太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并 网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。和离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点：（1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，和生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。（2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达一，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可
2、提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。（3）光伏电池组件和建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高、增加“卖点”。（4）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。（5）可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏使用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。2.并网发电系统的原理及组成太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射
3、能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。如图1所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。图1：原理框图2.1太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.6伏左右的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际使用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片串联，这意味着一个太阳能组件大约能产生21.6伏左右的电压。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件
4、，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛使用于各个领域和系统。当使用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。2.2直流/交流逆变器将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。3. 5MW太阳能并网发电系统设计3.1设计总方案（1）并网
5、系统可以分为低压并网系统(即局域并网系统) 和高压并网系统。低压并网系统特点在于太阳能光伏发电系统通过并网逆变器和一些电力保护装置连接到局域电网的配电盘上,其电力和电网电力混合在一起向负载供电,多余或不足的电力通过局域电网来调节。高压并网系统特点在于太阳能光伏发电系统发的电逆变成交流后通过升压变压器直接被输送到高压电网上,由电网把电力统一分配到各个用电单位,大型太阳能光伏发电站采用这种形式。局域并网系统的优点就是就地发电就地使用,很适合家庭、住宅小区和办公楼太阳能光伏发电,不但节省了长距离大容量的输电线缆和线损,而且故障可以就地解决。这种系统不使用蓄电池,配置比较简单,施工方便,系统自身损耗的
6、电力少,所发电力的收得率可达90 %以上，因此采用并网发电方案，如图2所示。图2：设计总方案（2）考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，在并网逆变器直流输入加装直流配电接线箱。（3）并网逆变器采用三相四线制的输出方式。3.2电池组件及方阵支架的设计3.2.1电池组件选用电池片型号为SE-180M，主要参数为：输出功率180Wp、最佳工作电压36V、最佳工作电流5.0A、开路电压48V、短路电流5.3A，共需要27778片。太阳能电池由16块串联成1路，共35路，需要180Wp规格组件560块电池片总功率为：180x16x35=100800Wp。太阳能电池方阵的主要技术参数为：（1）工
