太阳能逆变器的选择与配置方案2011年11月17日10

8.1 SMA 公司（德国）8.2 KACO （德国）8.3 FRONIUS 集团（奥地利）8.4 西门子公司（德国）8.5 XANTREX 科技有限公司（加拿大）8.6 SPUTNIK ENGINEERING 有限公司（瑞士）8.7 合肥阳光电源有限公司8.8 北京科诺伟业科技有限公司8.9 广东志成冠军集团有限公司8.10 荣信电力电子股份有限公司8.11 上海正泰电源系统有限公司8.12 安徽颐和新能源科技股份有限公司太 阳 能 逆 变 器 的 选 择 与 配 置 方 案 201 1年 11 月 17日 1 018 38 来 源 网络 作 者 胡 盘 峰 ， 陈 慧 敏摘 要 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 在 实 际 应 用 中 , 主 要 是 利 用 太 阳 光 直 接 发 电 。 这是 一 种 利 用 光 电 转 换 原 理 和 相 应 的 光 电 转 换 器 材 来 发 电 的 系 统 , 它 具 有 安 装 方 便 、规 模 可 大 可 小 、发 电 过 程 不 排 放 污 染 物 质 、无 噪 音 和 整 个 寿 命 期 间 几 乎 免 维 护 等 许多 优 点 。 系 统 可 划 分 为 两 种 , 即 太 阳 能 光 伏 发 电 独 立 电 源 系 统 和 太 阳 能 光 伏 发 电 并网 系 统 。关 键 字 化 石 能 源 , 光 伏 电 池 组 件 , 光 电 转 换 器随 着 煤 炭 和 石 油 等 化 石 能 源 的 大 量 消 耗 , 不 可 再 生 能 源 正 面 临 资 源 枯 竭 和 环 境恶 化 的 双 重 压 力 。 开 发 利 用 可 再 生 能 源 是 增 加 能 源 持 续 供 给 能 力 、 改 善 能 源 结 构 、保 障 能 源 安 全 、 逐 步 恢 复 自 然 环 境 的 重 要 措 施 , 对 建 设 资 源 节 约 型 和 环 境 友 好 型 社会 , 实 现 经 济 社 会 全 面 协 调 可 持 续 发 展 , 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。本 文 设 计 的 太 阳 能 光伏 发 电 系 统 已 经 在 常 州 部 分 新 建 别 墅 和 小 区 进 行 安 装 , 光 伏 电 池 组 件 的 安 装 应 保 持屋 顶 的 风 格 和 美 观 , 并 与 小 区 及 周 围 环 境 相 协 调 。在 阴 雨 天 气 时 , 能 使 用 城 市 电 网 为公 用 负 荷 供 电 , 建 成 后 具 有 节 省 电 能 、 环 保 和 维 护 管 理 方 便 等 优 点 。 由 于 在 建 筑 密度 很 大 的 城 市 住 宅 小 区 中 , 能 够 安 装 太 阳 能 电 池 板 的 面 积 有 限 , 住 宅 小 区 屋 顶 光 伏发 电 系 统 的 容 量 通 常 远 远 小 于 其 变 压 器 的 容 量 , 即 光 伏 系 统 的 发 电 功 率 始 终 小 于 小区 负 载 的 功 率 , 没 有 剩 余 电 能 送 入 上 级 城 市 电 网 。 该 光 伏 发 电 系 统 拟 采 用 并 网 运 行方 式 , 并 在 小 区 内 局 部 并 网 , 不 考 虑 将 电 能 输 入 上 级 城 市 电 网 , 采 取 小 区 内 局 部 并 网运 行 方 式 提 高 了 上 级 城 市 电 网 的 安 全 性 。