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1 浙江宝利特新能源股份有限公司40KW光伏并网系统技术方案合肥阳光电源有限公司2009-7 2 一、光伏并网发电系统简介及概述江厦 40kwp光伏并网发电项目，组件采用 185wp 的单晶硅组件，开路电压 44.6v，短路电流 5.46a，工作电压 36.8v，工作电流 5.03a针对 40kwp 的太阳能电站，我公司采用分块发电、集中并网方案，设计太阳能方阵分两个单元，采用 1 台 SG10K3和一台 SG30K3并网逆变器，对于 10KW单元，太阳能电池 9 块串联为一方阵，共 6 个方阵，需太阳能电池组件 54 块 , 功率 9.99KW；对于30KW单元，太阳能电池 9 串为一个方阵，共 18 个方阵，需太阳能电池组件 162 块，功率为 29.97KW；此部分共需太阳能电池组件 216 块，实际总功率 39.96KW。为了减少电池串列到逆变器之间的连接线，以及方便操作和维护，本系统的电池串列采用分段连接，逐级汇流的方式接线。即先将部分电池串列通过光伏阵列防雷汇流箱（以下简称“汇流箱” ）汇流，通过直流电缆再接至直流防雷配电柜汇流，然后再与逆变器的直流侧相连。汇流箱的的防护等级为 IP65，可直接固定在太阳电池支架上，其接线方式为 6 进 1出，整个系统需配置 4 个汇流箱。交直流防雷配电柜为户内安装，整个系统配置一台交直流防雷配电柜，交直流防雷配电柜具有 4 路直流输入接口，与 4 台汇流箱相连接，通过内部的配电汇流后与 1 台SG10K3， 1 台 SG30K3并网逆变器的直流侧连接。为了实时监测并网发电系统的运行状态和工作参数以及环境条件，系统应配置 1 套监控装置和环境监测仪，包括工业 PC机、网络监控软件和显示装置。系统的通讯方式可通过 RS485或以太网 Ethernet 实现。整个系统实际总功率为 39.96kwp。光伏电站发电经过逆变器输出工频 50 赫兹、AC380V交流电，输出电力直接接入 250KVA低压变压器低压侧，经过低压变压器低压侧输送到各用电单位。二、系统的安全可靠评估为了确保系统的安全可靠发电，其安全可靠评估可从电能质量、电网稳定性、孤岛效应保护等几个主要方面进行综合评估1 电能质量方面3 ① 对电网电压的影响电网电压的影响从两方面考虑，首先是太阳能发电站并网后对电网的冲击和电压波动，对于日出日落的自然并网、脱网情况，一般出现在早晨并网，傍晚脱网，由于此时太阳能发电器实际上输出功率已经很小，因此对电网没有冲击；当发电设备需要人工调度停机或紧急停机时，其逆变器的功率变化率将严格满足 GB/Z19964光伏发电站接入电力系统技术规定的相关要求，因此对电网电压的影响将保证在规定范围内。其次是并网发电设备自身对电网的适应性，并网逆变器将在三相 380V± 15％范围内运行，这个范围已经远高于国家标准，以适应有可能的电网电压波动。② 对电网频率的影响电网的额定频率为 50Hz，由于并网逆变器内部安装了同步锁相电路，因此逆变器时刻与电网同步运行，同时为能够适应在分布式发电站或微型电网应用的要求，实际的逆变器频率可自动适应至 47Hz-51.5Hz。③ 对电网谐波的影响逆变器在运行时不应造成电网电压波形过度的畸变和注入电网过度的谐波电流，并且逆变器满负载（线性负载）运行时，其电流总谐波畸变率限值为 3。④ 功率因数并网逆变器为能够最大限度的利用，其并网功率因数可达到 0.99 以上，符合相关国家的标准。⑤ 直流分量注入当电网中存在直流分量时对电网的影响是不可忽视的，本光伏电站中并网逆变器，由于其内部已安装了工频隔离变压器，其注入电网的直流分量小于额定交流电流的0.5。2 孤岛效应保护所谓“孤岛效应”是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，主要包括电力公司输电线路维修人员的安全危害；4 影响配电系统上的保护开关动作程序；电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象；当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题；太阳能供电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。防止孤岛效应的基本点和关键点是电网断电的检测，本公司的 SG系列并网逆变器采用了两种“孤岛效应”检测方法被动式和主动式防孤岛保护方案。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。由于被动式方案的检测范围有限，因此为了满足逆变器防孤岛保护安全标准的要求，必须采用主动式方案。主动式方案通过有意地引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。