并网技术方案.docx
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并网技术方案
福建省住房和城乡建设厅光伏屋顶
并网发电系统
技
术
方
案
(50kWp)
江苏无锡佳诚太阳能科技有限公司
2009-12-30
一、项目背景……………………………………………………………2
二、太阳能光伏发电利用方式……………………………………………2
三、福州市地理、气候及太阳辐射状况…………………………………4
四、项目概况………………………………………………………………5
五、设计、施工依据………………………………………………………5
六、设计方案………………………………………………………………6
1、方案描述………………………………………………………………6
2、太阳电池阵列设计……………………………………………………6
3、太阳电池阵列支架系统设计…………………………………………9
4、并网逆变器设计………………………………………………………9
4.1、设备选型……………………………………………………………9
4.2、电能质量……………………………………………………………11
4.3、安全性………………………………………………………………11
5、备用电源设计…………………………………………………………14
6、监控通讯………………………………………………………………15
7、系统图…………………………………………………………………16
8、系统防雷设计…………………………………………………………17
8.1、防直击雷保护………………………………………………………17
8.2、防感应雷保护………………………………………………………17
9、节能效果分析…………………………………………………………18
9.1、发电量计算…………………………………………………………18
9.2、全年系统常规能源替代量计算……………………………………18
9.3、费效比计算…………………………………………………………19
9.4、静态投资回收年限…………………………………………………19
10、运行维护………………………………………………………………19
七、质保及售后服务………………………………………………………21
八、太阳能光伏发电介绍……………………………………………………23
九、中国光伏发电的发展……………………………………………………24
十、结束语……………………………………………………………………26
一、项目背景
能源是经济和社会发展最重要的物质基础,是提高人民生活水平的重要条件。
随着经济的发展和社会的进步,人类对于能源重要性的认识在不断的提高,能源问题已经成为世界各国共同关心的重大问题。
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。
丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。
我国是太阳能资源丰富地区,大力开发、利用太阳能等可再生能源是积极响应中央政府节能、减排号召,应对能源匮乏、缓解电力紧张、保障可持续发展的重要举措。
清洁、无污染的绿色能源可以营造一种清新、自然、环保、健康、进步、面向未来的崭新形象,增强人们对可再生能源的认识,唤起人们对我们共同生活的地球的关爱。
太阳能光伏发电无污染、无噪声,是利用太阳能的有效途径之一。
二、太阳能光伏发电的利用方式
太阳能光伏发电通常有两种利用方式,一种是依靠蓄电池来进行能量的存储,即所谓的独立发电方式;另一种是不使用蓄电池,直接与公用电网并接,即并网方式。
Ø独立发电方式
独立发电系统一般由太阳板、控制器、蓄电池、逆变器等组成。
独立发电方式由于受到蓄电池的存储容量、使用寿命等的限制,一般成本较高,同时,系统后续维护较麻烦,废旧蓄电池还需回收处理,防止二次污染。
独立系统一般也称为离网系统,多用在偏远地区、电网敷设较困难的地区,也用于太阳能路灯、草坪灯、监控摄像头等系统中作为独立电源使用。
图1
Ø并网发电方式
并网发电系统一般由太阳组件,并网逆变器等组成。
通常还包括数据采集系统、数据交换、参数显示和监控设备等。
并网发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到公用电网中,无需蓄电池进行储能,相比较而言,并网发电较便宜,而且完全无污染。
并网发电系统采用的并网逆变器拥有自动相位和电压跟踪装置,能够非常好的配合电网的微小相位和电压波动,不会对电网造成影响。
图2
Ø针对本项目业主单位提出的:
当市电电网停电时,功率调节器可脱离电网,从自立输出口将太阳能的能量输出供给重要负载使用,起到应急作用。
