####太阳能光伏发电系统设计

Special Features论文荟萃www.znjzdq.cn6April 2011 Vol.5 No.2摘 要 针对光伏发电系统设计中， 太阳能电池的测试条件及实际环境条件差异， 作者提出了设计光伏发电系统的要点及注意事项。并通过调研及对相关规范的学习， 对太阳能电池板的选用、 系统保护设置、 并网要求等问题， 提出一些看法供参考。关键词 太阳能电池 逆变器 光伏系统并网发电 孤岛效应 光斑效应Abstract For the differences between the testing conditions and actual environmental conditions of the solar cell, the authors propose the main points and precautions for the design of solar photovoltaic power system. And they present some recommendations for the choice of solar cell, the installation of the system protection and the requirement for the grid connecting through the investigation and the study of relative norms.Keywords solar cell, inverter, the grid-connected PV system, islanding effect, spot size effect1 概述由于对煤炭、 石油等能源长期不间断的开采使用， 导致这些非再生性能源不可避免的出现减少甚至枯竭， 人们不得不开始对风能、 水能、 核能以及太阳能给予更多的关注。 尤其是太阳能， 由于其无污染、 覆盖范围大、 能源取之不尽用之不竭， 太阳能的利用技术得到政府的重视， 且随着光伏发电的元件效率提高、转换技术日趋成熟， 越来越多的国家已经开始有计划地推广光伏发电技术。光伏发电系统根据规模和用户的使用性质主要分为两大类 ： 分散式和集中式。分散式光伏发电系统通常是屋顶光伏发电系统。以用户自用为主， 多余电量也可并网外送。集中式光伏发电系统通常规模大， 太阳板集中设置， 需要专门的场地， 电站容量已达兆瓦级。 集中大型太阳能光伏发电系统设计陈 刚 / 姬 鸿 / 王 勇( 中国航天建筑设计研究院（集团） , 北京 100071) Design of Solar Photovoltaic Power System并网发电光伏电站初期投入较大， 尤其是电站的硬件设备投资最大， 需专业人员维护管理， 因此必须依据正确的设计要求选择合适的硬件设备， 加强整个电站及人员的安全保护。2 太阳能光伏发电技术应用的要点2.1 太阳能光伏发电的转换条件根据 GB/T 6495.3-1996《光伏器件 第 3 部分 ： 地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据》 规定 ： 太阳能电池板输出功率 Wp 值， 是相应于 AM1.5光谱分布、 在与水平面成 37° 的倾斜面上太阳辐照度1kW/m 2、 地面反射率 0.2、 环境温度 25℃ 标准测试条件下测得的最大功率。而实际状况是辐射能是变化的， 太阳能电池只是能量转换元件， 没有储存功能， 因此其输出能力是每时每刻都在变化的。 光伏发电能力计算， 是按照不同类型电池板的转换效率估算发电量（单晶硅 17%、 多晶硅 15%、 薄膜电池 8%） ， 只能给出平均值。其中定义 ： AM ——大气质量， 也可以是体积比、压力比或同一水平截面下的距离比。 直射太阳光线穿过地球大气层的路程长度， 以太阳在天顶时穿过大气层到达海平面的路径长度的倍数来表示。当太阳在天顶、 天空无云， 大气压力 p= 101.3kPa时， 海平面处的“大气质量” 的值为 1。其他任何地方的大气质量的值按下式计算 ：大气质量 =(p/p0)(1/sinF)式 中 ： F— 太 阳 高 度 角， p— 当 地 大 气 压 力，p0— 101.3kPaChen Gang / Ji Hong / Wang Yong专辑智能建筑 电气 技术 7太阳能光伏发电技术2011 年 4 月 第 5 卷 第 2 期2.2 太阳能光伏发电容量、电池组件数量、串并联方式的选择2.2.1 根据所需容量配置太阳能电池1） 离网式系统(1) 无蓄电池的离网式系统， 选择太阳能电池组件要考虑用电设备的启动及过载性能， 太阳能组件的输出电流必须保证启动电流的需要。 