太阳能光伏发电并网电站设计与研究-solarbe文库

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A b s t r a c t I n t h i s p a p e r , a s t u d y i s c o n d u c t e d o n t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f g r i d - c o n n e c t e d s o l a r p h o t o - v o l t a i c p o w e r s t a t i o n . T h e g r i d - c o n n e c t e d s o l a r p h o t o - v o l t a i c p o w e r d e m o n s t r a t i o n s t a t i o n i n t h e H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y i s a n a l y z e d a s t h e e x a m p l e . T h e s o l a r p a n e l s o f t h e p o w e r s t a t i o n h a s t h e t o t a l p o w e r o f 1 8 3 6 0 W a n d c o m p r i s e s 1 0 8 p i e c e s 1 7 0 s i n g l e c r y s t a l l i n e s i l i c o n s o l a r c e l l s m a d e b y M S K I n c . i n J a p a n . T h e s o l a r p a n e l s a r e d i v i d e d i n t o 9 g r o u p s a n d a S M C 6 0 0 0 i n v e r t e r i s c o n n e c t e d t o e a c h 3 g r o u p s . T h e a n g l e o f t h e s o l a r c e l l a r r a y i s 3 5 a n d t h e f a c t o r s , s u c h a s , w i n d , t e m p e r a t u r e e t c . , a r e i n c l u d e d i n t h e d e s i g n . T h e S B C P c o n t r o l l e r i s u t i l i z e d o n t h e s y s t e m d e t e c t i o n a n d d a t a t r a n s f e r . I n a d d i t i o n , t w o m e t h o d s a r e p r e s e n t e d t o d e t e c t t h e “ i s l a n d e f f e c t ” . F i n a l l y , t h e p o w e r g e n e r a t i o n d a t a f o r o n e d a y f r o m t h e p o w e r s t a t i o n i s l i s t e d . K e y w o r d s S o l a r p h o t o v o l t a i c p o w e r g e n e r a t i o n S o l a r p a n e l s I n v e r t e r I s l a n d e f f e c t 摘要以华中科技大学太阳能光伏发电并网示范电站为例 , 从设计、应用等角度对太阳能光伏发电并网电站进行了浅析。该电站太阳能电池板总功率 1 8 3 6 0 W , 选用日本 M S K 公司的 1 7 0 型单晶硅太阳能电池板 1 0 8 块 , 分 9 组 , 每 3 组接一个 S M C 6 0 0 0 型逆变器。太阳能电池方阵的倾角为 3 5 ° , 在设计中应考虑风力和温差等影响因素。选用 S B C P 控制器进行系统检测和数据传输。介绍两种 “ 孤岛效应 ” 的检测方法。最后列出了该电站某天的发电数据。关键词太阳能光伏发电太阳能电池板逆变器孤岛效应能源危机与环境污染是构建和谐社会和可持续发展所面临的重大挑战。开发新能源和将可再生能源作为我国未来能源的重要组成部分已十分迫切。太阳能是一种清洁的、取之不尽的可再生能源 , 利用太阳能发电是开拓新能源和保护环境的有效途径。而太阳能光伏发电是新能源和可再生能源中最具有发展前途的方式之一 , 对环境不会造成任何污染。太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的 “ 光伏效应 ” , 将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。 2 0 0 5 年 6 8 月 , 我校经过多次技术研讨 , 决定在华中科技大学校内兴建太阳能光伏发电并网示范电站项目 , 并将此项目设在校内景观地带华中科技大学国际学术交流中心喷泉广场。 1 太阳能光伏发电系统运行方式运行方式基本可分为二类 , 即独立运行和并网运行。 1 . 