我们设计思路如图3:
图3
系统运行原理说明:
太阳电池组件通过串并联组成太阳电池方阵,太阳电池方阵经直流汇线箱汇流后通过离网切换装置接入并网逆变器,并网逆变器在用户侧与公共电网并网,并通过逆功率保护装置严格控制太阳能光伏发电系统不向外部电网馈电,实现并网但不上网的设计目标。
当电网有电时,太阳电池方阵所发电量同时供给并网逆变器和蓄电池组;当电网停电时,离网切换装置迅速断开太阳电池方阵和并网逆变器的连接,同时接通控制逆变一体机和重要负载的连接,太阳电池方阵所发电量通过控制逆变一体机向蓄电池充电,蓄电池通过控制逆变一体机向重要负载供电。
三、福州市地理、气候及太阳辐射状况
福州市位于东经118°08'~120°31',北纬25°15'~26°29'之间。
福州市为福建省省会,位于福建省东部闽江下游,属海洋性亚热带季风气候,全年东短夏长,温暖湿润,无霜期达326天,年平均日照时数1700-1980小时;年平均降水量为900-2100毫米;年平均气温为24-29℃,最冷月1-2月,平均气温达6-10℃;最热月7-8月,平均气温为24-29℃。
极端气温最高42.3℃,最低-1.2℃。
年相对湿度约77%;主导风向为东北风,夏季偏南风为主,7-9月是台风活动期,每年平均台风直接登陆市境有2次。
福州地貌属典型的河口盆地,城区位于盆区中央。
盆地四周被群山峻岭所环抱,其海拔多在600~1000米之间。
福州地区各月太阳辐射状况22年统计数据如下表所示
福州市各月倾斜面太阳辐射表(kWh/m2/day)倾角1.8°,方位角-15°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均值
2.09
2.06
2.31
3.31
3.77
4.06
5.24
4.84
3.82
3.21
2.60
2.37
3.30
注:
以上数据来自《中国不同倾斜面太阳辐射资料库》
四、项目概况
本项目位于福州市省建委新技术综合实验楼上,屋顶面积566.8平方米,屋顶可利用面积为380平方米,共铺设太阳能电池组件180片,装机容量50.4千瓦。
该项目是福州市太阳能光伏发电应用示范项目,本项目的建设需能体现新能源利用的示范性、先进性,充分展示省政府走节能、环保、面向未来的可持续发展之路。
本项目太阳能光伏系统所发电力全部供给大楼内负荷用电。
五、设计、施工依据
《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005;
《光伏系统电网接口特性》GB/T20046-2006
《电能质量供电电压允许偏差》GB/T12325-2003;
《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993;
《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995;
《电能质量电力系统频率允许偏差》GB/T15945-1995;
《陆地用太阳能电池组件总7规范》GB/T14007-92
《太阳能电池组件参数测量方法》GB/T14009-92
《光伏(PV)发电系统过电压保护—导则》SJ/T11127-1997
《半导体逆变器通用技术条件》JB-T7064-1993
《低压直流电源设备的特性和安全要求》GB17478
《电磁兼容实验和测量技术》GB/T17626
《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》GB50171
《逆变电源》Q/3201GYDY01-2002
《太阳能电源控制器》Q/3201GYDY02-2002
《晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000
《地面用光伏(PV)发电系统概述和导则》GB/T18479-2001
《太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范》CECS85:
96
《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场检测》GB/T18210-2000
《建筑电气工程施工质量验收标准》GB50303-2002
《高层民用钢结构技术规程》JGJ99-98
《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2001
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
《安全标志》GB/T2894-1996
《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50150-91
