太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目設(shè)計方案.doc

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目設(shè)計方案時間:2013-07-11 10:22來源:未知 作者:黃亮 點擊: 次摘 要：以中節(jié)能錫鐵山二期20 MWp并網(wǎng)光伏電站項目為例，分析了目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電項目中的主要設(shè)計方案，并結(jié)合實際工程條件、施工條件、可操作性、經(jīng)濟性等進行了研究和比較得出了合理的設(shè)計方案。 摘 要：以中節(jié)能錫鐵山二期20 MWp并網(wǎng)光伏電站項目為例，分析了目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電項目中的主要設(shè)計方案，并結(jié)合實際工程條件、施工條件、可操作性、經(jīng)濟性等進行了研究和比較得出了合理的設(shè)計方案。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電,光伏組件,逆變器,固定支架,跟蹤支架,最佳傾角1光伏并網(wǎng)發(fā)電光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有了幾十年的歷史，且發(fā)展迅速，目前是一種較為成熟、可靠的技術(shù)，并逐漸從過去用于獨立的系統(tǒng)，朝大規(guī)模并網(wǎng)方向發(fā)展。光伏并網(wǎng)發(fā)電標(biāo)志著光伏發(fā)電由邊遠地區(qū)離網(wǎng)和特殊應(yīng)用向電網(wǎng)電源發(fā)展、由補充能源向替代能源轉(zhuǎn)變、人類社會開始建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的能源體系。光伏發(fā)電將在中國未來的電力供應(yīng)中扮演重要的角色，預(yù)計到2020年累計裝機將達到30 GWp;2050年將達到100 GWp。隨著光伏電池技術(shù)的進步，其發(fā)電成本將會進一步降低，并能夠和常規(guī)的化石能源發(fā)電技術(shù)相競爭1。2項目背景項目名稱：中節(jié)能錫鐵山二期20 MWp并網(wǎng)光伏電站項目。項目建設(shè)工期：2011年7月至2011年9月。項目建設(shè)規(guī)模為20 MWp，其中18 MWp是固定支架安裝陣列，2 MWp是單軸跟蹤支架陣列。項目地處內(nèi)陸荒漠，高海拔，空氣稀薄，潔凈、透明度好，云雨稀少，日照時間長。年平均日照時數(shù)達3 100 h以上。當(dāng)?shù)?000年至3主要設(shè)計方案3.1 多晶硅太陽能電池組件3.2 光伏陣列最佳傾角方陣傾角選為37最為合適，使得全年范圍內(nèi)傾斜面上的總輻射量最高，達2238 kWh/(m2a)。3.3 太陽電池方陣間距光伏陣列間距垂直距離應(yīng)不小于D值。使用軟件可以模擬太陽照射，在不同陣列間距下產(chǎn)生陰影遮擋的時間。固定安裝組件排布方式以40塊組件為1個單元， 組件豎向雙排布置。陣列前后排間距D為8 600 mm。3.4 逆變器逆變器選用單臺功率為500 kW大功率逆變器。工作方式采用各自獨立并網(wǎng)。逆變器與輸電網(wǎng)的連接通過升壓變壓器完成，逆變器自身不帶變壓器，逆變后直接通過升壓變壓器完成升壓和隔離的功能。逆變器主要功能，采用MPPT技術(shù)，具有極性反接保護、短路保護、孤島效應(yīng)保護、交流過流及直流過流保護、直流母線過電壓保護、電網(wǎng)斷電、電網(wǎng)過欠壓、電網(wǎng)過欠頻、低電壓穿越等保護功能。3.5 接線原則光伏組件采用串聯(lián)升壓、并聯(lián)匯流、二級匯流、就地逆變、就地升壓的接線原則。3.6 匯流箱帶監(jiān)控功能，監(jiān)控各串聯(lián)回路電流，及時發(fā)現(xiàn)故障并檢修和更換。一級匯流箱主要采用16匯1的形式設(shè)計。3.7 電氣主接線方案采用國內(nèi)較先進的組陣方案。