案例分享：5MW大型并网光伏电站技术方案详解（上）

案例分享 5MW 大型并网光伏电站技术方案详解（上） 导读 本项目拟建设 5兆瓦大型并网光伏电站。出于项目经济性及技术可靠性方面的考 虑，采用固定式太阳能电池方阵（方阵倾角 45），暂不考虑采用跟踪系统。 一、项目概况 本项目拟建设 5兆瓦大型并网 光伏 电站。出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑， 采用固定式 太阳能电池 方阵（方阵倾角 45），暂不考虑采用跟踪系统。 5MWp光伏电站共 安装 21744块 230Wp太阳能 电池 组件 （ 形成由 18块串联， 1208列支路并联的阵列）， 120 台智能汇流箱， 20台直流配电柜， 20 台 250kW并网 逆变器 ， 5台交流配电柜， 5台 S9- 1250/35变压器和 1套综合监控系统。项目建设工期 1 年， 25 年内该系统年平均上网电量 约为 604.32万 kWh，每年 减排温室气体 CO2约 5795.43 吨。光伏阵列分别接入 120台智能 汇流箱，每 6台智能汇流箱经 1台直流配电柜与 1台 250kW的逆变器连接， 5MWp电站共计 20台 250kW的逆变器，经逆变器转换后的 400V交流，经站内集电线路，每 4台逆变器与 1 台 S9-1250/35变压器连接升压至 35kV，经 35kV输电线路接到汇流升压站的 35kV低压 侧。 电站周边设围墙，站内建轻钢结构配电室。电站内不设独立的避雷针，但在 太阳能电 池板 金属固定架上设置简易避雷针作为保护。防止太阳电池板方阵设备遭直接雷击。太阳 电池方阵通过电缆接入防雷汇流箱，汇流箱内含有防雷保护装置，经过防雷装置可有效地 避免雷击导致设备的损坏。按电力设备接地设计规程，围绕建筑物敷设闭合回路的接 地装置。电站内接地电阻小于 4欧，不满足要求时添加降阻剂。 光伏系统 直流侧的正负电 源均悬空，不接地。太阳电池方阵支架和机箱外壳接地，与主接地网通过钢绞线可靠连 接。 二、方案设计 2.1 方案总体思路 2.1.1 设计依据 中华人民共和国可再生能源法 IEC 62093光伏系统中的系统平衡部件 -设计鉴定 IEC 60904-1光伏器件第一部分 光伏电流 -电压特性的测量 IEC 60904-2光伏器件第二部分 标准太阳电池的要求 DB37/T 729-2007光伏电站技术条件 SJ/T 11127-1997光伏（ PV）发电系统过电保护－导则 CECS84-96太阳光伏电源系统安装工程设计规范 CECS 85-96太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范 GB2297-89太阳光伏能源系统术语 GB4064-1984电气设备安全设计导则 GB 3859.2-1993半导体逆变器 应用导则 GB/T 14007-92陆地用太阳电池组件总规范 GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度 GB/T 18210-2000晶体硅光伏方阵 I-V特性的现场测量 GB/T 18479-2001地面用光伏（ PV）发电系统概述和导则 GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求 GB/T 19964-2005 光伏发电 站接入电力系统技术规定 GB/T 20046-2006光伏（ PV）系统电网接口特性 GB/T 20514-2006光伏系统功率调节器效率测量程序 2.1.2 设计说明 本项目拟建设 5MWp 并网 光伏 电站，系统没有储能装置，太阳电池将日光转换成直流 电，通过 逆变器 变换成 400V 交流电，通过升压变压器与 35kV 高压输电线路相连，再通 过输电线路将电力输送到变电站。有阳光时， 光伏系统 将所发出的电馈入 35kV线路，没 有阳光时不发电。当电网 发生故障或变电站由于检修临时停电时，光伏电站也会自动停机 不发电；当电网恢复后，光伏电站会检测到电网的恢复，而自动恢复并网发电。建设内容 如下 5MWp光伏电站和高压输电网并网的总体设计 大型光伏电站与高压电网并网接入系统和保护装置开发 单台功率为 250kW 的三相 光伏并网 逆变器的引进、消化吸收 研究采用多机并联方式实现大型光伏并网逆变系统的控制调度策略 研究多台逆变器同时并网的互相影响及对抗策略 大型光伏电站运行参数监测及远程数据传输和远程控制技术 开发功能完备的大型光伏电站中心监控软件 5MWp大型并网光伏电站的施工建设和运行 大型并网光伏电站技术、经济、环境评价 2.1.3设计原则 5MWp大型并网光伏电站，推荐采用分块发电、集中并网方案。