7、作电压580V，开路电压768V；（2）工作电流175A，短路电流185A；（3）转换效率大于16%；（4）工作温度-4090。太阳能电池方阵的主要特点：（1）采用高效率晶体硅太阳电池片，转换效率高：16%；（2）使用寿命长：25年，衰减小；（3）采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，抗机械强度高；（4）采用高透光率钢化玻璃封装，透光率和机械强度高；（5）采用密封防水的多功能接线盒。3.2.2方阵支架及光电场设计太阳能电池支架采用混凝土标桩、槽钢底框、角钢支架、支架倾角20度。3.3并网逆变器3.3.1并网逆变器要求 一般的家庭、办公室、工厂等大多数用交流电源，但太阳能发电是供给直流电。如果要把
8、交流电、太阳能电池、蓄电池联系起来，就必须先把直流变为交流，这类装置称为逆变器。但在实际使用逆变器时，不单纯是个电流变换的问题，还必须同时考虑到频率、电压、电流、相位、同步、有功功率、无功功率、电能质量等问题。因此，这是一个特殊的逆变器，它至少具备如下的控制功能。1 系统的自动启动和关闭应根据日照情况和规定的日照强度，在使太阳能发出电力能有效利用的限制条件下，对系统进行自动启动和关闭。2 最大功率点跟踪控制随着太阳能电池温度变化和日照强度的变化，相应的输出电压、电流也变化。这时应自动控制使太阳能电池的输出功率始终保持最大值。这个环节称为最大功率跟踪控制，又称MPPT控制。这是保证了太阳能发电系
9、统高效工作的最重要环节。3 防止单独运行系统侧虽然已停电，但由于太阳能继续供电，逆变器的输出电压并未改变，此时如不能正确检测出是否停电，一旦再恢复来电就有可能造成事故。这种情况称为单独运行。为保护设备维修人员不受到伤害，系统应设置保护功能。4 电压自动调整太阳能发出的富裕功率要反馈电网，称逆潮流供电。但在某种情况下，逆变输出点的电压上升可能会超过交流电网电压，故应有自动调整装置，使逆潮流电压和市场电网电压相等。5 事故时的系列关断系统侧或逆变器本事均有可能出现事故，当检测出不正常信号时，应安全地将系统脱开或完全地关断。3.3.2设计原理图 设计原理采用如图3所示的电路。由并网逆变器、MPPT功
10、率控制、工频变压器、电源、同步电压取样、IGBT驱动、智能控制环节、传感器等组成。图3：并网逆变器主框图并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态、异常报警等各项电气参数。同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。具有可靠性高、具有多种并网保护功能（比如孤岛效应等）、多种运行模式、对电网无谐波污染等特点。根据以上要求选用德国进口Line Back 100KW并网逆变器。本逆变器的特征如下：（1）无变压器，实现了小型轻量化。（2）功能模块化，可根据需要制定出合理的
11、安装模块。（3）有自立运行功能。停电时自动进行自立运行，向负荷供电。（4）自立运行或者并网运行时有相同容量的功率。（5）由显示单元，可显示输出功率、累计电量、运行状态及异常等内容。（6）带有通信功能，使用GS标准计量软件，可由PC机计量其电流、电压等值。（7）可全自动运行。（8）主要技术参数为：额定容量：5MVA；直流额定电压：400V，直流额定电流：600A；直流电压输入范围：400V600V；交流输出功率因数0.99，频率50Hz，三相AC220V；输出电流失真度：THD5，各次THD3；逆变器效率95%。3.3.3并网逆变器控制设计： 并网逆变控制器采用图4原理，将来尽可能集成化，采用单
12、片机实现智能控制。图4：并网逆变器控制图3.4最大功率点的跟踪(MPPT)控制3.4.1 引言太阳能电池在工作时，随着日照强度、温度的改变，其端电压将发生变化，使输出功率也产生很大的变化。故太阳能电池本身是一种不稳定的电源。如何能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，这就在理论和实践上提出了太阳能电池阵列的最大功率点跟踪问题。在常规的线性系统电气设备中，为了使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可获得最大功率。对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率。但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池
13、的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，因而处在不断变化之中。从而不可能用上述的简单方法来获得最大输出功率。目前所采用的方法是在太阳能电池的阵列和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率，来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。最大功率点的跟踪(MPPT)控制是一个自寻优过程，通过控制太阳能电池阵列端电压，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。3.4.2 MPPT控制的几种不同算法1. 功率扰动观察法 扰动观察法的原理是先给你个扰动输出电压信号(UI+U)，再测量其功率变化，和扰动之前功率相
