并网光伏系统设计简析_罗刚

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Ｎｏｖ．２０１４Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１１http // www. jzdq. net. cn誖BUILDINGELECTRICITY2 01 4 年第期11Analysis on Design of Grid - connected PV SystemLUO Gang Yu Sheng （ Air Force Engineering Design Institute ， Beijing 100068， China）罗刚俞晟（空军工程设计研究局，北京市 100068）并网光伏系统设计简析Abstract The paper provides a briefintroduction of the design basis， common software，components and principles of common grid-connectedPV system， as well as principles ， considerations andsome experiences in PV design， including the designconsiderations of PV stent， PV array and venue，selection of grid -connected inverter and form andgrounding for protection against lightning.Key words grid-connected PV system； PVmodule； PV stent； grid-connected inverter ； point ofcoupling （ POC）； BIPV； grounding for protection againstlightning ； monitoring摘要简要介绍常见并网光伏系统设计依据、常用软件、组成部分及其原理，以及光设计中需要把握的原则、注意事项和一些经验教训，包括光伏支架、光伏方阵与场地的设计考虑，并网逆变器的选择、并网形式的选择、防雷接地等。关键词并网光伏系统；光伏组件；光伏支架；并网逆变器；并网点； BIPV ；防雷接地；监控中图分类号 TM615 文献标识码 A0 引言光伏发电系统的广泛应用对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要意义。国家对此非常重视 2006 年开始，全国和各地相继推出了绿色建筑评价标准，将太阳能光伏等可再生能源利用率作为绿色建筑的重要评价指标； 2009 年开始，住建部、财政部、科技部、国家能源局陆续下发了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见、太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法、关于实施金太阳示范工程的通知、太阳能发电科技发展 “ 十二五 ” 专项规划等重要文件，因此近年我国光伏产业快速发展，形成了包括硅材料及硅片、光伏电池及组件、逆变器及控制设备的完整制造产业体系。光伏发电的国内应用市场逐步扩大，发电成本显著降低，市场竞争力明显提高。目前在电价较高的能源紧缺地区，一些设计较好的用户端并网光伏电站已经开始盈利。加上国家和地方的补贴，各地光伏电站的建设也是如火如荼前些年的几 MW 地面光伏电站、几百 kW 光伏建筑一体化电站就是大型光伏工程，现在几百 MW 已很平常。特别是 2013 年 7 月 4 日国务院印发的国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见中提出了近年目标 2013 2015 年，年均新增光伏发电装机容量 1 000 万千瓦左右，到 2015 年总装机容量达到 3 500 万千瓦以上； 2013 年 8 月 9 日，国家能源局又印发关于开展分布式光伏发电应用示范区建设的通知（国能新能［ 2013］ 296 号），可以预见大量的分布式光伏电站设计将成为我们建筑电气设计工作者将来很长一段时间内都大有作为的重要领域。但是，对于广大电气设计工作者来说，光伏系统设计是一个与传统工程设计完全不同的领域，对许多设备和系统可能基本没有概念，更谈不上经验丰富、游刃有余了。