由于太阳能电池组件的过载能力有限、 短路电流通常不大于额定电流的 1.2 倍， 因此电池板的容量要选得很大。(2) 有蓄电池的离网式系统， 选择太阳能电池组件可以只考虑正常工作状态下， 满足用电设备的功率及使用时间要求。 即太阳能板的发电能力应在一天有光照的时间内， 能够满足用电设备全天消耗的能量要求。 蓄电池不仅要考虑放电电流需满足用电设备启动要求， 同时蓄电池容量还应满足全天无光照时间里， 能够保证用电设备消耗电量的要求。基本原则 ： 太阳能组件的容量应满足在白天有阳光的时间内把全天的能量都收集够用才行。太阳出现以 24h 为一个周期， 因此我们可以用一天计算太阳能组件的容量。 在太阳照射有效时间内，要保证用电设备的用电， 同时还要保证在有效时间内把蓄电池充电到额定容量。 蓄电池的能量应保证其余时间用电设备的用电。太 阳 能 电 池 组 件 的 容量选择， 按标准测试条件下、平 均 每 天 日 照 时 间 5h 计。例 如 ： 用 电 设 备 为 10kW ，一 天 用 电 时 间 24h， 用 电 量240kWh， 则需太阳能电池容量 为 240/5=48kW 。 蓄 电 池 的容 量 应 满 足 无 光 照 时 间 24-5=19h 内的用电设备容量 190 kWh 要求。 如果蓄电池端电压 220V， 则需蓄电池容量约900Ah。 以上仅是周期为 1 天，在理想状态下计算的结果。如果考虑维护系数、 阴天下雨的情况， 还要考虑适当的余量。2） 并网式系统(1) 并网式无蓄电池的系统， 太阳能组件可以只考虑白天日照条件下， 满足用电设备的功率及使用时间要求。 设备的启动电流及其他没有日照时的用电可以由电图 1 太阳能电池板安装示意图及说明太阳能电池板安装示意图Special Features论文荟萃www.znjzdq.cn8April 2011 Vol.5 No.2力网络提供。(2) 并网式有蓄电池的系统， 太阳能板可以只考虑白天日照条件下，满足用电设备的功率及使用时间要求。 蓄电池容量可以只考虑在规定的时间里应急用电的容量， 其他时间的用电可以由电力网络提供。2.2.2 根据实际场地安装条件配置太阳能电池假如只是把太阳能光伏发电用作辅助能源， 那么为了最大限度的利用太阳能， 我们可以根据实际场地安装条件配置太阳能电池并网运行。北京地区位于北纬 39.9° ， 东经 116° ； 倾斜面年总辐射量 6294MJ/m2=1748 kWh/ m 2 ； 年平均利用小时数 1748.45h。由于电池板测试条件与气象部门给定的数据不是同一回事， 气象部门给出的是全年平均值， 而太阳辐射能是不断变化的， 太阳能电池只是能量转换元件， 没有储存功能， 其输出能力是每时每刻都在变化的， 因此我们在计算时只能给出平均值。通 常 ： 太 阳 能 板 每 路（ 串 ） 额 定 电 压 450 ? 750V， 额 定 容 量 1.6? 3kW。每个直流汇流箱 6 ? 8 路输入， 额定容量 10 ? 24kW 。直流汇流柜 6 ? 8 路输入， 额定容量 60 ? 200kW。逆变器每个 200 ? 300 kW。从太阳能板到逆变器直流汇流不多于 2 级。3 并网根据光伏系统是否允许通过供电区的变压器向高压电网送电， 分为可逆流和不可逆流的并网方式。并网要保证电能质量， 包括 ： 电压偏差、 频率、 谐波和波形畸变、 功率因数、 电压不平衡度、 直流分量等。并网要设安全保护， 包括 ： 过 / 欠电压、 过 / 欠频率、 防孤岛效应、 恢复并网、 防雷和接地、 短路保护、 隔离和开关、 逆向功率保护。4 安全与保护在标准测试条件下， 太阳能电池的短路电流通常只是其最大额定电流的 1.2 倍左右， 因此在一级汇流箱内可以串接二极管防止逆流。 对室内汇流柜的每一回路要设短路及过载保护， 主要目的是防止其他回路的电流通过短路故障点造成别的回路故障。 光伏系统并网应做如下保护 ：4.1 过 / 欠电压当电网接口处电压超出三相电压的允许偏差为额定电压的 ± 7%，单相电压的允许偏差为额定电压的 ＋ 7%、 － 10% 的电压范围时， 光伏系统应停止向电网送电。 此要求适用于多相系统中的任何一相。4.2 过 / 欠频率当电网接口处频率超出额定频率 ± 0.5Hz 时， 过 / 欠频率保护应在 0.2s 内动作， 将光伏系统与电网断开。4.3 防孤岛效应当光伏系统并入的电网失压时， 必须在规定的时限内将该光伏系统与电网断开， 防止出现孤岛效应。应设置至少一种主动和被动防孤岛效应保护。