14、比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一(+U)方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往反(-U)方向扰动，流程如图5所示。此法的最大优点是在于其结构简单，测量参数少，通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大；缺点在于初始值UI以及跟踪步长U的选取对跟踪精度和速度有较大的影响，且有可能在最大功率点附近振荡，导致部分功率损失，有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现“误判”现象。 图5：功率扰动法流程图2. 增量电导法 微扰观察法是通过调整工作点电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现太阳能电池最大功率跟踪的。这种方法并不知道最大功率点大致在什么方向。增量电导法避免了微扰观察法的盲目性，可以
15、判断出工作点电压和最大功率点电压之间的关系。它的最大优点是当日照强度变化时，太阳能电池的输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压的晃动教小。3. 滞环比较法 这是一种带反馈的PWM控制方式，如图6所示，即每相电流反馈回来和电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。它避免了在扰动法中因太阳日照不会快速变化而引起多余的扰动可能带来的损失的缺陷。图6：MPPT控制电路4. 最大功率跟踪的模糊控制模糊控制的原理是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑推理为基础的控制，它是模糊数学在控制系统中
16、的使用，是一种非线性智能控制。它利用人的知识对对象进行控制，通常用“if 条件，then结果”的形式来表示，所以又称语言控制。它的核心部分是模糊控制器。其过程是：微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量和给定值比较得到误差信号E；一般选误差信号E作为模糊量可用相应的模糊语言表示，从而得到误差E的模糊语言集合的一个子集e；再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u。其中u=eR。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u进行非模糊化处理转换为精确量。得到精确数字后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行第一步控制，然后进行第二次采样，完
17、成第二步控制这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。5. 使用人工神经网络进行太阳能电池最大功率点的控制太阳能电池的特性可以用一下四个方程来描述：以上述的方程为基础，根据检测出的直流电流和质量电压可以测出照度，把该直流电压Udc输入网络的输入层，将该网络的输出和学习信号之间的误差在网被全部进行叠加、传递，则输出值和学习信号间的差将按一定精度而收敛，如此反复进行可以达到目标。收敛之后，该神经元值可输入时刻的太阳能电池特性公式的各参数得到。用求得的特性公式，由数值计算法求出公式的极大值，该极大值就是最大功率输出点的电压。6. 基于dp/de的太阳光发电系统的最大功率控制方法 这种方法是假定在最大
18、功率点上功率对电压的微分dp/de=0。此方法的优点是当输出电压变化时，在该点上可用单调的调节方法容易地改变微分值，将dp/dt构成一个闭环系统，实施使其值为0的控制。因此，先将一个非线性控制对象的状态方程列出，经线性化处理，采用简单的电流、电压负反馈闭环控制系统，即可实现既定的控制目标。该控制系统对应于日照变化和电池板温度变化，能自我进行稳定补偿，得到一个高速响应和高精度的最大功率输出控制系统。其特点是将控制系统运算公式化，充分考虑光照和温度的影响，且直观的用数式表示。 该系统由太阳能电池板、升压DC/DC、单相电压型PWM逆变器及电网交流电源组成。控制输出直流功率的DC/DC变换器其输出端
19、为接有电容和电感的电池板，开关管输出端接有二极管和滤波电容。 输出功率Ps和其微分dPs/des之间有如下的关系：dPs/des和es之间是一种单调的关系，dPs/des=0的点恰好就是最大功率点，且改点和日照、温度的变化无关。为此，设定最大功率控制的目标值是使dPs/des=0，这样就简单化了。 该种方法在控制速度和精度两方面都比较满足。3.5数据采集监控软件设计利用逆变器提供的R S 2 3 2 口, P C 机和逆变器中单片机控制电路进行通信, 将逆变器采集到的有关运行数据( 包括输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输出频率、系统输出功率、当日发电量、总累计发电量、对环境的贡献等)