下面笔者根据近年来在光伏电站工程设作者信息罗刚，男，空军工程设计研究局，工程师。俞晟，男，空军工程设计研究局，高级工程师，设计室副主任。73428http // www. jzdq. net. cn计、施工、验收、调研和业内交流中积累的经验和教训，对并网光伏系统设计有关内容做归纳介绍。1 国内光伏电站设计依据和常用软件目前光伏电站设计依据主要有 GB 50797 - 2012 光伏发电站设计规范、 GB / T 19939 - 2005 光伏系统并网技术要求、 GB / T 19964 - 2012 光伏发电站接入电力系统技术规定、 JGJ 203 - 2010 民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范、 JGJ/ T 264 - 2012 光伏建筑一体化系统运行与维护规范，以及国标图集 10J908 - 5 建筑太阳能光伏系统设计与安装等。常用设计软件有加拿大自然资源部 CanmetENERGY开发的 RETScreen 系列、上海电力学院编制的光伏系统设计软件系列、 Pvsyst. 4、 BP solar software 等等。利用这些软件可以调阅历史气象数据、进行发电量估算、方阵间距确定、财务投资分析等功能。另外还有一些大型逆变器厂家推出的设计软件，主要用于光伏组件与其逆变器的配合设计。2 并网光伏系统及组成部分并网光伏系统是与公共电网联结的系统。其重要特征是光伏系统相当于并入电网的一个发电机，它输出的交流电压等级、频率、相序和相位等参数均需与电网保持一致，否则就会解列或烧毁设备。因此，并网光伏系统需要时刻监测电网的这些参数并跟随。一旦检测到电网停电，需要自动迅速停止电能输出，防止孤岛运行给检修人员和用电设备带来危害。它与普通发电机的区别是普通发电机可根据负荷的变化进行输出功率的相应调整，而并网光伏系统因其造价较高，本着充分利用可再生能源的原则，采取太阳光能提供给它多少能量它就发相应的电能并送入电网的方案。当系统为自发自用或卖电给用户的用户侧并网时，光伏系统对负荷的缺口（或盈余）由电网提供（或吸纳）。简而言之就是并网光伏系统运行时必须一直与公共电网连接，与电网保持同步，并依赖公共电网来实现功率平衡。用户侧并网光伏系统一般由以下部分组成光伏组件、光伏支架、直流配电、并网逆变器、交流配电、防雷接地、光伏系统监控等；而卖电给电网的电网侧并网光伏系统在以上组成部分的基础上，还增加了并网接入系统，以满足电网对其发电功率预测、监测和调度的需要。典型的用户侧并网光伏系统结构见图 1，典型的电网侧并网光伏系统结构见图 2。图 1 典型的用户侧并网光伏系统结构Fig. 1 Typical structure of user sidegrid- connected PVsystem图 2 典型的电网侧并网光伏系统结构Fig. 2 Typical structure of grid sidegrid- connected PV system并网光伏系统设计简析（罗刚俞晟）分布式光伏发电系统设计专栏73529Ｎｏｖ．２０１４Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１１http // www. jzdq. net. cn誖BUILDINGELECTRICITY2 01 4 年第期11下面逐一介绍系统各组成部分。2. 1 光伏电池和光伏组件常用的光伏电池有多晶硅光伏电池、单晶硅光伏电池、非晶硅薄膜光伏电池；多晶硅光伏电池、单晶硅光伏电池又统称为晶硅光伏电池。此外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒、碲化镉、聚光等许多尚未大规模商业化使用的太阳能电池类型。目前国内一线光伏电池厂家产品化的光伏电池转换效率分别为单晶硅 16. 5 （英利）、多晶硅 15. 9 （天合）、非晶硅5 8 （中玻）。多晶硅材料以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，生产时间缩短，制造成本大幅度降低，加之单晶硅硅棒呈圆柱状，用此制作的光伏电池也是圆片，因而组成光伏组件后平面利用率较低；与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池具有一定竞争优势，也成为目前用量最大的电池。目前晶硅组件广泛用于地面和屋顶光伏系统，以及许多 BIPV （光伏建筑一体化）项目。