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。本产品中采用的一种方法就是通过在并网电流中注入很小的失真电流，通过测量逆变器输出的电流的相位和频率，采用正反馈的方案，加大注入量。当电网有电时，该扰动对电网电压和频率没有任何影响，当电网失电时，该扰动将会引起电网电压和频率发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。根据 UL1741和 Q/SPS 22 2007（企业标准）相关标准的要求 , 逆变器检测到电网失电后，会在 0.2 秒内立即停止工作并与电网断开。当电网恢复供电时，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内（如 5分钟）完全正常，才重新并网投入运行。3 系统具有完善的保护功能本公司生产的并网逆变器完全参照相关的国家和国际标准（如 IEEE929-2000，UL1741）进行设计，提供了完善的系统保护功能。a. “孤岛效应”防护技术“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，若并网光伏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5 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，导致设备损坏。先进的防护技术均采用了两种“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。本产品中采用的一种方法就是主动对逆变器输出的电流在并网点的频率进行小的扰动，当电网有电时，该扰动对电网电压的频率没有任何影响，当电网失电时，该扰动将会引起电网电压频率发生较大变化，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，会在 0.2 秒内立即停止工作，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5 分钟）内完全正常，才重新投入运行。b. 直流电压保护由于并联在直流母线上的电解电容有一定的耐压值，所以当逆变器的直流输入电压数值超过此设备最高耐压值时，将是十分危险的。逆变器将在 0.2s 内停机，将逆变器与电网断开，并发出警示信号。为了抗 AD检测的误差干扰，当连续 10 次直流电压采样均超出范围时，将进行直流电压保护。当直流输入电压数值低于 MPPT范围时，逆变器此时无法将直流能量并入交流电网。如果此时逆变器已经处于运行状态，逆变器将在 3 分钟内判断直流欠压而内停机，同时将逆变器与电网断开。而如果逆变器处于停止状态，则直流电压必须大于启动电压值，逆变器才开始工作。用户需要特别注意在不同的季节的情况下，环境温度对于太阳电池阵列开路电压的影响，防止直流过压。c. 交流电网电压保护逆变器正常运行时，电网公共连接点（ PCC）处的电压允许偏差应符合 GB12325的规定。三相电压的允许偏差为额定电压的 7，三相电网额定电压为 380V。当电网电压过高或过低时，逆变器在 0.2s 内与电网断开，同时发出警示信号。在实际应用过程中，由于中国电网电压波动比较大，为了增加逆变器的适用范围，并网光伏逆变器的工作电网电压范围可以由用户设定，三相并网逆变器的最大范围为 380V± 15。d. 交流电网频率保护6 逆变器正常运行时，电网公共连接点（ PCC）处频率的允许偏差应符合 GB/T 15945-1995 的规定，即偏差值允许 0.5Hz。电网额定频率为 50Hz。通过 DSP芯片的CAPTURE引脚检测出电网频率，当频率超出 50Hz± 0.5Hz 时，系统在 0.2s 内进行频率保护，将逆变器与电网断开，同时发出警示信号。为了抗干扰，连续 3 次频率超出设定范围时保护。在实际应用过程中，为了增加逆变器的适用范围，并网逆变器的工作频率范围可以由用户设定 , 三相并网逆变器的最大范围为 47～ 51.5Hz。e. 过载保护并网逆变器采用电流的限定方式进行过载保护。当并网交流电流等于额定电流的110％时，将停止 MPPT工作方式，而限定并网电网电流为额定电流的 110％。同时， DSP采集逆变器机箱内和散热器上的温度，并依据该温度进行并网电流的调整。当散热器温度低于 53℃时，逆变器依据 MPPT方式工作。当散热器温度达到 53℃以上时，逆变器将启动散热风扇动作。当散热器温度达到 70℃时，逆变器将根据温度的高低相应地减小并网电流。当散热器温度达到 80℃时，逆变器将暂时停止工作，等待温度降低后再次启动。f. 直流输入端反接保护依靠 IPM 模块中的反向续流二极管，逆变器可以在直流输入端反接时，将直流端短路。由于太阳电池可以短路。