1太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 简 介太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 在 实 际 应 用 中 , 主 要 是 利 用 太 阳 光 直 接 发 电 。 这 是 一 种 利用 光 电 转 换 原 理 和 相 应 的 光 电 转 换 器 材 来 发 电 的 系 统 , 它 具 有 安 装 方 便 、 规 模 可 大 可小 、 发 电 过 程 不 排 放 污 染 物 质 、 无 噪 音 和 整 个 寿 命 期 间 几 乎 免 维 护 等 许 多 优 点 。 系统 可 划 分 为 两 种 , 即 太 阳 能 光 伏 发 电 独 立 电 源 系 统 和 太 阳 能 光 伏 发 电 并 网 系 统 。并 网 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 主 要 由 太 阳 能 电 池 方 阵 、 并 网 逆 变 器 和 控 制 器 等 组 成 ,如 图 1 所 示 。 这 是 太 阳 能 光 伏 发 电 进 入 大 规 模 商 业 化 发 电 阶 段 、 成 为 电 力 工 业 组 成部 分 之 一 的 重 要 方 向 , 是 当 今 世 界 太 阳 能 光 伏 发 电 技 术 发 展 的 主 流 趋 势 。2设 计 实 践2.1 常 州 地 区 的 太 阳 辐 照 量常 州 地 处 长 江 下 游 平 原 , 国 家 生 产 力 布 局 中 最 大 的 经 济 核 心 区 --- 长 江 三 角 洲 。北 纬 33 14′ ～ 36 37′ , 东 经 118 22′ ～ 119 14′ , 平 均 海 拔 9m, 东 望 大 海 , 西 达荆 楚 , 南 壤 皖 浙 , 北 接 江 淮 , 长 江 越 境 而 过 。常 州 属 北 亚 热 带 季 风 气 候 区 , 冬 冷 夏 热 , 四 季 分 明 、 雨 水 充 沛 、 光 能 资 源 充 足 、年 平 均 温 度 为 15.7 ℃ , 最 高 气 温 为 43℃ 1934 年 7 月 13 日 , 最 低 气 温 为 16.9 ℃ 1955年 1月 6 日 , 最 热 月 平 均 温 度 为 28.1 ℃ , 最 冷 月 平 均 温 度 为 - 2.1 ℃ 。年 平 均 降 雨 117d,降 雨 量 1106.5mm, 最 大 平 均 湿 度 81, 最 大 风 速 19.8m/s 。 土 壤 最 大 冻 结 深 度 0.09m 。夏 季 主 导 风 向 东 南 、 东 风 , 冬 季 主 导 风 向 东 北 、 东 风 。 地 震 强 度 7 级 。 无 霜 期 237d 。每 年 6 月 下 旬 到 7月 中 旬 为 梅 雨 季 节 。 年 度 最 佳 季 节 为 秋 季 9 ～ 11 月 常 州 地 区 历 年平 均 气 象 资 料 见 表 1 。2.2 太 阳 电 池 方 阵 倾 角 与 光 伏 方 阵 设 计 计 算2.2.1 太 阳 电 池 方 阵 倾 角 的 确 定根 据 现 场 条 件 及 从 经 济 考 虑 , 采 用 固 定 式 倾 角 的 太 阳 光 伏 方 阵 。由 于 太 阳 辐 射 均 匀 性 对 光 伏 发 电 系 统 的 影 响 很 大 , 对 其 进 行 量 化 处 理 是 很 有 必要 的 , 为 此 引 入 辐 射 累 积 偏 差 δ ′ , 得式 中 Ht β 为 倾 角 β 斜 面 上 各 月 平 均 太 阳 辐 射 量 ; t β 为 该 斜 面 上 年 平 均 太 阳辐 射 量 ;Mi 为 第 i 月 的 天 数 。可 见 , δ ′ 的 大 小 直 接 反 映 了 全 年 辐 射 的 均 匀 性 , δ ′ 越 小 辐 射 均 匀 性 越 好 。 