12-并网光伏发电系统在线设计平台的研究与应用

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（ G. 光伏系统及工程、系统部件及并网技术）并网光伏发电系统在线设计平台的研究与应用任耀坤 林伟 孙韵琳广州市中山大学太阳能系统研究所 顺德中山大学太阳能研究院 , renyaokungmail.com摘要摘要 并网光伏发电系统是光伏发电的主要实现形式。以往的系统设计需要花费大量的人力工作；也会由于人工计算和设计的偏差，影响设计结果的准确性。因此，设计国内第一款并网光伏在线设计平台就具有特别重要的意义和影响。 本文设计了国内首款并网光伏发电系统在线设计平台， 可以生成并网光伏设计报告﹑环境效益分析报告﹑经济分析报告。 通过具体实例的验证，证明了该平台设计的可靠性，具有重要的示范和应用效果。 关键词关键词 并网光伏系统；在线设计平台；太阳辐射；经济效益1 引言 引言引言 随着光伏太阳能行业的发展， 光伏技术的应用最终会通过光伏系统集成的光伏太阳能发电系统来实现。 而光伏发电系统的设计需要光伏系统工程师花费大量的时间和计算。随着信息技术的发展， 借助计算机来帮助光伏系统工程师来完成系统设计也成为了一种新的趋势，比如，使用 CAD工具来完成光伏系统中太阳能电池组件的排布图和电气连接等。 而专门用于光伏系统设计的计算机辅助设计软件也开始被光伏系统设计者使用。目前，在系统设计中使用的光伏系统设计软件大致可以划分为系统仿真工具、 经济效益分析工具和系统辅助设计工具三 种 类型 的光 伏设 计软件 。如 HOMER，RETScreen， Sunny Design， PVSYST 等。国内目前还没有功能比较强大的并网光伏设计软件， 大多是一些光伏辅助计算工具。因此， 设计国内第一款并网光伏在线设计平台就具有特别重要的意义和影响。本文设计了国内首款并网光伏发电系统在线设计平台， 该平台包含国内典型城市的气象数据库﹑丰富的光伏组件数据库和逆变器数据库， 而且可以允许用户添加自定义的组件信息；同时，平台可以模拟出光伏组件阵列排列图， 并给出设计者组件阵列排布的间隔﹑长度和宽度； 可以提供给用户光伏组件正确的串并联个数，同时，如果用户输入的串并联个数不在允许范围之类， 给予用户提示；可以生成三个并网光伏报告并网光伏系统设计报告﹑并网光伏系统环境效益分析报告﹑并网光伏系统经济分析报告。 通过具体实例的验证，证明了该平台设计的可靠性。 综上， 本论文通过并对网光伏设计平台的研究和应用， 给光伏系统的设计人员提供了一种快捷﹑准确的设计工具， 具有重要的示范和应用效果。 2 并网光伏发电系统的设计并网光伏发电系统的设计 2.1 设计原理 设计原理光伏系统设计中， 为了使光伏系统输出性能最佳，需要在设计中注意以下几点1. 为了使光伏阵列的前排组件形成的阴影不遮挡后排组件， 组件阵列间的间距必须大于公式（ 3-1）中所确定的最小间距。一般情况下， 要求组件阵列的前后间距大于1.5m。1 其中 是组件的安装倾角； 是组件最低端的安装高度。2. 组件阵列的倾斜角应该为安装地点所在的组件阵列的最佳倾角。 不同地点， 朝向赤道倾斜面上（北半球朝向正南方） ，每个月组件阵列最佳倾角的计算公式为2-2 其中； Hd 为水平面上散射辐射量； Ho 为大气层外水平面上太阳能辐射量；Φ 为当地纬度； H b 为水平面上直接辐射量；2.22.2 设计流程设计流程 并网光伏系统的设计流程按照图 3-1 所示流程图依次进行设计。 1.收集当地的气象数据。 2.考察项目现场。 3.组件、逆变器选型和串并联设计。 4.进行支架和电缆选型、电气设计部分设计。 5.完成初步设计方案。6.根据业主的反馈意见修改设计方案 7.估算发电量和经济效益分析。 8.完成最终的系统设计方案。图 1 并网光伏系统设计流程3 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 3.1 在线设计平台设计背景在线设计平台设计背景 本论文要完成的并网光伏系统在线设计平台是基于顺德中山大学太阳能研究院信息中心的重点科研项目， 整个项目共分为两期完成。一期只完成并网系统的辅助设计，二期会在一期的基础和框架上加入独立系统的辅助设计。 3.2 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 本光伏在线设计平台分别可以帮助用户得到比较详细项目的设计报告、 项目经济效益分析报告、项目环境效益分析报告。