由于 太阳能电池 组件和 并网逆变器都是模块化的设备，可以象搭积木一样一块块搭起来，也特别适合于分期实 施。 5MWp光伏电站可以分为 5个 1MWp的子系统，而 1MWp 的子系统也必须由更小的子系统 组合而成。按照 5个 1MWp的光伏并网发电单元进行设计，并且每个 1MWp发电单元采用 4 台 250kW 并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的 电池组件 采用串并联的方式组成多 个 太阳能 电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵防雷汇流箱后接入直流配电柜，然后经 光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入 0.4kV/35kV 变压配电装置。 设计的基本原则 1MWp 太阳电池组件子系统可以分为 4 个 250kWp 方阵，分别与一台 250kW 逆变器相 连， 4 台逆变器的输出并联接入升压变压器的初级；每个 1MWp 光伏子系统配备一台 1250kVA 的升压变压器， 5MWp 光伏电站共需要 5 台升压变压器。 5 台升压变压器的次级 （高压侧）并联与 35kV高压电网相 连。 2.1.4进度安排 5兆瓦大型并网光伏电站的建设周期不超过一年。 2.2具体方案 2.2.1 系统构成 光伏并网 发电系统由太阳 电池组件 、方阵防雷接线箱、直流配电柜、 光伏 并网 逆变 器 、配电保护系统、电力变压器和系统的通讯监控装置组成。 5MWp大型并网 光伏发电 站主要组成如下 5MWp晶体硅 太阳能电池 组件及其支架 建议采用 230Wp晶体硅组件； 方阵防雷接线箱 设计采用带组串监控的智能汇流箱（室外方阵场）； 直流防雷配电柜 将若干智能汇流箱汇流输入逆变器； 光伏并网逆变器 设计采用带工频隔离变压器的 250kW光伏并网逆变器； 35kV开关柜（交流配电和升压变压器） 设计采用 1250kVA/35kV升压变压器； 系统的通讯监控装置 设计采用光伏电站综合监控系统。 表 2.1.1 5MWp大型并网光伏电站主要配置表 2.2.2太阳电池阵列设计 1、太阳电池组件选型 目前使用较多的两种 太阳能电池板 是单晶硅和 多晶硅 太阳电池组件。 1单晶硅 太阳能 电池 目前单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为 16～ 18，是转换效率最高的，但是 制作成本高，还没有实现大规模的应用。 2多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率约 15～ 17。制作成本比单晶硅太阳能电池 要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，因此得到大量发展。 本方案设计采用 230Wp 多晶硅太阳电池组件，见图 2.2.1。 ①组件设计特点 是要寿命长 抗老化 EVA胶膜（乙烯 -醋酸乙烯共聚物），高通光率低铁太阳能专用钢 化玻璃，透光率和机械强度高； 安 装简便标配多功能接线盒，三路二极管连接盒，抗风、防雷、防水和防腐； 高品质保证光学、机械、电理等模块测试及后期调整完善，产品 ISO9001认证； 转换效率高晶体硅太阳能电池组件，单体光电转换效率大于等于 15； 边框坚固阳极化优质铝合金密封边框。 ②组件电性能参数 表 2.2.1 230Wp太阳电池组件技术参数 注标准测试条件（ STC）下 AM1.5、 1000W/m2 的辐照度、 25℃的电池温度。 1 Isc是短路电流即将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过 太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法，是用内阻小于 1的电流表接在太阳能电池 的两端。 2 Im是峰值电流。 3 Voc是开路电压，即将太阳能电池置于 100MW/cm2的光源照射下，在两端开路时， 太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。 4 Vm是峰值电压。 5Pm是峰值功率，太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值 所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特 性曲线。如果选择的负载 电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号 Pm表示。