所以，此时不会对系统中的器件产生损害。用户可以依据逆变器没有任何反应做出直流输入端反接的判断。三、系统的主要构成太阳能光伏并网发电系统的主要构成如下太阳电池组件；太阳电池支架；直流侧防雷配电单元；光伏并网逆变器；隔离型升压变压器交流防雷配电单元；监测和发电计量单元；整个系统的连接线以及防雷接地装置；7 环境监测仪等。四、系统的主要配置1）太阳电池组件组件采用 185wp 的单晶硅组件。分两个单元，采用 1 台 SG10K3和一台 SG30K3并网逆变器，对于 10KW单元，太阳能电池 9 块串联为一方阵，共 6 个方阵，需太阳能电池组件 54 块 , 功率 9.99KW；对于30KW单元，太阳能电池 9 串为一个方阵，共 18 个方阵，需太阳能电池组件 162 块，功率为 29.97KW；此部分共需太阳能电池组件 216 块，总功率 39.96KW。2）光伏并网逆变器系统配置 1 台 SG10K3,1台 SG30K3. 逆变器参数型号 SG10K3 SG50K3 隔离方式工频变压器工频变压器最大太阳电池阵列功率 11KWp 33KWp 最大阵列开路电压 450Vdc 880Vdc 太阳电池最大功率点跟踪（ MPPT）范围 220-380 450Vdc～ 820Vdc 最大阵列输入电流 50 A 130A MPPT精度 99％ 99％额定交流输出功率 10 KW 50KW 总电流波形畸变率 0.99 0.99 最大效率 94.5 95 欧洲效率 93.5 94 允许电网电压范围（三相） 330V～ 450AC 330V～ 450AC 允许电网频率范围 47～ 51.5Hz 47～ 51.5Hz 夜间自耗电 0W 30W 通讯接口 RS485 RS485 8 冷却方式风冷风冷保护功能极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护等使用环境温度－ 20℃～＋ 40℃使用环境湿度 0～ 95，不结露尺寸（深宽高） 530*900*500 820 1964 646 9 设备外观图（供参考）SG10K3 SG30K3 10 3）光伏阵列防雷汇流箱为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，本系统在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接安装在电池支架上。光伏阵列防雷汇流箱型号 SPVCB-6的性能特点如下1 户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，满足室外安装使用要求；2 可同时接入 6 光伏阵列，每路光伏阵列的最大允许电流为 10A；3 光伏阵列的最大开路电压值为 DC900V；4 每路光伏阵列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为 DC1000V；5 直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用高压防雷器，防雷器采用菲尼克斯品牌；6 直流输出母线端配有可分断的直流断路器，断路器采用 ABB品牌；光伏阵列防雷汇流箱的电气原理框图如下图所示整个并网系统配置 5 台汇流箱。4）直流防雷配电单元太阳电池阵列通过光伏阵列防雷汇流箱在室外进行汇流后，通过电缆接至配电房的直流防雷配电柜再进行一次总汇流。汇流后输入逆变器。直流防雷配电单元的电气原理接线图如下图所示11 直流防雷配电柜的每个配电单元都具有可分断的直流断路器、防反二极管和防雷器。断路器选用 ABB品牌，防雷器选用菲尼克斯品牌。5）交流防雷配电柜光伏并网逆变器的交流输出，经过交流防雷配电柜的计量电度表和配电后，再到电网侧的总输出空开及防雷并入电网。12 6）环境监测仪该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，适用于气象、军事、船空、海港、环保、工业、农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。7）系统防雷接地装置为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。系统的防雷接地装置措施有多种方法，主要有以下几个方面供参考（ 1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖 1～ 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 35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于 4 欧姆。（ 2）在配电室附近建一避雷针，高 15 米，并单独做一地线，方法同上，配电室在地下室不需要避雷针。