主动防孤岛效应保护主要有频率偏移、 有功功率变动、 无功功率变动、 电流脉冲注入引起阻抗变动等。被动防孤岛效应保护方式主要有电压相位跳动、 3 次电压谐波变动、 频率变化率等。当电网失压时， 防孤岛效应保护应在 2s 内动作， 将光伏系统与电网断开。4.4 恢复并网由于超限状态导致光伏系统图 2 太阳能电池板配电系统图专辑智能建筑 电气 技术 9太阳能光伏发电技术2011 年 4 月 第 5 卷 第 2 期停止向电网供电以后， 在电网的电压和频率恢复到正常范围后的 20s ? 5min， 光伏系统不应向电网送电。4.5 防雷和接地光伏系统并网接口设备的防雷和接地， 应符合《建筑物防雷设计规范 GB50057》 的规定。4.6 光伏系统的保护设置光伏组件直流回路宜做过载保护， 保护装置的长延时整定电流 I z 不小于计算电流 Ij。 汇流箱的支路可采用隔离二极管， 防止逆流。光伏组件直流回路应做短路保护， 宜采用光伏系统专用直流断路器。 鉴于光伏组件的短路电流不大于1.2 倍的额定电流， 速断电流按 3 ? 4 倍额定电流进行整定。光伏组件直流侧保护， 重点考虑多串电池板汇流效应。 防止支路出现短路故障时， 其他回路电流通过短路点造成系统故障。光伏系统对电网应设置短路保护， 当电网短路时， 逆变器的过电流应不大于额定电流的 150%， 并在0.1s 之内将光伏系统与电网断开。4.7 隔离和开关在光伏系统与电网连接的开关柜中应提供手动和自动的断路开关， 断路开关原则上采用可视断点的机械式开关。 除非当地供电机构同意， 不得采用电子式开关。4.8 逆向功率保护系统在不可逆的并网方式下工作， 当检测到供电变压器次级处的逆流为逆变器额定输出的 5% 时， 逆向功率保护应在 0.5s ? 2s内将光伏系统与电网断开。4.9 光伏系统的检测当前许多工程设计往往只注重逆变器及交流侧的参数、 状态检测， 忽视太阳能电池光伏组件直流侧的状态及参数的检测。 而光伏阵列是由很多光伏电池串联组成的， 任何一个故障都将导致整串不能正常工作。 电池光伏组件位于室外， 条件相对恶劣， 出现故障的可能性较高， 且个别电池串出现故障时不易发现，因此， 宜设置光伏发电检测系统。光伏（ PV） 系统宜设置电池板串保护装置的状态检测、 太阳辐照度检测、 环境温度检测和输入电压、输入电流、 开关状态、 逆变器输出电压、 输出电流、 频率、 谐波含量检测。5 光伏（ PV ）系统发电能力计算光伏（ PV） 系统发电能力的计算不等于实际用电量的计算， 也就是说， 系统的发电能力未必全部被利用。 即使是联网系统， 也要由当地供电部门进行调度。 因此， 节能计算时将发电能力作为实际节约的能量是不准确的。5.1 根据当地气象参数进行能力计算H=H y ·K · η ·SHy = Hys× [sin(α +β )/sinα ]+Dα =90o－Φ +δδ =23.45× sin[360× (284+N)/365] （度）其中 ：H—光伏发电系统年发电能力（ kWh）Hy —电池板方阵面上太阳能辐射量（ kWh/m 2）K— 太 阳 能 电 池 板 转 换 效 率（ 单 晶 17%、 多 晶15%、 薄膜 8%）η —效率（光伏阵列效率 0.84、 逆变器效率 0.97、交流并网效率 0.99）光伏阵列效率 0.84（包括 ： 元件匹配损失、 表面尘埃遮挡损失、 不可利用的太阳辐射损失、 温度影响、最大功率点跟踪精度及直流线路损失等）S—太阳能电池板安装面积。Hys —水平面上的太阳直接辐射量α —太阳高度角β —太阳能组件方阵倾角D—散射辐射量Φ —地理纬度角N— 日 期 序 号， 如 1 月 1 日 的 N=1 ； 2 月 1 日 的N=32 ； 12 月 31 日的 N=365 ；例 ： 北京地区年平均辐射量 Hys =1748 kWh/m 2。电池板转换效率 K=17%， α =50° ， β =40° ， D=0 ， δ =0 η =0.8， S=1 m2Hy= 1748× [sin(50+40)/sin50]=2281kWh/m 2H=Hy ·K · η · S =2281× 0.17× 0.8× 1000=310.22 kWh5.2 根据使用太阳能电池板数量及容量计算PAS =PMS× n=W ·SH=K ·P AS · T= K·W ·S ·T式中 ： PAS —太阳能电池板总安装容量Special Features论文荟萃www.znjzdq.cn10April 2011 Vol.5 No.2PMS —单块太阳能电池板安装容量n—太阳能电池板数量H—发电量K—维护系数T—周期利用小时数（年利用小时数、 月利用小时、 日利用小时数）S—太阳能电池板安装面积。