《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-92
《电气装置安装工程低压电器施工及验收规范》GB-50254-96
《电气装置安装工程1KV及以下配线工程施工及验收规范》GB50258-96
六、设计方案
1.方案描述
系统采取市电并接并网发电和应急设备备用电源独立供电方式,选用集中式并网逆变器灵活并入内部配电网,逆功率保护装置确保不向外电网馈电,外电网断电时,离网切换装置和控制逆变一体机确保重要负载应急性供电。
太阳电池方阵及支架、直流汇线箱安装在省建委新技术综合实验楼屋顶上,其他太阳能设备安装在该楼的配电间内或者紧靠该楼配电间的某安全处。
2.太阳电池阵列设计
省建委新技术综合实验楼最大标高31.9米,安装太阳电池屋面标高约28米左右,属于小高层建筑,且位于沿海地区,因此在布局设计时,我们兼顾最大限度利用有限的楼顶面积、高可靠性抗风能力和保持建筑的整体美观性的原则,但同时牺牲组件发电量,采用接近水平平铺式的安装方式以最大限度利用有限的楼顶面积和获得高可靠性抗风能力;电池阵列安装方位角与该楼整体走向保持一致以达到保持建筑整体美观性的原则。
同时太阳能阵列整体预留3%的坡度以便于保持太阳能面板的环境自洁功能。
太阳电池阵列屋顶平面布置图如图4所示:
图4
该太阳能阵列共180片电池组件,每15片组件串联成一个组串,共有12条组串;每6条组串汇入一台直流汇线箱,共需2台直流汇线箱。
太阳能电池组件我们选用无锡佳诚高效多晶硅电池组件JCSM280M:
图5
技术参数如下(标准测试环境:
光照辐射强度E=1000W/M2;大气光谱AM=1.5;电池片温度C=25℃):
额定功率:
280W
电池片效率:
≥15.98%
公差:
+3%
额定电流:
7.95A
额定电压:
35.2V
短路电流:
8.33A
开路电压:
44.8V
电压温效系数:
-0.16V/℃
电流温效系数:
0.06%/℃
性能曲线图:
组件尺寸图:
3、太阳能电池阵列支架系统设计
图6
太阳能电池阵列支架均采用热轧国标钢材和镀锌角钢;太阳能电池阵列支架按照设计焊接成形(抗风等级12级),具有380平方米左右的安装面积,梁柱节点为受力支撑点,与建筑物合理地相互连接成一个整体,并作耐盐雾性防腐处理,确保设备安装的稳定牢固和安全性能。
4、并网逆变器设计
4.1、设备选型
该项目太阳能电池阵列总装机容量50.4千瓦,所有组件均为无锡佳诚太阳能科技有限公司的JCSM280M高效多晶硅电池组件,且整体朝向一致,综合考虑系统运行效率、安全性和性价比等因素,我们选用带有电气隔离的集中式并网逆变器,型号为SG50K3,如图7:
并网集中型逆变器一般用与大型光伏发电站(>10kW)和建设同质结构光伏电站(相同型号、相同朝向和相同安装角度的光伏组件)的极佳选择,很多并行的光伏组串通过直流汇线箱被连到同一台集中逆变器的直流输入端。
并网集中型逆变器的最大特点是系统的效率高,成本低。
图7
逆变器技术参数
逆变器型号
SG50K3
输出额定功率
50KW
最大直流侧功率
55KWp
最高转换效率
95.5%
欧洲效率
94.8%
最大直流输入电压
880VDC
最大功率跟踪(MPP)范围
450V~820VDC
最大直流输入电流
130A
额定电网电压
310V-450VAC
额定电网频率
47-51.5Hz~57-61.5Hz
要求的电网形式
IT系统
待机功耗/夜间功耗
<30W
输出电流总谐波畸变率
<3%(额定功率时)
功率因数
>0.99
自动投运条件
直流输入及电网满足要求,逆变器自动运行
最大输入路数
2
通讯接口
RS485
显示
LCD
工作温度
-25---+55℃
相对湿度
0-95%,无冷凝
防护类型/防护等级
IP20(室内)
散热方式
强自风冷
重量
700kg
机械尺寸(宽×高×深)
820×1964×646mm
4.2电能质量
Ø优质的电能输出
本方案选用的并网逆变器具有高性能滤波电路,使得逆变器交流输出的电能质量很高,不会对电网质量造成污染。
在输出功率≥50%额定功率,电网波动<5%情况下,逆变器的交流输出电流总谐波分量(THD)<3%。
并网型逆变器在运行过程中,需要实时采集交流电网的电压信号,通过闭环控制,使得逆变器的交流输出电流与电网电压的相位保持一致,所以功率因数能保持在1.0附近。
并网逆变器输出电能质量符合相关国家标准要求:
✧GB/T12325-2003:
电能质量供电电压允许偏差
✧GB/T14549-1993:
电能质量公用电网谐波
✧GB/T15543-1995:
电能质量三相电压允许不平衡度
✧GB/T15945-1995:
电能质量电力系统频率允许偏差