20、存储在专用的数据采集监控软件所带的SQL Server数据库中。使用面向对象的高级语言C+ Builder 5.0,针对光伏并网发电系统的有关情况, 设计开发的数据采集监控，软件的主要功能有：1) 和逆变器进行串口通信, 采集相关的数据到计算机；2) 分析数据的正确性, 并将正确的数据存储到数据库中, 若数据不正确提醒用户及时处理。3) 管理并维护数据库中的有关数据, 并提供导入导出功能, 供用户做它用；4) 分析有关数据, 并按照用户要求生成有关数据曲线。3.6 室内外数据显示数据采集监控软件对采集到的数据进行有关分析处理后, 使用无线通信模式将数据提供给有关显示部件( 包括远/ 近程L E
21、 D 大屏幕) 进行实时的显示。3.7并网运行正常运行时，要求太阳能电池逆变后的交流电压波形、频率应和电网相同；而当电网产生故障时，太阳能电池应能自动控制使变频器和电网断开。3.8配电室设计MPPT控制器，并网逆变器，并网点的低压配电室，工频变压器。3.9电缆的选取3.9.1系统中电缆的选择主要考虑如下因素： 电缆的绝缘性能； 电缆的耐热阻燃性能； 电缆的防潮、防光； 电缆的敷设方式； 电缆芯的类型（铜芯，铝芯）； 电缆的大小规格。3.9.2光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。以下分别列出不同连接部分的技术要求。 组件及组件之间的连接 必须进行UL测试，耐
22、热90，防酸，防化学物质，防潮，防暴晒。 方阵内部和方阵之间的连接 可以暴露或者埋在地下，要求防潮、防暴晒。建议穿管安装，导致必须耐热90.室内接线（环境干燥） 可以使用较短的直流连线。3.9.3电缆大小规格设计，必须遵循如下原则： 交流负载的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆电流最大连续电流的1.25倍。 逆变器的选择，选取的电缆额定电流为计算所得电缆电流最大连续电流的1.25倍。 方阵内部和方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆电流最大连续电流的1.56倍。 考虑温度对电缆的影响。 考虑电压降不要超过2%。适当的电缆尺径选取基于两个因素，电流强度和电路电压损失。完整的计算公式
23、为 线损=电流电路总线长线缆电压因子式中，线缆电压因子可有电缆制造商处获得。3.10并网发电系统的防雷3.10.1接地和防雷设计太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及以下的方面（可参考GB 50057-94建筑防雷涉及规范）。电站站址的选择；在配电室附近建一避雷针，高15米，并单独做一地线。 尽量避免将电站建在雷电易发和易遭受雷击的位置； 尽量避免避雷针的投影落在太阳电池组件上； 防止雷电感应，控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后在接到干线上； 防止雷电波侵入，在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压220
24、V/380V可采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的进水管道和电缆外皮在入口处可靠接地，冲压电阻不宜大于30； 接地系统的要求，所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许串联后在接到干线上光伏电站对接地电阻值的要求比较严格，因此要实测数据，建议采用复合接地体。 光伏电站接地结零要求，电气设备的接地电阻R4，满足屏蔽接地和工作接地的要求。选择光电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖一2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。在中性点直接接地系统中，要重复接地，R10。防雷接地点应该独立设置，要求R30，
25、且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上。 太阳电池方阵电缆进入配电室的电压为DC580V，采用PVC管地埋，加防雷器保护。此外电池板方阵的支架应保证良好的接地。 并网逆变器交流输出线采用防雷箱一级保护（并网逆变器内有交流输出防雷器）。3.10.2供电系统的基础建设基础建设包括太阳电池组件地基和控制机房的建设。太阳电池组件可以安装在地面上，也可以在屋顶上。如果光伏方阵安装在地面上，在设计时需要考虑抗震设计（参见国标建筑抗震设计规范GBJ 1189）太阳电池组件地基属于丙类建筑，要符合一下要求： 选择建筑物时，尽量选择坚硬土或者开阔、平坦、密实、均匀的中硬土； 同一结构单元不宜设置在截然不同的地