將固定傾角安裝的多晶硅光伏電池組件按每1 MWp為1個光伏并網(wǎng)發(fā)電矩陣，每20個多晶硅光伏電池組件1串，組成1個小的發(fā)電單元，再按照16進1方式和15進1方式，分別進入75.2 kWp的匯流箱和70.5 kWp的匯流箱，由各個匯流箱進行第一級回流后，再經(jīng)直流匯流柜，進行第二級集中匯流后，分別由2個500 kWp的逆變器交流逆變后送入1 250 kVA的箱變低壓側(cè)，經(jīng)箱變升壓至10 kV后，按每5 MWp容量一環(huán)的環(huán)接方式，接至廠內(nèi)10 kV母線段。3.8 高壓開關(guān)高壓環(huán)網(wǎng)柜采用負荷開關(guān)加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合的保護配置。3.9 箱式變壓器采用全密封油浸式分裂變壓器。容量1 250 kVA，型號S9M-1250/10，1250/625-625 kVA;10.52*2.5%/0.27/0.27 kV，聯(lián)結(jié)組別為D,y11，y11。3.10 電纜電池組串連至匯流箱的直流電纜選用pfG 1169 PV1-F 1x4 mm2光伏專用電纜，正負極分開，單拼敷設(shè);匯流箱至直流配電柜的直流電纜選用YJV22-1.0 2*50型及YJV22-1.0 2*25型，單拼設(shè);逆變器至1250 kVA升壓變壓器的交流電纜選用三芯電纜YJV22-1.0-3*150，6拼敷設(shè)。3.11 光伏陣列防雷接地光伏陣列區(qū)防雷與接地，采用發(fā)電單元外輪廓的鋁合金外框作為防止直擊雷過電壓保護接傘器，發(fā)電單元的鋁合金外框與其鋼支架可靠連接后,通過60X8的熱鍍鋅扁鋼，與地下的主接地網(wǎng)相連，組成1個立體的防雷體系，此外各個設(shè)備均與主接地網(wǎng)做到可靠連接。3.12 組件支架基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)固定陣列太陽能電池組支架采用鉆孔灌注樁地基處理，樁徑取用300mm。單軸跟蹤太陽能電池組支架采用天然地基。固定支架采用前后支墩式全鉸接鋼結(jié)構(gòu)框架，設(shè)置縱向柱間中心支撐和橫梁下部偏心支撐。柱間距1.5 m，縱向間距3.3 m。4主要設(shè)計方案分析4.1 太陽能電池組件分析目前市場占有率和性價比較高的是多晶硅太陽能電池組件。組件的功率選擇應(yīng)考慮產(chǎn)品成熟功率較大的組件，可以減少組件數(shù)量，使組件間連接點少，故障幾率減少，接觸電阻小，線纜用量少，系統(tǒng)整體損耗也會降低。4.2 光伏陣列最佳傾角設(shè)計一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鰹楫?dāng)?shù)靥柲茈姵亟M件安裝的傾角。當(dāng)然如果采用計算機輔助設(shè)計軟件，可以進行太陽能電池傾斜角的優(yōu)化計算，使兩者能夠兼顧就更好，這對于高緯度地區(qū)尤為重要2。選擇的最佳傾角，應(yīng)使組件傾斜面上收到的全年太陽輻射量最大，使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)全年獲得最大發(fā)電量。4.3光伏陣列間距設(shè)計光伏陣列前后排之間必須保持一定距離，以免前排陣列擋住后排陣列的陽光。因此需要確定前后排方針之間的最小距離本工程地處北半球，最小間距確定原則是，冬至日的正常發(fā)電時間內(nèi)，后排的陣列不應(yīng)被前排陣列遮擋。4.4逆變器選擇選擇500 kW 級逆變器并機方案主要原因是簡化系統(tǒng)接線，同時大功率逆變器效率較高，利于降低運行損耗、提升光伏電場整體效率。500 kW 級逆變器，可成對并機為1 MW單元，配定制的低壓側(cè)帶分裂繞組的1 MVA箱式變壓器，組成1 MW 光伏逆變升壓單元。逆變器MPPT技術(shù)是在光照和溫度等外界條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)通過控制改變太陽能電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點上，從而保證光伏陣列始終保持最大功率輸出3。