1 独立运行独立运行的光伏发电系统是靠光电转换来发电 , 需要有蓄电池做储能装置 , 其系统结构如图 1 所示。它主要由太阳能电池阵列、蓄电池组、充电控制器和逆变控制器等组成 , 适用于无电网的边远地区及人口分散地区。由于必须配置蓄电池储能装置 , 所以整个系统造价较高。黄磊华中科技大学建筑设计研究院 , 武汉市 4 3 0 0 7 4 A D e s i g n a n d S t u d y o n G r i d - c o n n e c t e d S o l a r P h o t o v o l t a i c P o w e r S t a t i o n 太阳能光伏发电并网电站设计与研究 H u a n g L e i A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e , H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , W u h a n 4 3 0 0 7 4 , C h i n a 图 1 独立运行的光伏发电系统框图 F i g . 1 B l o c k d i a g r a m o f g r i d - d i s c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i n g e l e c t r i c i t y s y s t e m 太阳能光伏发电并网电站设计与研究黄磊 1 9 6 7 F e b . 2 0 0 7 V o l. 2 6 N o . 2 B U I L D I N G E L E C T R I C I T Y2 0 0 7 年第 2 期 “ 1 . 2 并网运行在有公共电网的地区 , 光伏发电一般与电网连接 , 即并网运行方式。本电站项目即采用此种方式。光伏并网发电系统是将许多独立的太阳能发电系统的电力通过并网逆变装置并入常规电网 , 把常规电网作为光伏发电系统的载体 , 与常规电网实现高品质电能的双向传输 , 其系统结构如图 2 所示。在本系统中 , 逆变器起关键作用 , 它具有同电网连接功能 , 即 ① 具有高性能滤波电路 , 使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 , 满足国家电网电能质量要求 ; ② 在输出功率 ≥ 5 0 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 5 , 各次谐波分量 3 ; ③ 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 , 功率因数能保持在 1 .0 附近 , 具备反弧岛保护措施。 2 太阳能电池板 2 . 1 性能参数太阳能电池板是直接将太阳能转换为电能的关键部位 , 本项目的太阳能电池板由日本 M S K 公司捐赠。国际国内已能商品化生产的太阳能电池板分别为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池板 , 其发电效率分别为 1 2 1 3 、 1 0 1 2 、 4 6 , 单晶硅发电效率最高 , 价格也最贵 , 达到 4 5 元 / W , 占地面积最省。目前国内多选用多晶硅太阳能电池板。日本 M S K 公司提供目前国际上领先的 1 7 0 型单晶硅太阳能电池板 , 共计 1 1 2 块 , 其性能参数指标详表 1 。 2 . 2 太阳能电池板的连接方式设计考虑三相平衡 , 共选取 1 0 8 块太阳能电池板 , 分 9 组 , 每组 1 2 块。每 3 组为一相接一个逆变器 , 每个逆变器容量为 6 k W , 具体连接方式详表 2 。 2 . 3 太阳能电池阵列的倾角因太阳能电池方阵的发电量与其接收的太阳辐射能成正比 , 所以方阵的安装方位和太阳电池阵列的倾角非常重要 , 将太阳能电池板放在华中科技大学一号楼屋顶 , 能直面太阳 , 不受建筑物的阴影遮挡。本设计的方位为正南方设计。根据计算和武汉的纬度 , 以及考虑增大冬季发电量的需求 , 太阳能电池板倾角增大了一些 , 设计倾角为 3 5 ° , 采用钢架支撑 , 底部采用通长的 1 0 0 m m 1 2 . 5 m m 镀锌槽钢固定 , 详图 3 。 2 . 4 光伏阵列设计需考虑的问题光伏阵列的寿命几乎不取决于太阳能电池板本身 , 而是与组件的封装包括连接引线及接插件的质量等有极大关系 , 所以设计中对以下各方面的情况都要加以考虑 a . 各阵列的导线均由 P V C 导线管保护。 b . 方阵的支架和基础设计牢固 , 能经受武汉地区最大风力的考验。 c . 考虑到季节和日夜温差变化 , 在电池组件安装时 , 要精心安装调整 , 不让玻璃受过大的应力例如安装时 F i g . 2 B l o c k d i a g r a m o f g r i d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i n g e l e c t r i c i t y s y s t e m 图 2 并网运行的光伏发电系统框图光电板型号逆变器型号每路串接电池板数量每台逆变器输入路数并网逆变器的数量总功率 W S M K - 1 7 0 S M C 6 0 0 0 1 2 3 3 1 8 3 6 0 T a b . 