非晶硅光伏电池是新型薄膜式光伏电池，硅材料消耗很少，电耗更低，虽转换效率低，但它在雾霾和弱光条件下也能较好发电，且在 70° 90° 倾角（光伏电池所在平面与水平面的夹角）和高温的闷顶处发电量下降幅度远小于晶硅电池，还可根据建筑需要做成不同的颜色和透光率，因此广泛用于光伏幕墙、光伏天棚等 BIPV 项目中。目前常用光伏电池见图 3。需要强调的是晶硅光伏电池是已加工处理好的二三百 μ m 厚的薄片，极易破碎，必须在光伏组件生产厂里封装成光伏组件，并通过检测、包装后才能运到现场供工程使用。光伏电池决定了光伏组件和光伏系统的性质。而工程应用中所说的“ 太阳能电池板 ”、 “ 太阳能电池 ” 等实为光伏组件。光伏组件是具有封装及内部联结的，能单独提供直流电流输出的，最小不可分割的光伏电池组合装置，又称 “ 光伏电池组件 ”。光伏组件是将光能转换为直流电能的基本元件，是光伏工程可现场利用或调整的最小元件。目前常用光伏组件见图 4。下面以最常用的多晶硅组件为例，介绍其特性。某 285 W 多晶硅组件伏安特性如图 5 所示。图中由纵坐标开始较为平缓的为电流曲线，由坐标原点开始先升后降的为功率曲线，不同的颜色对应不同的太阳辐照度。由该图可以看出光伏组件可输出最大发电功率随着接收到的太阳辐照度的增大而增加；光伏组件输出最大电流远小于其它发电设备，只是比最佳工作电流略大一些，不需针对组件侧做专门的短路保护。在接收到相同的太阳辐照时，输出电压随着输出电流的增加先是小幅下降，过了最佳工作电压后开始加快下降；在接收到相同的太阳辐照时，根据确定的工作点（电流、电压）不同，输出的电功率不一样，存在一个最大功率点（ MPP），其值等于该太阳辐照度下的最佳工作电流乘以最佳工作电压。此外，光伏组件还有热斑效应在一定条件下，图 4 常用光伏组件Fig. 4 Common PV modules图 3 常用光伏电池Fig. 3 CommonPV cells多晶硅电池正面多晶硅电池背面单晶硅电池正面非晶硅电池多晶硅光伏组件单晶硅光伏组件非晶硅半透明光伏组件非晶硅不透明光伏组件73630http // www. jzdq. net. cn被遮蔽的光伏电池将被当作负荷，消耗其他未被遮蔽的光伏电池所产生的能量并发热。由以上特性可知当光伏组件表面有遮挡阴影或积灰、鸟粪等污物，光伏电池或组件之间参数差异过大，组件串联数不一致等原因均会造成最大功率点不一致，降低发电效率。其中积灰会大幅降低照射到光伏电池的光通量，从而降低光伏组件的发电功率；鸟粪等局部遮挡物如未及时清理，还会因热斑效应大幅降低发电效率，甚至对光伏组件造成永久性损坏，并导致故障范围扩大。2. 2 光伏支架、光伏方阵太阳在每天甚至每一时刻的高度角（太阳直射光线与所在地地平面的夹角）和方位角（太阳直射光线在地平面投影线与所在地经线的夹角）都在变化，故光伏发电系统中发电效率最高的支架是始终让光伏组件垂直于入射太阳光线的双轴跟踪支架系统，其次是只追踪太阳方位角（或高度角）的单轴跟踪支架系统，但追踪机构复杂，建设成本高昂，使用维护要求高，未得到普遍推广应用；目前常用的是固定倾角光伏支架，虽造价低廉，但其倾角在整个寿命周期内保持一个常数值，不能根据相应条件和需要进行调节，不能充分发挥光伏系统的发电能力；经济、便捷的可调倾角支架在越来越多的光伏系统陆续开始使用。光伏方阵又称光伏阵列，是将若干个光伏组件在机械（支架）和电气（电缆）上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构（基础）而构成的直流发电单元。需要确定平面布置方案，各方阵之间的间距和各方阵标高，以及逆变器室、围界、道路等配套设施的布置。方阵之间的间距一般要求冬至日当地时间9 00 15 00 光伏组件方阵不被遮挡。此时光伏方阵之间距离或可能遮挡物与方阵底边垂直最小距离 D可按下式计算 D H cos{ arc sin{0. 648 ÷ cos［ arc sin（ 0. 648 cos φ- 0. 399 sin φ ）］ }} / tan ［ arcsin （ 0. 648 cos φ- 0. 399 sin φ ）］（ 1）式中 φ 纬度（在北半球为正、南半球为负）；H 光伏方阵或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。通过加大光伏方阵不被遮挡的时间来增加光伏系统的发电量非常有限，还会加大占地面积，降低系统可安装容量；而减小光伏方阵不被遮挡的时间则会较多降低光伏系统的发电量，不能充分发挥系统效能。在各种场地中，最有利的是东西向平坦、由南至北逐步升高的无遮挡的斜面平坦场地，其次为平地，最次为由南至北逐步降低并有遮挡不平场地。