大中型光伏電站應(yīng)具備一定的低電壓穿越功能;電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時，若光伏電站并網(wǎng)點考核電壓全部在電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，光伏電站應(yīng)保證不間斷并網(wǎng)運行，否則光伏電站停止向電網(wǎng)線路送電4。光伏電站的低電壓穿越能力需要由逆變器實現(xiàn)。4.5 接線方式分析按照：20個組件為1個串聯(lián)回路，16個串聯(lián)回路并聯(lián)共6路，另15個串聯(lián)回路并聯(lián)共1路，組件串聯(lián)總數(shù)為111串，陣列容量為521.7 kWp。本工程按1 MWp 光伏陣列進行分區(qū)，每個分區(qū)集中逆變升壓，設(shè)置2臺500 kW逆變器。每個分區(qū)按照達到1 MWp 總功率的最優(yōu)值布置14個一級匯流箱。分區(qū)陣列總功率為1.0434 MWp。1 MWp分區(qū)組件安裝總功率的設(shè)計應(yīng)該考慮建設(shè)初期投資和不同氣候條件下的實際發(fā)電功率，并結(jié)合逆變器額定輸出功率和最大輸出功率進行計算。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，在陰天氣候條件下，1 MWp分區(qū)遠不能達到額定功率輸出;而在氣候條件最佳的時候，滿發(fā)的情況在一年當(dāng)中寥寥無，即使?jié)M發(fā)時間也很短暫。如果分區(qū)組件配置數(shù)量過多必定會導(dǎo)致建設(shè)初期投資增加，而實際發(fā)電量總體不會有顯著增加。4.6 設(shè)備布置分析匯流箱居中布置，逆變器和變壓器居中布置于陣列中間位置以減少電纜的長度，降低線損。逆變站和箱變須對其南、北面及左側(cè)的太陽電池組件在正常發(fā)電時間內(nèi)不產(chǎn)生陰影遮擋4.7 發(fā)電量分析發(fā)電量計算可以利用RETScreen軟件，建立工程信息由軟件自動計算生成。也可以采用理論公式進行計算。根據(jù)本項目軟件計算值和理論計算值對比，偏差小于0.25%，最終采納軟件計算值。年上網(wǎng)電量實際受多方面因素影響，其中的效率計算要考慮組件的匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度影響、電纜傳輸損失、逆變器效率、升壓變壓器的效率等。理論總利用率一般在76%82%。由于多晶硅電池組件25 a后衰減率為20%，取25 a內(nèi)加權(quán)平均值，估算每年衰減率為0.8%?？梢杂嬎愠?5 a的上網(wǎng)電量估算值，得出每年的平均上網(wǎng)電量估算值。4.8 電氣設(shè)備選擇分析電氣設(shè)備應(yīng)滿足所在環(huán)境條件下的正常運行，應(yīng)充分考慮到高海拔、高、低溫對逆變器的影響，滿足連續(xù)運行實現(xiàn)滿功率發(fā)電。箱變一般采用歐式箱變或美式箱變，美式箱變的優(yōu)點是體積小占地面積小、便于安放價格比歐式箱變便宜。歐式項目變體積大，可以設(shè)置配電自動化，價格高于美式箱變。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的造價昂貴，在發(fā)生線路故障時，要求線路切斷時間短，以保護設(shè)備。熔斷器的特性要求具有精確的時間-電流特性;有良好的抗老化能力;達到熔斷值時能夠快速熔斷;具有良好的切斷故障電流能力，有效切斷故障電流。根據(jù)以上特性，可以把該熔斷器作為線路保護，和并網(wǎng)逆變器以及整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的保護使用，并通過選擇合適的熔絲曲線配合，實現(xiàn)上級熔斷器與下級熔斷器及熔斷器與變電站保護之間的配合。4.9 光伏陣列防雷接地分析匯流箱的每路輸入配有光伏專用高壓防雷器，具備防雷功能，具有高直流耐壓值，可承受的直流電壓值不小于1 000 Vdc。目前國內(nèi)光伏電站普遍采用利用光伏電池組件自身鋁合金外框做接閃器，再將接閃器與光伏組件支架可靠連接，最后與主接地網(wǎng)連接組成的立體網(wǎng)防雷保護。但此種方案不能保證在雷擊生時，巡檢人員的人身安全，同時也與光伏組件的自身絕緣有關(guān)。采用避雷針或避雷線雖是目前防治直擊雷過電壓保護的成熟方案，但對于太陽能光伏電站而言，由于光伏陣列面積較大，需用避雷針數(shù)量較多，高度較高，在晴好天氣會對光伏陣列造成遮擋，影響發(fā)電量;故太陽能光伏電站可以將雨天禁止人員進入光伏陣列寫入運行規(guī)程中，以避免發(fā)生雷擊時對誤入光伏陣列的人員造成人身傷害。