2 C o n n e c t i o n w a y s o f s o l a r b a t t e r y m o d u l e 表 2 太阳能电池板连接方式型号标称功率工作电压开路电压工作电流短路电流尺寸 m m S M K - 1 7 0 1 7 0 W p 3 6 V 4 4 . 4 V 4 . 7 2 A 5 . 7 2 A 8 0 0 1 6 0 0 表 1 太阳能电池板参数 T a b . 1 P a r a m e t e r o f s o l a r b a t t e r y m o d u l e 图 3 太阳能电池板安装图 F i g . 3 I n s t a l l a t i o n d i a g r a m o f s o l a r b a t t e r y m o d u l e 2 0 6 8 紧固螺钉 , 要加橡胶垫且松紧适度等 , 避免玻璃的损坏。 d . 为便于分路控制 , 太阳电池方阵分为多个支路接入直流控制部分 , 同时各个支路分别接有断路器。 e . 为防止人身误接触太阳能电池板方阵产生的高电压大电流 , 整个太阳能电池板方阵进行可靠的接地。 f . 太阳能电池板设在屋顶 , 应做防雷措施 , 设计选用避雷针作为防直击雷装置。 3 逆变器设计采用 3 台高效逆变器 S M C 6 0 0 0 , 每台逆变器具有光伏最大功率跟踪功能 , 可以实现太阳能电池板与逆变器的最大可能的匹配 , 提高综合发电量。采用多台逆变器结构 , 使系统具有冗余特性 , 可靠性高。各逆变器的输出直接在交流侧并接 , 并可通过统一交流 2 2 0 V 电缆与电网并接。内置电脑控制系统记录运行数据功能 , 采用计算机及专业软件 , 通过数据采集控制器对太阳能电池板运行数据及逆变器参数等进行监控。系统实现全自动运行 , 无需人员操作 , 可靠性高 , 维护方便。采用了两种 “ 孤岛效应 ” 检测方法 , 包括被动式和主动式两种。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 , 通过计算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。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 9 0 s 内完全正常 , 才重新投入运行。需要指出的是 , 任何一种 “ 孤岛效应 ” 的检测的方法均具有其局限性 , 要同时从电站管理上来杜绝检修人员伤亡事故的发生 , 当停电对设备和线路进行检修时 , 必须先断开并网逆变器。同时 , 逆变器均带有隔离变压器 , 使得逆变器的直流输入和交流输出之间电气隔离开来。直流侧的光伏组件阵列为 “ 浮地 ” , 正负极与地之间都没有电气连接 , 且逆变器在运行过程中 , 随时检测直流正负极的对地阻抗 , 从而保证了逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。在系统数据通讯系统中 , 使用了 S M A 的 S u n n y B o y C o n t r o l P l u s S B C P 控制器进行系统监测和数据传输 , 它配有模拟和数字输入输出通道 , 可以通过 R S 4 8 5 通讯电缆将 3 台 S M C 6 0 0 0 逆变器联接 , 然后再与 S B C P 控制器相连即可。 4 电站运行效果整个太阳能光伏发电并网电站系统图详图 4 。本工程于 2 0 0 5 年 8 月底建成 , 到目前为止 , 电站运图 4 光伏电站系统图 F i g . 4 S y s t e m d i a g r a m o f p h o t o v o l t a i c s t a t i o n 太阳能光伏发电并网电站设计与研究黄磊 2 1 6 9 F e b . 2 0 0 7 V o l. 2 6 N o . 2 B U I L D I N G E L E C T R I C I T Y2 0 0 7 年第 2 期 “ 重要会议预告行平稳 , 各项工作参数正常电站某天发电数据见表 3 , 成为华中科技大学典型的光伏建筑。它除了具有游园观赏功能外 , 还成为我校高科技普及教育的活教材、中外合作的经典范例。参考文献许洪华等 . 深圳国际园林花卉博览园 1 M W p 并网光伏电站系统描述及效益分析 . 建筑与自然能源 , 2 0 0 5 1 2 2 - 2 6 . 发电功率 k W 总发电度数 k W · h 当天发电度数 k W · h 运行时间操作时间 h 模式错误 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 0 9 ∶ 3 0 ∶ 0 0 4 . 5 7 2 1 3 4 9 . 1 6 4 W a i t i n g 等待 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 0 9 ∶ 4 5 ∶ 0 0 5 . 7 8 1 1 3 5 0 . 5 9 2 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 0 ∶ 0 0 ∶ 0 0 7 . 4 9 3 1 3 5 2 . 4 5 0 1 1 . 5 1 2 3 . 9 6 1 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 0 ∶ 1 5 ∶ 0 0 7 . 1 0 3 1 3 5 4 . 1 8 3 1 3 . 2 4 5 4 . 2 1 0 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 1 ∶ 0 0 ∶ 0 0 6 . 