按照 负 载 负 荷 均 匀 或 近 似 均 衡 的 独 立 光 伏 系 统 的 要 求 , 理 想 情 况 当 然 是 选 择 某 个 倾 角使 得 t β 为 最 大 值 , δ ′ 为 最 小 值 。 但 实 际 情 况 是 二 者 所 对 应 的 倾 角 有 一 定 的 间 隔 ,因 此 选 择 太 阳 电 池 组 件 的 倾 角 时 , 只 考 虑 t β 为 最 大 值 , δ ′ 为 最 小 值 必 然 会 有 片面 性 , 应 当 在 二 者 所 对 应 的 倾 角 之 间 进 行 优 选 。为 此 需 要 定 义 一 个 斜 面 辐 射 系 数 , 即式 中 , 为 水 平 面 上 的 年 均 太 阳 辐 射 量 。 由 于 t β 和 δ ′ 都 与 太 阳 电 池 组 件 的倾 角 有 关 , 所 以 当 K 取 极 大 值 时 , 应 当 有 dK/d β 0 。求 解 上 式 , 即 可 得 到 最 佳 倾 角 。经 过 计 算 求 得 , 常 州 地 区 的 最 佳 倾 角 为 37, 常 州 地 区 每 个 月 份 斜 面 太 阳 辐 射 量见 表 2。表 2中 ,Hb θ 为 斜 面 上 直 射 太 阳 辐 射 量 ;Hd θ 为 斜 面 上 散 射 太 阳 辐 射 量 ;HR θ 为斜 面 上 反 射 太 阳 辐 射 量 ;H θ 为 倾 斜 面 上 太 阳 辐 射 总 量 , 即2.2.2 光 伏 方 阵 的 设 计如 果 储 能 子 系 统 的 配 置 足 够 大 , 能 将 光 伏 子 系 统 在 日 太 阳 高 于 年 平 均 日 太 阳 辐射 时 发 出 的 电 能 全 部 储 存 , 供 日 太 阳 辐 射 低 于 年 平 均 日 太 阳 辐 射 时 负 载 使 用 , 光 伏子 系 统 可 取 最 小 值 , 得如 果 光 伏 子 系 统 的 功 率 设 计 能 在 太 阳 辐 射 最 小 月 也 可 满 足 负 载 用 电 需 求 时 , 通常 认 为 这 种 假 定 条 件 下 的 光 伏 子 系 统 为 最 大 功 率 , 即式 中 η in 为 从 光 伏 子 系 统 到 蓄 电 池 的 效 率 包 括 方 阵 温 度 电 压 损 耗 、 组 合 损失 、 灰 尘 遮 蔽 和 控 制 器 等 部 件 效 率 、 防 反 充 二 极 管 和 系 统 线 路 损 耗 , 蓄 电 池 充 电 效率 等 取 0.75; η out 为 从 蓄 电 池 到 负 载 的 效 率 包 括 蓄 电 池 放 电 效 率 0.8 、 逆 变 器 效率 0.90 等 取 0.72;Gs 为 标 准 状 态 下 的 太 阳 辐 照 度 25℃ ,AM1.5,1kW/m2; min 为 水平 面 最 小 月 日 平 均 太 阳 辐 射 量 。经 过 综 合 考 虑 实 际 情 况 和 经 济 性 , 选 取 太 阳 电 池 方 阵 功 率 为 2000W 。在 此 笔 者 选 择 常 州 某 公 司 生 产 的 型 号 为 CEEG170 -24/s 的 太 阳 电 池 组 件 峰 值 功率 为 170W。直 流 系 统 电 压 选 取 为 4 8V, 查 蓄 电 池 厂 家 提 供 的 产 品 手 册 , 蓄 电 池 的 充 电 电 压 应设 置 为 68V 。 因 此 组 件 串 联 数 Ns 计 算 为2.3 逆 变 器 的 选 择 与 配 置 方 案网 逆 变 器 是 并 网 光 伏 系 统 的 重 要 电 力 电 子 设 备 , 其 主 要 功 能 是 把 来 自 太 阳 能 电池 方 阵 输 出 的 直 流 电 转 换 成 与 电 网 电 力 相 同 电 压 和 频 率 的 交 流 电 , 并 把 电 力 输 送 给交 流 系 统 连 接 的 负 载 。