4.3安全性
Ø防“孤岛效应”
“孤岛效应”指在电网失电情况下,发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象。
“孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患,体现在以下两方面:
一方面是当检修人员停止电网的供电,并对电力线路和电力设备进行检修时,若并网太阳能电站的逆变器仍继续供电,会造成检修人员伤亡事故;另一方面,当因电网故障造成停电时,若并网逆变器仍继续供电,一旦电网恢复供电,电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异,会在这一瞬间产生很大的冲击电流,从而损坏设备。
光伏并网逆变器均采用了两种“孤岛效应”检测方法,包括被动式和主动式两种检测方法。
被动式检测方法指实时检测电网电压的幅值、频率和相位,当电网失电时,会在电网电压的幅值、频率和相位参数上,产生跳变信号,通过检测跳变信号来判断电网是否失电;主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号,通过检测反馈信号来判断电网是否失电,其中一种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所产生的谐波电压值,从而得到电网阻抗来进行判断,当电网失电时,会在电网阻抗参数上发生较大变化,从而判断是否出现了电网失电情况。
被动式防单独运行功能
种类
特点
电压相位突变检测方式
●转移到单独运行时,并网逆变器输出将从功率因素1变
化到负载的功率因素,因此可通过检测该瞬间电压相位
的突变来控制。
●转移到单独运行时,若不发生相位变化则无法检测。
●误动作少,比较实用。
频率变化
●主要检测转移到单独运行时的发电功率与负载不平衡引检测方式起的频率突变。
注:
检测时限0.5s以内,保持时限5~10s。
主动式防单独运行功能
种类
特点
移频方式
●在并网逆变器内部振荡回路上预置偏频,检测单独运行时出现的频率变动。
有功功率变动方式
●在并网逆变器输出上预置周期性的有功功率变动,检测单独运行时出现的电压、电流或频率变动。
●存在着正常时输出发生变动的可能性。
无功功率变动方式
●在并网逆变器输出上预置周期性的无功功率变动,检测单独运行时出现的频率变动等。
负载变动方式
●瞬间且周期性地与并网逆输出并联插入阻抗,检测电压或电流的突变。
注:
检测时限0.5~1s。
此外,在并网逆变器检测到电网失电后,会立即停止工作,当电网恢复供电时,并网逆变器并不会立即投入运行,而是需要持续检测电网信号在一段时间(如90秒钟)内完全正常,才重新投入运行。
孤岛监测逻辑框图
Ø直流过载保护
对于由于意外事件造成组件对地短路,逆变器输入回路出现破坏性电流,损害逆变器,因此在逆变器与太阳电池方阵中间安装直流断路器,直流短路器满足太阳电池方阵正常电流输出,同时满足方阵系统最高电压1.5倍的冲击。
在直流系统中,接线盒中的短路器不能采用交流断路器代替,必须采用直流断路器。
我们采用ABB公司直流断路器。
Ø短路、过流保护
过电流保护:
当逆变器工作电流超过额定值150%时,逆变器应能自动保护,当电流恢复正常后,设备应当逆变器输出短路时,应具有短路保护措施能正常工作。
短路保护:
短路排除后设备应能正常工作。
极性反接保护:
输入直流极性相反时,设备应能自动保护。
待极性正接后,设备应能正常工作。
5、备用电源设计
根据业主单位要求:
当电网停电时,部分重要负载需要应急性供电,因此我们配置了控制逆变一体机、离网切换装置和储能蓄电池组来实现这一功能,考虑到投入成本和安全性等因素,我们建议应急性负载功率不得大于3KW,应急时间为2小时,且重要负载不应含有大功率感性负载,全部负载应为单项负载。
控制逆变一体机集合充放电控制器和离网逆变器的功能于一身,具有很高的性价比和可靠稳定性,它对于防止蓄电池过充电和过放电提供安全保障;离网切换装置采用无触点静态切换技术实现瞬态安全切换,保证重要负载的正常不间断运行;蓄电池采用免维护铅酸蓄电池,当电网停电时通过控制逆变一体机向重要负载释放能量,如图8:
图8
蓄电池性能特点:
■耐过充过放电,耐冲击,耐震动,贮存寿命长;
■优质合金板栅和独特的电解液配方,是电池具有容量大,自放电率小,使用寿命长的特点;
■无需加酸加水维护,不会漏酸,不会排酸雾,环保无污染;
6、监控通讯
7、系统图
8、系统防雷设计
8.1、防直击雷保护
为了保证电力系统的安全运行和光伏发电及电力设施的安全,并网光伏电站必须有良好的避雷、防雷及接地保护装置,避雷、防雷装置应符合GB50057-94要求,接地应符合GB50169-92要求。
场地防雷:
目的是使光电场及附属设施免遭直接雷击,可采用避雷针和避雷带两种方式。
8.2、防感应雷保护
太阳能系统的防雷设计,应满足雷电防护分区、分级确定的防雷等级要求。
本项目拟在阵列支架上沿敷设避雷带以防止直击雷的侵害。
对于感应雷和其它各种因素引起的浪涌电压的侵害,可以选用专业公司的SPD模块进行二、三级防护。
对于系统防雷、防浪涌以及安全用电来说,可靠的接地是至关重要的。
本系统中,支架、太阳能板边框以及连接件均是金属制品,每个子方阵自然形成等电位体,所有子方阵之间都要进行等电位连接并与接地网就近可靠连接,各连接点的连接电阻应小于10欧姆。
接地网的制作应符合国家相关规范要求。
本发电系统防感应雷设计包括直流汇线箱、直流配电柜、交流配电柜和监控通讯系统防雷。
9、节能效果分析
9.1、发电量计算
并网光伏发电系统的发电量,与当地的太阳辐射能量、太阳电池组件的总功率、系统的总效率和光伏组件的衰减率等因素有关,这里仅根据有关气象资料预计并网光伏发电系统的年平均发电量,实际发电量会有一定的偏差,这是正常现象。
进行发电量的估算首先要算出并网光伏系统的总效率,并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器的效率和交流并网效率三部分组成。
本系统总效率我们取78%为计算值。
根据太阳电池组件的质保承诺,本项目预计发电能力衰减率10年低于10%,25年低于20%。
本项目实际设计峰瓦值为50.4KW。
本项目安装地日平均峰值日照时数为3.30H。
综合以上数据,本系统以25年寿命期计,估算年平均发电量:
q=50.4KW×3.3H/d×365d×78%×90%=42616.17KW.H
25年总发电量:
Q=42616.17KW.H×25=1065404.25KW.H
9.2、全年系统常规能源替代量计算
常规发电(以火力发电为例)耗能和污染分析
实发电量
消耗标煤
消耗淡水
产生二氧化碳
产生灰渣
产生粉尘
产生二氧化硫
1KW.H
0.4KG
4L
0.997KG
0.15KG
0.272KG
0.03KG
本项目全年节能效果分析(太阳能发电)
节约电能
节约标煤
节约淡水
减排二氧化碳
减排灰渣
减排粉尘
减排二氧化硫
42616.17KW.H
17046.47KG
170464.68L
42488.32KG
6392.42KG
11591.60KG
1278.48KG
9.3、费效比计算
静态投资额
总发电量
费效比
备注
118万元
106.5万千瓦时
1.108元/千瓦时
25年期
9.4、静态投资回收年限
1
本项目装机容量
50400瓦
2
本项目年平均发电量
42616.17千瓦时
3
本项目静态投资额
118万元
4
国家财政补贴
13元/瓦
5
实际投资
(3)-
(1)×(4)
6
当地电价
按1.0元/千瓦时
7
回收年限
(5)÷
(2)÷(6)
8
预计静态投资回收期
12.31年
10、运行维护
太阳能光伏并网发电系统运行维护量极少,处于全自动运行状态,无需投运、切断。
并网逆变器的控制部件会主动或被动检测相关联单元的状况,当太阳能阵列在光照下有电量输出,同时,检测到电网处于接通状态,并网逆变器就会自动投入运行,持续输出交流电能;当太阳光照减弱到使组件阵列无输出时,则并网逆变器会自动关断处于待机状态。
Ø一般性建议:
详细了解系统使用手册,掌握光伏电源一般性知识,合理判断系统状况,合理使用。
Ø维护方案建议:
光伏并网系统一般只需要很有限的维护工作。
序号
维修项目名称
维修方式
建议维修频次
1
清洁组件表面
擦拭、水冲洗
每年2-4次
2
节点检查
目测,手动检查
每年1-2次
3
一般性故障维修
参照使用手册进行
需要时
Ø特别注意事项:
1)确保在任何接线之前断开总开关。
太阳能组件在太阳能光的照射下都能产生电流。
2)在进行光伏组件连接工作的时候,要将太阳能组件覆盖上一层不透光物质,这种不透光物质必须表面整洁柔软。
✧日常维护工作:
理想情况下,光伏系统一般需要一年维护两次。
太阳能供电系统最好的维护时间是每年的春季和秋季,不要等到春季和冬季到来。
如果条件只允许每年进行一次维护工作,则最好安排在秋季。
对于安装在城市里、公路边的太阳电池组件,应该适当地增加维护的次数。
定期清洁清除组件表面的灰尘。
1.步骤1:
系统配线
1)断开所有开关。
2)仔细检查系统配线,寻找任何松动、断开、腐蚀的配线和接线的终端。
3)拉动线缆以确保线路连接牢固。
这个内容包括与充放电控制器、逆变器、控制箱、其它组成部分的连接处等。
检查系统配线管道、导线套管,如果已使用旧了,则危险可能会因为潮湿、日
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