此时的 工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号 Vm 和 Im 表示，即 PmIm Vm。 太阳能电池板 的工作电压和 Voc均为输出电压 ,Voc 指 太阳能电池 板无负载状态下的输 出电压，工作电压指 太阳能 电池板连接负载后的最低输出电压，工作电流指太阳能电池板 输出的额定电流。 太阳能电池板的一个重要性能指标是峰值功率 Wp，即最大输出功率，也称峰瓦，是指 电池在正午阳光最强的时候所输出的功率，光强在 1000瓦左 右。 ③ I-V曲线图 如图 2.2.4I-V曲线图所示。 ④如何保证组件高效和长寿命 保证组件高效和长寿命，主要取决于以下四点高转换效率、高质量的电池片；高质 量的原材料，例如高的交联度的 EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透 光率高强度的钢化玻璃等；合理的封装工艺；员工严谨的工作作风。由于太阳电池属于高 科技产品，生产过程中一些细节问题，一些不起眼问题如应该 戴手套而不戴、应该均匀的 涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌，所以除了制定合理的制作工艺外，员工 的认真和严谨是非常重要的。 2、 光伏 阵列表面倾斜度设计从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需 要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。 对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射 量计算经验公式为 Rβ＝ S [sinα β /sinα ]D 式中 Rβ 倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S 水平面上太阳直接辐射量 D 散射 辐射量 α 中午时分的太阳高度角 β 光伏阵列倾角 根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐 射量，确定 太阳能光伏 阵列安装倾角。本方案假设设计太阳能光伏阵列安装倾角为 45 时，全年接受到的太阳能辐射能量最大。考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维 护，而且会增加故障率，因此本项目设计采用固定的光伏方阵。 2.2.3智能汇流箱设计 根据实际情况， 5兆瓦大型并网光伏电站配置成 3组 993.600kWp和 2组 1010.160kWp 的太阳电池阵列，总共需要 20台 250kW的并网 逆变器 ，其中每台逆变器需配置 6台智能汇 流箱， 5MWp光伏电站共需汇流箱 120台。 2.2.4直流配电柜设计 每台直流配电柜按照 250kWp的直流配电单元进行设计， 1MWp光伏并网 单元需要 4台 直流配电柜。每个直流配电单元可接入 6路光伏方阵防雷汇流箱， 5MWp并网光伏电站共需 配置 20 台直流配电柜。每台直流配电柜分别接入 1台 250kW逆变器，如下图所示 图 2.2.4直流配电柜 2.2.5光伏并网 逆变器 本方案设计采用 光伏 并网变流器，每台逆变器的额定功率为 250kW，均含有隔离并网 直流侧推荐 光伏组件 功率 275 kWp最大直流输入电压 880 VDCMPPT电压范围 450 VDC 820 VDC最大额定电流 600 A交流侧额定输出功率 250 kW 额定输出电流 380 A并网电压范围 380 VAC（ -15 10）并网电压频率 50 0.5 Hz电流畸变率（ THD） 4（额定功率） 功率因数≥ 0.99（额定功率）系统最大效率 97工作温度 -25℃ 55℃冷却方式强迫风冷 防护等级 IP20显示 /操作液晶触摸屏通信接口以太网外形尺寸宽高深 2200 2000 850 mm重量 2000 kg变压器，实现电气隔离。逆变器的核心控制采用基于 SVPWM的无冲 击同步并网技术，保证系统输出与电网同频、同相和同幅值。 图 2.2.5 250kW光伏并网变流器 ①性能特点 ●大功率 IGBT模块并联技术，过载能力强 ● 功率 组件模块 化设计，便于组装调试及维护 ● DSP 全数字化矢量控制，性能优异 ● 先进的最大功率点跟踪技术（ MPPT） ● 宽电压输入范围，提高发电效益 ● 高效工频变压器隔离，安全可靠，提高效率 ● 全新的整机散热方案，提高散热效率 ● 完善的故障自检、保护和显示功能，系统的可靠性更高 ● 标准通讯接口，便于远程监控 ● 智能触摸人机界面 ●可适应恶劣的电网环境 ②技术指标 250kW光伏并网变流器技术指标