同 时 还 具 有 极 大 限 度 地 发 挥 太 阳 能 电 池 方 阵 性 能 的 功 能 和 异常 或 故 障 时 的 保 护 功 能 。在 本 系 统 的 设 计 中 选 用 合 肥 某 公 司 生 产 的 3kVA 的 单 相 逆 变 器 SN483KS, 具 有 过压 保 护 、 对 地 故 障 保 护 、 孤 岛 效 应 保 护 、 过 载 保 护 、 短 路 故 障 保 护 等 完 善 的 保 护 功能 , 其 技 术 参 数 如 表 3所 示 。3太 阳 能 光 伏 系 统 的 安 装 和 防 雷太 阳 能 电 池 方 阵 基 座 和 支 架 施 工 安 装 完 全 按 抗 1 0 级 以 上 台 风 的 要 求 设 计 , 但 底座 采 用 了 钢 筋 混 泥 土 结 构 、铝 合 金 框 架 以 及 PVC 防 水 层 如 图 2所 示 , 保 证 了 本 系 统的 安 全 系 数 , 但 有 点 浪 费 , 今 后 需 要 优 化 设 计 。在 光 伏 发 电 系 统 控 制 机 房 的 入 口 端 和 出 口 端 , 安 装 防 雷 隔 离 箱 内 部 装 有 避 雷器 。当 遭 到 雷 击 或 发 生 过 渡 时 , 箱 内 防 雷 器 件 劣 化 , 过 流 保 护 器 自 动 跳 出 , 自 动 脱 扣脱 离 电 路 , 以 保 证 光 伏 发 电 系 统 设 备 。避 雷 器 的 电 流 为 1000A8/20 μ s 时 , 选 择 控 制 电 压 浪 涌 电 流 流 过 时 浪 涌 电 压被 限 制 而 残 留 在 避 雷 器 两 端 子 之 间 的 电 压 为 2000V 以 下 的 避 雷 器 。 感 应 雷 的 浪 涌 电流 , 最 大 有 1000A 。 还 有 , 太 阳 能 电 池 阵 列 的 脉 冲 耐 电 压 将 标 准 雷 脉 冲 电 压 波 形1.2 ～ 50 μ s 正 负 各 3次 施 加 时 , 没 有 引 起 绝 缘 破 坏 的 最 大 电 压 为 4500V, 考 虑 到 避 雷器 接 地 线 引 起 浪 涌 阻 抗 雷 电 电 流 流 过 时 的 阻 抗 的 增 大 , 所 以 把 控 制 电 压 限 制 在2000V 以 下 , 接 地 线 尽 量 短 。 具 体 接 线 图 如 图 3所 示 。4结 语太 阳 能 是 一 种 清 洁 、 可 再 生 能 源 , 太 阳 能 光 伏 发 电 实 现 了 直 接 将 太 阳 能 转 化 为电 能 。我 国 人 口 众 多 , 人 均 能 源 资 源 量 较 低 , 发 展 可 再 生 能 源 是 落 实 科 学 发 展 观 的 必然 选 择 。 其 中 太 阳 能 发 电 是 最 有 前 景 的 技 术 之 一 , 从 环 境 保 护 和 能 源 战 略 上 都 具 有重 大 意 义 。随 着 中 国 经 济 建 设 和 城 市 建 设 的 发 展 , 能 源 形 势 日 趋 严 峻 , 资 源 环 境 的 压 力 不断 加 重 , 节 能 减 排 、环 境 保 护 , 已 经 成 为 政 府 和 全 社 会 共 同 关 注 的 焦 点 问 题 。我 国 新能 源 法 已 从 2006 年 1月 1 日 起 正 式 实 施 , 随 着 “ 上 网 电 价 法 “ 和 “ 全 网 平 摊 “ 等 法 规 的 进一 步 实 施 , 光 伏 发 电 的 成 本 接 近 于 商 业 化 , 这 必 将 极 大 地 推 动 我 国 光 伏 产 业 的 发 展 。相 信 不 久 的 将 来 , 我 国 民 用 建 筑 物 的 屋 顶 太 阳 能 并 网 光 伏 发 电 系 统 会 得 到 广 泛 的 应用 。