在处理场地时，要注意避免不管现场地形实际情况，一味把场地平整得一马平川，方阵整齐划一，一律正南（方位角为 0° ），虽然设计计算简单了，安装施工方便了，但土方工程量大，造成植被破坏，水土流失加剧，经济性也大幅下降。比如某海岛光伏电站场地为等高线与一块经线呈 10. 4° 夹角的山地，项目经理工作经验不足，擅自将施工图中方位角由偏西 10. 4°改为 0° ，为此专门从陆地调运了挖掘机上岛，后还因场地高差过大，增加护坡，局部甚至不得不采用挡土墙，造成场地等土建投资成倍增加。通过RETScreen 计算，因此带来的发电量仅增加了 0. 206 ，而带来的植被破坏、水土流失、使用维护难度增加等损失则难以计算 2. 3 并网逆变器并网逆变器是光伏系统的核心设备之一，它将直流电变为可以并入电网的交流电，主要由逆变桥电路、控制电路、滤波电路等构成。逆变器承担着光伏系统的核心管理功能软启动、电压控制、频率控制、 MPPT （最大功率点跟踪）、直流绝缘监测、极性反接保护、防反放电保护、过载短路保护、孤岛效应图 5 285 W 多晶硅光伏组件伏安特性Fig. 5 Volt -ampere characteristics of 285 Wpolycrystalline silicon PV modules并网光伏系统设计简析（罗刚俞晟）分布式光伏发电系统设计专栏73731Ｎｏｖ．２０１４Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１１http // www. jzdq. net. cn誖BUILDINGELECTRICITY2 01 4 年第期11保护、过热保护、防雷接地保护、数据监测、通信接口等。电网侧并网光伏系统的并网逆变器还需有低电压穿越、有功和无功功率连续可调等功能。并网逆变器的典型效率曲线如图 6 所示。从图 6 可见逆变器的转换效率受负载率影响较大，特别是输出功率 / 额定功率之比在 20 以下时，系统转换效率下降较多。因此，一定要根据所带光伏组件的实际发电功率而不是标称功率来确定并网逆变器的额定功率。实际发电功率一般可由光伏仿真软件根据光伏电站所处纬度、太阳能资源、组件类型、组件倾角、方位角、支架类型、系统类型等参数估算得来。结合图 5、图 6 还可以看出接入同一 MPPT 装置（一般为一台逆变器设一套 MPPT 装置，也有为适应 BIPV 发展，在一台逆变器设两套及以上 MPPT 装置）的光伏组件串的串联数量必须相等，但并联数量可以不同，因为逆变器输入功率变化引起的电站转换效率变化远小于光伏组件串的串联数量不一致的MPPT 变化引起的电站转换效率变化。并网逆变器数量应根据所带光伏组件情况确定如倾角、方位角等一致性较好的地面和屋顶，因遮挡较少，一般采用大功率、少台数的逆变器配置方案，以减少造价；而光伏建筑一体化系统因光伏组件需依据建筑造型、采光率等条件布设，造成倾角、方位角、遮挡区域环境温度、积灰等差别较大，就需采用小功率、多台数的逆变器配置方案（甚至使用小功率单相逆变器），每个一致性较好的小区域配置一台逆变器，有效利用每一块场地，有效提高光伏系统整体发电效率和功率。并网逆变器装设位置逆变器有室内型和户外型，选用时应注意与环境匹配。一般电网侧并网光伏系统因采用大功率逆变器，故一般在专用逆变器室内安装，此时需注意逆变器间的散热，也有部分采用成套户外型落地安装； BIPV 项目一般采用小功率多台分散布置，大多采用挂墙安装，如安装在室内或封闭空间内需注意通风和散热问题。2. 4 配电系统及并入电网电缆防机械损伤保护交流电缆和埋地直流电缆按规范进行敷设即可满足要求，需要注意的是支架上直流电缆因为光伏专用电缆目前均未穿管安装，如不加以固定，户外刮风时，引起电缆不停摆动并与支架等物体频繁碰撞摩擦，绝缘极易损坏。电缆接地故障保护多晶硅或单晶硅的光伏系统直流侧一般采用不接地系统，无法通过灵敏度高的漏电保护，常用绝缘监测加线路保护。如采用直流侧线路保护装置只在正极或负极之一装设的方式，容易出现未设保护装置侧末端支路发生二次接地故障，上级保护不能动作，进而烧毁支路线路的情况，有的BIPV 项目甚至因未穿管保护引起彩钢屋面失火。并网点选择电网侧并网光伏系统需根据电网要求配置相关设施后接入高压电网，为维护调度方便，节省经费，一般接入点为一到两个。电网侧并网光伏系统一般需要升压到 10 kV 、 35 kV 甚至 110 kV 来接入电网，这时一般选用分裂绕组变压器带两台同容量不自带隔离变压器的逆变器方式，这样做一可提高系统效率，二可有效避免逆变器输出直流分量超标引起的变压器降容和损坏。