9 4 4 1 3 5 9 . 3 4 0 1 8 . 4 0 2 4 . 9 5 9 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 2 ∶ 0 0 ∶ 0 0 6 . 4 3 4 1 3 6 6 . 9 5 5 2 6 . 0 1 7 5 . 9 6 0 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 3 ∶ 0 0 ∶ 0 0 7 . 2 8 0 1 3 7 4 . 8 1 0 3 3 . 8 7 2 6 . 9 5 0 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 4 ∶ 0 0 ∶ 0 0 5 . 8 7 4 1 3 8 2 . 9 7 9 4 2 . 0 4 1 7 . 9 5 2 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 5 ∶ 0 0 ∶ 0 0 6 . 1 0 6 1 3 8 9 . 6 8 5 4 8 . 7 4 7 8 . 9 5 2 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 6 ∶ 0 0 ∶ 0 0 1 . 7 9 3 1 3 9 3 . 5 9 7 5 2 . 6 5 9 9 . 9 5 0 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 7 ∶ 0 0 ∶ 0 0 0 . 9 9 3 1 3 9 5 . 5 3 4 5 4 . 5 9 6 1 0 . 9 5 2 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 8 ∶ 0 0 ∶ 0 0 0 . 0 8 3 1 3 9 5 . 9 4 2 5 5 . 0 0 4 1 1 . 9 5 0 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 8 ∶ 1 5 ∶ 0 0 0 . 0 0 6 1 3 9 5 . 9 5 2 5 5 . 0 1 4 1 2 . 2 0 2 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 8 ∶ 2 0 ∶ 0 0 0 . 0 0 0 1 3 9 5 . 9 5 2 5 5 . 0 1 4 1 2 . 2 8 3 O p e r a t i n g 工作 2 0 0 5 - 9 - 2 8 A 9 P 9 1 8 ∶ 2 5 ∶ 0 0 0 . 0 0 0 1 3 9 5 . 9 5 2 5 5 . 0 1 4 1 2 . 3 6 9 O p e r a t i n g 工作表 3 太阳能光伏发电并网电站一台逆变器某天发电的数据计量表 T a b . 3 O n e i n v e r t e r g e n e r a t i n g e l e c t r i c i t y m e t e r i n g d a t a o f p h o t o v o l t a i c g r i d - c o n n e c t e d s t a t i o n i n o n e d a y 参考文献许洪华等 D 深圳国际园林花卉博览园 * 并网光伏电站系统描述及效益分析 . 建筑与自然能源 , 2 0 0 5 1 2 2 - 2 6 . 由全国建筑电气设计技术协作及情报交流网、中国建筑西南设计研究院联合举办的 , 全国建筑电气设计技术协作及情报交流网 2 0 0 7 年年会 , 定于 2 0 0 7 年 1 1 月上旬在云南省昆明市召开。这次年会受到各级领导的高度重视和全网的大力支持 , 将是全国建筑电气界的一次盛会。参会的代表有全体理事、常务理事 , 同时邀请了全国各省市大中型设计单位的工程技术人员和电气界的众多专家、教授 , 特别邀请了建设单位和施工单位的代表参加。与会代表十分需要了解企业信息和企业产品信息 , 因此邀请国内外研制生产高低压电器、成套电器、电工器材、照明器材、电源设备、控制设备、节能电器等的厂家、公司代表光临年会。通过学术交流、新产品、新材料、新设备展示 , 构筑设计、施工、产品交流平台 , 激励互动机制 , 探讨建筑电气新技术 , 为促进全国建筑电气科技进步和电气产品的创新 , 推动节能、环保的可持续发展做出新的贡献。本次年会总结以往的经验 , 继续做好 a . 充分利用展台 , 增加展台前的交流 , 便于了解产品和研讨产品。 b . 会上论文交流与产品介绍 , 简明扼要 , 注重实效。 c . 充分发挥大会提供的企业名录的作用 , 让与会代表对参会企业和产品有清晰的了解 , 便于相互联系和交流。意欲参加本次年会 , 请与全国建筑电气设计技术协作及情报交流网秘书处联系。联系人陈白瑶 0 1 3 9 8 0 9 0 0 8 3 5 0 2 8 - 8 3 2 3 3 7 2 9 杨玲 0 2 8 - 8 3 2 3 3 7 1 9 传真 0 2 8 - 8 3 2 3 3 7 1 2 地址成都市星辉西路 8 号中国建筑西南设计研究院邮编 6 1 0 0 8 1 全国建筑电气设计技术协作及情报交流网秘书处供稿 ““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ 2 2 7 0