（ 3）直流侧防雷措施电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电单元，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。（ 3）交流侧防雷措施每台逆变器的交流输出经交流防雷配电单元（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。13 8）防逆流装置鉴于电网为防止逆变器逆流而影响电网安全，并网逆变器可装设防逆流保护装置。采用防逆流控制装置对三相交流电网进行实时监测，根据供电回路的功率流向，对光伏并网发电进行必要的控制。防逆流系统原理框图如下交流电网AC380/220V,50Hz断路器负荷用电光伏发电①②防逆流配电柜控制装置控制点测量点检测交流电网（ AC380V， 50Hz）供电回路三相电压、电流（测量点①），判断功率流向，如果电网供电回路出现逆功率现象，自动控制光伏并网系统的接入点断开（控制点②），停止光伏并网发电；如果电网供电回路的逆功率消失，自动控制光伏并网系统的接入点闭合，恢复光伏并网发电。防逆流控制装置的外围检测设备（如电压、电流互感器），用户需根据图纸设计自行安装在现场的低压配电柜内。五、光伏并网逆变器的监控单元本工程的光伏并网发电系统采用高性能工业控制 PC机作为系统的监控主机，配置光伏并网系统专用网络版监测软件 SPS-PVNET（ Ver2.0 ），采用 RS485或 Ethernet 以太网远程通讯方式，可以连续每天 24小时对所有的并网逆变器运行状态和数据进行监测。1 监控主机的照片和系统特点如下14 嵌入式低功耗 Eden处理器；带 LCD/CRT VGA；以太网口；RS232/RS485通讯接口；USB2.0；256M 内存可升级；40G 笔记本硬盘可升级；工控机和所有光伏并网逆变器之间的通讯采用 RS485总线通讯方式。2 光伏并网系统的监测软件使用本公司开发的大型光伏并网系统专用网络版监测软件 SPS-PVNET（ Ver2.0 ），该软件可连续记录逆变器的运行数据和故障数据如下实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计 CO2总减排量以及每天发电功率曲线图；可查看每台逆变器的运行参数，主要包括（但不限于） a. 直流电压b. 直流电流c. 直流功率d. 交流电压e. 交流电流f. 逆变器机内温度g. 时钟h. 频率i. 功率因数j. 当前发电功率k. 日发电量l. 累计发电量15 m. 累计 CO2 减排量n. 每天发电功率曲线图监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少包括以下内容a. 电网电压过高b. 电网电压过低c. 电网频率过高d. 电网频率过低e. 直流电压过高f. 逆变器过载g. 逆变器过热h. 逆变器短路i. 散热器过热j. 逆变器孤岛k. DSP故障l. 通讯失败3 监控软件具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外和室内环境温度和电池板温度等参量。4 可每隔 5 分钟存储一次电站所有运行数据，包括实时存储环境数据、故障数据等参数。5 可连续存储 20 年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。6 可提供中文和英文两种语言版本。7 可长期 24 小时不间断运行在中文 WINDOWS 2000， XP 操作系统。8 可以根据需要修改监控界面，包括定制各种照片、标语、口号等。9 可提供多种远端故障报警方式，至少包括 SMS短信方式， E-MAIL方式。10 监控主机在电网需要停电的时候可接收电网的调度指令。11 监控主机同时提供对外的数据接口，即用户可以通过网络方式，异地实时查看整个电源系统的实时运行数据以及历史数据和故障数据。下图是我公司的光伏并网电站的监控界面部分截图16 17 18 六、系统框图注1）直流配电单元和交流配电单元可组一面屏交直流配电柜。2）系统有两部分组成，第一部分一台 SG10K3 和一台 SG30K3 组成 ,第二部分由两台SG10K3 组成，组件经过光伏防雷箱汇流后接入配电房。3）配电单元装置，光伏并网逆变器均放置于配电房内。19 七、设备配置清单根据上述系统的设计，我公司可提供的设备配置清单如下序号名称型号规格数量1 第一部分光伏并网逆变器SG10K3 1 台SG50K3 1 台第二部分光伏并网逆变器 SG10K3 2 台2 直流配电防雷汇流箱 SPVCB-6 5 台3 交直流防雷配电柜 1 台4 防逆流装置 1 套5 工控机 EBOX746-EFL 1 台6 监控软件 SPS－ PVNET 1 套7 环境监测仪 SSYW-001 1 套8 系统接地防雷装置 1 套