W—太阳能组件功率密度（ Wp/ m 2）设 1 ： 太阳能组件功率密度（ 160W/ m2）S=1m2 K=0.8 T=1748h/aH = K ·W ·S · T=0.8× 160× 1× 1748=223 kWh设 2 ： 太阳能组件功率为 PAS =1 Wp， K=0.8 ， 北京地区 T=1748 h/aH =K ·P AS · T =0.8× 1× 1748=1.4kWh /a5.3 效益计算根据调研， 目前太阳能光伏发电系统平均成本为18 ? 35 元 / Wp。 北京地区太阳能组件每瓦发电量为1.4 kWh /a。 假定 ： 每度电（ kWh） 电费为 1 元。 在不考虑人工维护成本、 利息等因素情况下， 则至少需 13 ?25 年才能收回成本。6 重点关注的问题6.1 电池板宜设断线检测及报警一个系统由很多电池单元组成， 如果其中一个断路， 整串都不能正常工作。 因此， 每串电池板宜有断线检测及报警。6.2 孤岛效应电网失压时， 光伏系统仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电， 由于光伏系统的能量有限，过载能力不足， 当超过一定时间或负载变化较大时有可能导致欠压， 损坏设备。6.3 热斑效应当组件中的一个电池或一组电池被遮挡或损坏时， 工作电流超过了该电池降低了的短路电流， 在组件中会发生热斑加热。 此时受影响的电池组会处于反向偏置状态， 必定消耗功率， 从而引起过热。6.4 设备选择由于太阳能电池板串的输出电压高、 电流小， 因此相应的断路器、 熔断器、 逆变器等电器设备要选择耐压高的专用产品。 光伏系统专用直流断路器具有高电压、 小电流、 速断电流与长延时电流比值较小的特性。7 结束语太阳能光伏发电是我国近年来重点发展项目。 对节能减排新能源建设项目， 国家发改委、 财政部、 住建部、 国家电力监管委等政府部门先后下发了文件通知予以支持。 对于应用太阳能光电产品发电且效率达到了先进水平， 其中单晶硅光电产品效率超过 16％ ， 多晶硅光电产品效率超过 14％ ， 非晶硅光电产品效率超过 6% ； 单项工程应用太阳能光电产品装机容量不小于50kWp 的项目， 财政部给予财政补贴。 2009 年补助标准原则上定为 20 元 /Wp。 2010年补助标准 ： 支架安装的光伏系统 17元 /Wp， 直接安装的光伏系统 13 元 /Wp。在建筑设计阶段就进行太阳能光伏发电系统设计的项目目前还较少， 因此应引起设计人员的足够重视。 作者通过调研及对相关规范的学习， 提出光伏发电（ PV） 系统设计的一些看法， 供参考。 不足之处望同行专家不吝赐教。参考文献 [1] 西安交通大学 . GB/T 6495.3-1996 光伏器件 第3 部分 ： 地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据 [S]. 全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会， 1996.[2] 中国电力科学研究院， 中国科学院电工研究所， 国家电力调度通信中心 . GB/Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定 [S]. 中国电力企业联合会， 2005. [3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会 . GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求 [S]. 北京 ： 中国标准出版社， 2006.[4] 国家技术监督局 . GB/T18479-2001 地面用光伏（ PV） 发电系统概述和导则 [S]. 北京 ： 中国标准出版社， 2002.[5] 王志刚， 龙维绪， 崔海昱， 邓菊莲， 刘祖明， 廖华， 涂洁磊. 大型集中并网光伏电站硬件设计要求及安全保护 [J]. 阳光能源， 2008（ 4） ： 27-29.作者简介陈 刚2002 年7 月毕业于重庆大学电气学院电气及其工业自动化专业， 大学本科、 工学学士， 注册电气工程师。 现任职于中国航天建筑设计研究院， 从事电气设计工作， 曾获3 次省部级设计奖项。姬 鸿2002 年7 月毕业于中国农业大学电气学院电气及其工业自动化专业， 大学本科、 工学学士。 现任职于中国航天建筑设计研究院， 从事电气设计工作， 曾获2 次获省部级设计奖项。E