这三个报告基本包括了光伏并网项目在项目设计阶段所要求得到的数据报告和相关表格。 是整个项目重要的参考指标。 本在线平台设计为允许注册的试用户可以进行一次的项目设计，但是不提供三个报告的 PDF格式下载； 而注册成为付费用户的设计者可以进行多次的项目设计， 并可以下载三个项目报告， 同时也可以联系后台管理员， 要求增加逆变器数据库中没有涵盖而用户却需要应用的逆变器数据。 用户在设计完最新的项目后， 也可以返回设计主页，查找和修改已经存在的设计项目。 从而方便用户进行项目管理 。 3.3 在线设计平台的设计流程在线设计平台的设计流程 本文的并网光伏在线设计平台， 设计为通过前期第一步项目地点的选择， 从气象数1 其中 是组件的安装倾角； 是组件最低端的安装高度。2. 组件阵列的倾斜角应该为安装地点所在的组件阵列的最佳倾角。 不同地点， 朝向赤道倾斜面上（北半球朝向正南方） ，每个月组件阵列最佳倾角的计算公式为2-2 其中； Hd 为水平面上散射辐射量； Ho 为大气层外水平面上太阳能辐射量；Φ 为当地纬度； H b 为水平面上直接辐射量；2.22.2 设计流程设计流程 并网光伏系统的设计流程按照图 3-1 所示流程图依次进行设计。 1.收集当地的气象数据。 2.考察项目现场。 3.组件、逆变器选型和串并联设计。 4.进行支架和电缆选型、电气设计部分设计。 5.完成初步设计方案。6.根据业主的反馈意见修改设计方案 7.估算发电量和经济效益分析。 8.完成最终的系统设计方案。图 1 并网光伏系统设计流程3 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 3.1 在线设计平台设计背景在线设计平台设计背景 本论文要完成的并网光伏系统在线设计平台是基于顺德中山大学太阳能研究院信息中心的重点科研项目， 整个项目共分为两期完成。一期只完成并网系统的辅助设计，二期会在一期的基础和框架上加入独立系统的辅助设计。 3.2 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 本光伏在线设计平台分别可以帮助用户得到比较详细项目的设计报告、 项目经济效益分析报告、项目环境效益分析报告。这三个报告基本包括了光伏并网项目在项目设计阶段所要求得到的数据报告和相关表格。 是整个项目重要的参考指标。 本在线平台设计为允许注册的试用户可以进行一次的项目设计，但是不提供三个报告的 PDF格式下载； 而注册成为付费用户的设计者可以进行多次的项目设计， 并可以下载三个项目报告， 同时也可以联系后台管理员， 要求增加逆变器数据库中没有涵盖而用户却需要应用的逆变器数据。 用户在设计完最新的项目后， 也可以返回设计主页，查找和修改已经存在的设计项目。 从而方便用户进行项目管理 。 3.3 在线设计平台的设计流程在线设计平台的设计流程 本文的并网光伏在线设计平台， 设计为通过前期第一步项目地点的选择， 从气象数1 其中 是组件的安装倾角； 是组件最低端的安装高度。2. 组件阵列的倾斜角应该为安装地点所在的组件阵列的最佳倾角。 不同地点， 朝向赤道倾斜面上（北半球朝向正南方） ，每个月组件阵列最佳倾角的计算公式为2-2 其中； Hd 为水平面上散射辐射量； Ho 为大气层外水平面上太阳能辐射量；Φ 为当地纬度； H b 为水平面上直接辐射量；2.22.2 设计流程设计流程 并网光伏系统的设计流程按照图 3-1 所示流程图依次进行设计。 1.收集当地的气象数据。 2.考察项目现场。 3.组件、逆变器选型和串并联设计。 4.进行支架和电缆选型、电气设计部分设计。 5.完成初步设计方案。6.根据业主的反馈意见修改设计方案 7.估算发电量和经济效益分析。 8.完成最终的系统设计方案。图 1 并网光伏系统设计流程3 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 3.1 在线设计平台设计背景在线设计平台设计背景 本论文要完成的并网光伏系统在线设计平台是基于顺德中山大学太阳能研究院信息中心的重点科研项目， 整个项目共分为两期完成。一期只完成并网系统的辅助设计，二期会在一期的基础和框架上加入独立系统的辅助设计。 3.2 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 本光伏在线设计平台分别可以帮助用户得到比较详细项目的设计报告、 项目经济效益分析报告、项目环境效益分析报告。