26、基土上； 地基有软弱粘性土、液化土、新近填土或者严重不均匀土层时，宜采取措施加强基础的整体性和刚性； 混凝土砌块的等级强度，中砌块不宜低于MU10，小砌块不低于MU5，砌块的砂浆强度等级不宜低于M5； 混凝土的强度等级不宜低于C20； 基基础抗震验算 FsE =sfs式中，FsE调整后的地基抗震承载设计值； s地基土抗震承载力调整参数，参考建筑抗震设计规范GBJ 1189）；fs地基土静承受力设计值，采用建筑抗震设计规范GBJ 789。 对于存在液化土层的地基应根据地基的液化等级采取一定的措施：. 用深基础时，基础地面埋入液化深度以下稳定涂层中的深度不应小于500mm；. 采用加密法（如振冲、
27、振动加密、强夯等）加固时，应处理至液化深度下界，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值，应大于相应的临界值；. 挖出全部液化土层。对于组件基础，安装支架的混凝土基础技术规范。. 基础混凝土的混合比例为124（水泥、胶石、水），采用42号水泥或更细，胶石每块尺寸为20mm或更小；. 基础尺寸建议为500mm长500mm宽400mm高。如果发现现场土壤疏松，要相应地增加基础深度。. 基础的上表面要在同一水平面上，平整光滑。. 支架四个支撑腿所用的四个基础应保持在同一水平面上。. 基础上的预埋螺杆应该要求正确地位于基础中央，同样要保持螺杆的垂直。. 基础上的预埋螺杆应高于混凝土基础表面50mm，确保已
28、经将基础螺杆的凸出螺纹上的混凝土擦干净。. 注意每副组件支架两个基础之间的朝向和尺寸。建议安装一副支架（不安装太阳电池组件），将四条支架安装到适当的位置，为基础建造做标记。 如果太阳电池组件安装在屋顶就不需考虑冻土的情况，但要考虑抗震对屋顶和支架的技术需要。4系统建设及施工项目的施工包括：配电室及太阳电池支架的基础制作、配电室，太阳电池支架制作安装、太阳能电池方阵的安装、电气设备的安装调试、系统的并网运行调试。4.1施工顺序基础及配电室土建施工太阳电池支架制作安装太阳电池方阵安装调试电气仪表设备安装调试工频变压器的安装并网运行调试试运行竣工验收。4.2施工准备4.2.1技术准备技术准备是决定施
29、工质量的关键因素，它主要进行以下几方面的工作：（1）先对实地进行勘测和调查，获得当地有关数据并对资料进行分析汇总，做出切合实际的工程设计。（2）准备好施工中所需规范，作业指导书，施工图册有关资料及施工所需各种记录表格。（3）组织施工队熟悉图纸和规范，做好图纸初审记录。（4）技术人员对图纸进行会审，并将会审中问题做好记录。（5）会同建设单位和设计部门对图纸进行技术交底，将发现的问题提交设计部门和建设方，并由设计部门和建设方做出解决方案（书面）并做好记录。（6）确定和编制切实可行的施工方案和技术措施，编制施工进度表。4.2.2现场准备（1）物资的存放准备一座临时仓库：主要贮存并网发电系统的逆变器、
30、太阳电池、太阳电池支架、线缆及其它辅助性的材料。（2）物资准备施工前对太阳能电池组件、方阵支架、并网逆变器等设备进行检查验收，准备好安装设施及使用的各种施工所需主要原材料和其他辅助性的材料。5.设备安装部分5.1太阳电池组件安装和检验预埋太阳电池阵列架基柱，检查其横列水平度，符合标准再进行铁架组装。检测单块电池板电流、电压，合格后进行太阳电池组件的安装。最后检查接地线、铁架紧固件是否紧固，太阳电池组件的接插头是否接触可靠，接线盒、接插头须进行防水处理。检测太阳电池组件阵列的空载电压是否正常，此项工作应由组件提供商技术人员完成。5.2总体控制部分安装参照产品说明书的要求，对并网逆变器、太阳电池组
31、件、交流电网的低压配电室按相应顺序连接，观察并网逆变器的各项运行参数，并做好相应记录，将实际运行参数和标称参数做比较，分析其差距，为以后的调试做准备。6.检查和调试（1）根据现场考察的要求，检查施工方案是否合理，能否全面满足要求。（2）根据设计要求、供货清单，检查配套元件、器材、仪表和设备是否按照要求配齐，供货质量是否符合要求。对一些工程所需的关键设备和材料，可视具体情况按照相关技术规范和标准在设备和材料制造厂或交货地点进行抽样检查。（3）现场检查验收：检查太阳电池组件方阵水泥基础、配电室施工质量是否符合要求，并做记录。此项工作应由组件提供商技术人员完成。（4）调试是按设备规格对已完成安装的设备在各种工作模式下进行试验和参数调节。系统调试按设备技术手册中的规定和相关安全规范进行，完成后须达到或超过设备规格所包含的性能指标。如在调试中发现实际性能和手册中的参数不符，设备供应商须采取措施进行纠正，达标后才具备验收条件。7.并网电站建设流程图图7：简单施工流程图8.并网发电系统