而用户侧并网系统则不需拘泥于这些限制，就近接入配电网络，就近消化所发电量，即使有剩余，也可通过该配电干线流到总变电站低压母线，只需校核该线路能否承受剩余电功率的流动，并在该线路检修时注意断开两端电源输入开关即可。尽量避免将所有光伏逆变器交流侧汇聚到一起，再送到总变电站低压母线，通过低压母线再送到各负荷的方式。这种方式会加大电能在线路的损耗，增加对线路可走路由选择的工作量。2. 5 防雷接地因光伏组件均需安装在支架上，支架一般与大地有较好连接要么通过基础支墩与大地连接，要么通过幕墙支撑结构与大楼防雷引下线部分可靠连接，故图 6 并网逆变器的典型效率曲线Fig. 6 Typical efficiency curve of grid - connected inverter73832http // www. jzdq. net. cn较好的方法是在支架上每隔 3 m 左右做 1 根 10 20 cm的接闪杆，并将支架可靠接地或与大楼接闪装置就近连接即可。不需采用高大的接闪杆或是其它特殊接闪装置，既节省费用，又提高了可靠性。目前采用该技术的海岛、山顶数十个光伏电站均未因雷击造成事故。采用多晶硅或单晶硅的光伏系统直流侧一般采用不接地系统，采用非晶硅的光伏系统直流侧一般采用正极或负极接地系统，偶尔也有非晶硅组件要求直流侧采用不接地系统，故直流侧接地与否需看所选用光伏组件的要求。光伏主要设备如逆变器、汇流箱（柜）、配电柜等均已设有浪涌保护器，故没有必要为避雷非在线路中间加一避雷器箱。而是按一般户外电气设备、线槽、金属保护管、电缆铠带等金属物做好接地或就近与屋顶接闪装置可靠连接即可。2. 6 监控光伏系统监控是将光伏系统的逆变器、汇流箱、辐照仪、气象仪、电表等设备通过数据线连接起来，测量设备的交、直流电参数、各种状态信息，并采集气象数据，经通信接口通过 GPRS、以太网、 WIFI 等方式上传到网络服务器或本地电脑，并配置相应软件和数据存储设备形成的系统。该系统可以使用户在互联网或本地电脑上查看相关数据，无需再到现场逐台设备查看状况，有利于进行数据汇总、生成曲线、数据分析，方便电站管理人员和用户对光伏系统的运行数据进行查看，了解设备运行情况和提高维护管理水平，大量节约人力成本。特别是网络远程监控，可以通过手机、邮件等方式通知管理者和技术人员，第一时间发现问题，并通过远程查看数据来判断问题的原因，及时指导现场人员排除故障及隐患，快速恢复发电。光伏系统监控所增加费用有限，对光伏系统的维护、管理、检修和研究等工作水平及效率提升，却有着极大作用。3 结语光伏发电设计是一个新领域，涉及天文、气象、材料、构造、电子、电力、电气、自动控制、设备和工程多门学科，进入该领域的人员都需不断学习、交流、总结相关方面知识，才能完成一个良好的光伏系统设计。在这个光伏信息大爆发时间段，各种理论、思路和产品不断出现，在实际工程中，特别需要对产品的性能、功能、特点等了解掌握清楚，将工程设计与实际产品结合好，避免出现功能缺失或重复；其次，许多产品和工艺尚没有完全统一的国家和行业标准，系统设计、施工及使用的磨合期较短，不像其它电气产品约定俗成的东西很多，需要设计人员多与厂家、甲方、施工等相关人员多沟通，把自己好的思路、理论完美实现，充分发挥光伏系统环境和经济效益，避免出现设计时想当然，施工验收时无法实现的尴尬情况和资源浪费。［ 1］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［ M］．第 2 版 . 北京化学工业出版社， 2009 255 - 315．［ 2］周志敏，纪爱华．太阳能光伏发电系统设计与应用实例［ M］．北京电子工业出版社， 2010 114 - 267．［ 3］杨金焕，于化丛，葛亮．太阳能光伏发电应用技术［ M］．北京电子工业出版社， 2009 19 - 194．［ 4］任新兵．太阳能光伏发电工程技术［ M］．北京化学工业出版社， 2011 18 - 67．［ 5］国家能源局 . 国能新能［ 2013］ 296 号关于开展分布式光伏发电应用示范区建设的通知［ R］， 2013．［ 6］上海电力设计研究院有限公司，中国电力企业联合会． GB 50797 - 2012 光伏发电站设计规范［ S］．北京中国计划出版社， 2012．［ 7］中国建筑设计研究院． JGJ 203 - 2010 民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范［ S］．北京中国建筑工业出版社， 2010．2014 - 09 - 28 来稿2014 - 10 - 30 修回并网光伏系统设计简析（罗刚俞晟）分布式光伏发电系统设计专栏73933