这三个报告基本包括了光伏并网项目在项目设计阶段所要求得到的数据报告和相关表格。 是整个项目重要的参考指标。 本在线平台设计为允许注册的试用户可以进行一次的项目设计，但是不提供三个报告的 PDF格式下载； 而注册成为付费用户的设计者可以进行多次的项目设计， 并可以下载三个项目报告， 同时也可以联系后台管理员， 要求增加逆变器数据库中没有涵盖而用户却需要应用的逆变器数据。 用户在设计完最新的项目后， 也可以返回设计主页，查找和修改已经存在的设计项目。 从而方便用户进行项目管理 。 3.3 在线设计平台的设计流程在线设计平台的设计流程 本文的并网光伏在线设计平台， 设计为通过前期第一步项目地点的选择， 从气象数1 其中 是组件的安装倾角； 是组件最低端的安装高度。2. 组件阵列的倾斜角应该为安装地点所在的组件阵列的最佳倾角。 不同地点， 朝向赤道倾斜面上（北半球朝向正南方） ，每个月组件阵列最佳倾角的计算公式为2-2 其中； Hd 为水平面上散射辐射量； Ho 为大气层外水平面上太阳能辐射量；Φ 为当地纬度； H b 为水平面上直接辐射量；2.22.2 设计流程设计流程 并网光伏系统的设计流程按照图 3-1 所示流程图依次进行设计。 1.收集当地的气象数据。 2.考察项目现场。 3.组件、逆变器选型和串并联设计。 4.进行支架和电缆选型、电气设计部分设计。 5.完成初步设计方案。6.根据业主的反馈意见修改设计方案 7.估算发电量和经济效益分析。 8.完成最终的系统设计方案。图 1 并网光伏系统设计流程3 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 3.1 在线设计平台设计背景在线设计平台设计背景 本论文要完成的并网光伏系统在线设计平台是基于顺德中山大学太阳能研究院信息中心的重点科研项目， 整个项目共分为两期完成。一期只完成并网系统的辅助设计，二期会在一期的基础和框架上加入独立系统的辅助设计。 3.2 在线设计平台的基本功能在线设计平台的基本功能 本光伏在线设计平台分别可以帮助用户得到比较详细项目的设计报告、 项目经济效益分析报告、项目环境效益分析报告。这三个报告基本包括了光伏并网项目在项目设计阶段所要求得到的数据报告和相关表格。 是整个项目重要的参考指标。 本在线平台设计为允许注册的试用户可以进行一次的项目设计，但是不提供三个报告的 PDF格式下载； 而注册成为付费用户的设计者可以进行多次的项目设计， 并可以下载三个项目报告， 同时也可以联系后台管理员， 要求增加逆变器数据库中没有涵盖而用户却需要应用的逆变器数据。 用户在设计完最新的项目后， 也可以返回设计主页，查找和修改已经存在的设计项目。 从而方便用户进行项目管理 。 3.3 在线设计平台的设计流程在线设计平台的设计流程 本文的并网光伏在线设计平台， 设计为通过前期第一步项目地点的选择， 从气象数内部收益率是使未回收投资余额及其利息恰好在周期内完全收回的利率。 实质是指项目对贷款利率的最大承受能力。 一般计算机可以采用公式 （ 3-15） 计算内部收益率。3-16 是折现率为 IRR 时的财务净现值，当时，项目方案在经济上可以接受， IRR 时，勉强可以接受， IRR 时，方案在经济上应予拒绝。净年值是以基准收益率将项目计算期内净现金量等值换算而成的等额年值。 计算公式如下。为净现值； 为资本回收系数，， 为基准收益率 ,太阳能项目的基准收益率取 5。 n 为项目周期，取 25 年。评价方法莞五星太阳能科技公司光伏并网项目子系统的项目信息。图 3 子系统电气连接图其中， 项目的设计功率为 264.5kWp。 然后， 在气象数据库中找到广东省东莞市的气象数据资料。从设计平台的组件数据库中，查找项目所用的组件信息。 该项目组件使用五星太阳能科技公司自产组件（型号为FS-P156-230W） ，该组件的基本组件参数如图 5。 从逆变器数据库中选择南京冠亚电源设备有限公司生产的 GSG250KTL-V的光伏逆变器，额定交流输出功率为 250kWp,组件的 串联数为 23，组件的并联数为 50。 进行组件阵列设计，组件倾角为 20；组件正朝南，方位角为 0；组件的行间距设置为 1.5m， 组件的列间距设置为 2cm；组件为横向排列，阵列的阵列设计信息如图 7所示。图 7 组件阵列模拟排布图生成的系统设计报告包括系统的倾斜面辐照数据和模拟发电量数据表， 如图 8 所示；系统的模拟月发电量，如图 9。并可以进行设计报告的下载。 