4.10 固定陣列太陽能電池組件支架基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)分析目前支架基礎(chǔ)主要有鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)、預(yù)制樁(或小直徑300 mm鉆孔灌注樁)基礎(chǔ)和螺旋樁。支架結(jié)構(gòu)主要有：檁條采用冷彎薄壁卷邊Z型鋼，支撐和橫梁均采用角鋼，并設(shè)置橫向水平支撐維護上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;采用前后支墩式全鉸接鋼結(jié)構(gòu)框架，并在前后柱列分別布置剛性中心支撐，在橫向柱間布置人字型支撐;將橫梁延長并加高前排支墩，使低端直接支承在支墩上;將縱向柱距拉大，并設(shè)置縱向柱間中心支撐和橫梁下部偏心支撐;以1 MW光伏陣列的支架系統(tǒng)為例，各種方案的經(jīng)濟比較見表4。結(jié)合本工程的實際情況，從保護環(huán)境、可操作性、經(jīng)濟性、施工難易程度等諸多方面考慮，采用單列柱型式作為光伏組件的支撐體系，鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。目前也有采用鉆孔灌注樁和螺旋樁兩種方式，這兩種基礎(chǔ)的優(yōu)點在于避免大面積開挖回填等土方工程，施工快捷方便、大幅縮短施工周期，造價低。但是螺旋樁在單樁承載力、上部支架連接的可靠性和防腐蝕性上存在隱患。5結(jié)語：對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項目設(shè)計方案的總結(jié)：a)單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率高于多晶硅，但價格比多晶硅太陽能電池高10%左右。隨著單晶硅的技術(shù)發(fā)展和普及，設(shè)計中可以逐步采用單晶硅太陽能電池取代多晶硅太陽能電池;b)單軸跟蹤、雙軸跟蹤與固定傾角安裝相比，發(fā)電量可再提高約20%和40%，同時也產(chǎn)生了跟蹤軸旋轉(zhuǎn)機械的用電及維護等需求。而沙塵暴和大風(fēng)天氣會影響跟蹤軸的正常運行，導(dǎo)致機械故障頻繁。跟蹤方式安裝數(shù)量目前遠低于固定傾角安裝方式，但隨著跟蹤技術(shù)的發(fā)展和缺陷的完善，設(shè)計中應(yīng)多采用跟蹤方式;c)設(shè)計中應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貛r土工程條件、施工難易程度、可操作性、經(jīng)濟性等，采用鋼結(jié)構(gòu)支架體系和鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式;d)在設(shè)計中應(yīng)考慮以下因素提高發(fā)電量：選用損耗低的箱變、主變、電流互感器、電壓互感器和無功補償裝置等;優(yōu)化電力線纜敷設(shè)路徑，縮短導(dǎo)線距離，減小功率損耗;逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)等設(shè)計正常運行采用市電，節(jié)減自用電，提升發(fā)電量。綜合以上分析，光伏并網(wǎng)電站可以充分利用當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源，改善當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染有著良好的社會效益。在設(shè)計過程中應(yīng)優(yōu)化設(shè)計方案，選擇高效率低損耗的設(shè)備，更加有效地利用太陽能資源，提高發(fā)電量。參考文獻：1 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Q/GDW 617-2011 光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定S.北京:中國電力出版社,2011.(責(zé)任編輯：admin)