图 8 设计实例系统设计报告图 a 进行系统的经济效益分析， 经济分析报图 6 逆变器数据库中选择逆变器 告如图 11 和图 12 所示， 该实例系统的动态回收期为 11.748 年， 内部收益率为 8.383。图 9 设计实例系统设计报告图 b 图 10 设计实例经济分析参数值 进行经济效益分析， 输入项目的各项初始投资费用和其他参数值。 如图 6-10 所示。图中的参数值参考 2012 年光伏系统项目报价。 图 11 经济效益报告现金流量和结论图 进行环境效益分析， 输入实例系统的节能减排参数，这里系统的衰减系数取 0.6（参考中山大学太阳能系统研究所屋顶系统衰减实测值）。 图 12 实例系统环境效益分析参数 实例系统的环境效益分析报告如图 13所示，整个生命周期（ 25 年）共减排 CO2,5979620.75kg；减排 SO2， 179928.41kg；减排 NxOy， 89964.2kg；减排碳粉尘1631350.90kg；节省标煤 2009200.55kg。 图 13 实例系统的环境效益分析报告 利用 PVSYST复现五星太阳项目子系统的设计，在 PVSYST中添加自定义的五星光伏组件信息，将冠亚公司的 250kWp的逆变器加入 PVSYST的逆变器自定义数据库中，进行相同数据的阵列设计（组件阵列倾角20， 组件阵列正朝南， 方位角为 0） ， 阵列进行 23 串， 50 并的阵列串并联设计，再进行系统模拟仿真，如图 14 所示。 图 14 PVSVST中的倾斜面辐照大小 将本文并网光伏在线设计平台设计的实例子系统和实例子系统在 PVSYST中的应用进行对比，如表 1 所示。 通过表 1 中数据对比可知， 同样的系统参数和设备选型， 在本文的并网光伏在线设计平台中的计算结果和国外主流光伏系统设计软件 PVSYT的计算结果差别很小， 一年的差别是 0.3046，平均一天差别最小的为0.047，平均每个月一天的差别仅为0.3035，考虑到计算进位和其他误差的影响， 完全在可以接受的范围之内。 因此可以说明本文在线设计平台设计和算法的可靠性。 表 1 设计平台和 PVSYST中实例对比表 月份 设计平台 PVSYST 差别 1 月 2.34 2.3323 0.33 2 月 2.14 2.141 0.047 3 月 1.79 1.7968 0.38 4 月 2.05 2.043 0.34 5 月 2.73 2.742 0.438 6 月 3.26 3.263 0.092 7 月 4.02 4.074 1.325 8 月 3.76 3.784 0.63 9 月 3.81 3.80 0.263 10 月 4.25 4.203 1.118 11 月 3.90 3.817 2.17 12 月 3.46 3.40 1.76 总计 37.51 37.3961 0.3046 平均 3.1258 3.116342 0.3035 5 结语结语结语 本文在国外现有光伏设计软件的基础上， 设计了国内第一款并网光伏在线设计平台。 通过一年多时间的资料收集、 数据整理和平台设计， 最终比较成功的设计出了国内第一款并网光伏系统在线设计平台， 并且已经链接在顺德中山大学太阳能研究院的主页上，并被大量用户使用。文中核心算法是并网光伏系统在线设计平台的核心与灵魂，支撑了整个设计平台的框架。 该在线设计平台已经成功商用， 产生了经济效益，更重要的是帮助设计师完成了许多项目的设计， 为公众了解光伏行业， 了解并网光伏系统的设计步骤和设计方法起到了积极的推进作用。参考文献1 沈辉，曾祖勤 2005 太阳能光伏发电技术（北京化学工业出版社） p30 2 周治，吕康，范小苗，王志峰 . 2009 光伏系统设计软件简介 [J]. 西北水电 6 p76-78 3 杨金焕，毛家俊， 陈中华 2002 上海交通大学学报 367 p1033-1035 4 ERBA D G , KLEIN S A,DUFFIE J A. 1981 Journal of Solar Energy Engineering. 103 p29-335 Robert H. Bushnell 1982 Solar Energy 284 p357 6 Hay J E 1979 Solar Energy 23 4 p 301- 307. 7 A bdelrahman M A , Elhadidy M A 1986 Solar Energy 37 3 p 239- 243. 8 Klucher T M 1979 Solar Energy 232 p 111- 114.