5MW大型并网光伏电站技术方案
5 兆瓦大型并网光伏电站技术方案 二〇一〇年 目 录 一、项目概况 .1 二、方案设计 .1 2.1 方案总体思路 .1 2.1.1 设计依据 .1 2.1.2 设计说明 .2 2.1.3 设计原则 .2 2.1.4 进度安排 .3 2.2 具体方案 .3 2.2.1 系统构成 .3 2.2.2 太阳电池阵列设计 .4 2.2.3 智能汇流箱设计 .7 2.2.4 直流配电柜设计 8 2.2.5 光伏并网逆变器 .8 2.2.6 配电保护装置 .10 2.2.7 升压变压器 .11 2.2.8 发电计量系统配置方案 .11 2.2.9 环境监测装置 .17 三、初步工程设计 .18 3.1 土建设计 .18 3.2 电站防雷和接地设计 .19 3.3 电网接入系统和输变电 .19 四、年发电量计算 .22 4.1 光伏发电系统效率 .22 4.2 衰减率预测 .22 4.3 发电量估算 .22 五、环境影响评价 .23 六、投资经济概算 .23 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 45º），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CO 2 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》 1 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 2 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。 图 2.1.1 1MWp 并网光伏电站框图 这样设计有如下好处： 多个 250kW 并网光伏分系统各自独立（至少 5 个 1MWp 的子系统），便于实现梯级 控制，以提高系统的运行效率。 由于是多个分系统，系统冗余度高，不至于由于某台逆变器发生故障而造成整个电 站的瘫痪；局部故障检修时不影响大部分系统的运行。 有利于工程分步实施； 便于进行各种不同元器件设备、不同技术设计的技术经济性能评估，如国产设备和 进口设备；晶体硅、非晶硅及其他组件，以及不同安装方式（固定式、单轴跟踪及全跟踪） 等。 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 3 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 序号 项目名称 规格型号 数量 1 总装机容量 5MWp 25 年年均发电量 604.32 万 kWh 2 太阳电池组件 多晶 230Wp 21744 块 3 太阳电池组件支架 镀锌角钢 1238 吨 4 方阵防雷接线箱 喷塑密封 120 台 5 直流配电柜 250kW 20 台 6 光伏并网逆变器 250kW 20 台 7 交流配电柜 1MW 5 台 8 升压变压器 1250kVA 5 台 9 电流互感器 300/5 5 套 10 断路器 - 5 套 11 隔离开关 - 5 套 12 计量装置 - 5 台 13 防雷及接地装置 - 20 套 14 控制检测传输系统 - 1 套 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。 4 图 2.2.1 太阳电池组件 ① 组件设计特点 使用寿命长：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：晶体硅太阳电池组件，单体光电转换效率≥ 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 型号 电性能参数 组件外形 Vo c (V) Isc (A) Vm (V) Im (A) Pm (W) 电池片规格 (mm) 规格 (mm) 重量 (kg) 工作温度 (℃) CLS-230P 37.38 8.31 29.28 7.86 230 156×156 1650×992×50 21.5 -40～+85 注：标准测试条件（STC ）下—AM1.5 、1000W/m 2 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 1Ω 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/cm 2 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。 5 Pm 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 5 Pm=Im×Vm。 太阳能电池板的工作电压和 Vo c 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。 图 2.2.2 I-V 曲线图 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×[sin( α+β)/sinα]+D 式中：R β——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 6 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。 3、太阳电池组件串并联方案 250kW 光伏并网逆变器的直流工作电压范围为：400Vdc ～880Vdc 。 太阳电池组件串联的组件数量 Ns=880/37.38≈24（块），这里考虑温度变化系数，取太阳 电池组件 18 块串联，单列串联功率 P=18×230Wp=4140Wp； 单台 250kW 光伏并网逆变器需要配置太阳电池组件并联的数量 Np=250000÷4140≈60 或 61 列。若 Np 取 60 列，则实际功率为 248.400kWp，这样 1MWp 光伏阵列单元设计为 240 列支路并联，共计 4320 块太阳电池组件，实际功率达到 993.600kWp。 ；若 Np 取 61 列，则 实际功率为 252.540kWp，这样 1MWp 光伏阵列单元设计为 244 列支路并联，共计 4392 块 太阳电池组件，实际功率达到 1010.160kWp。 为了使整个电站实际功率达到 5MWp，设计采用 3 组 993.600kWp+2 组 1010.160kWp 的组合方式，即该光伏电站总共需要 230Wp 的晶体硅太阳电池组件 21744 块， 18 块串联， 1208 列支路并联的阵列，实际功率达到 5.00112MWp。 2.2.3 智能汇流箱设计 智能汇流箱是光伏发电系统中的重要组成部分，其主要作用是按照一定的串、并联方式 将光伏阵列连接到一起，以便对光伏阵列实施监控。方案设计中采用北京能高自动化技术有 限公司自主开发的汇流箱 NG-SH01-Z100。 NG-SH01-Z100 汇流箱的主要技术指标： 10 路直流输入，1 路输出； 最大输入电压：1000V ； 最大输入电流（每个支路）：10A ； 每个支路均设置二极管防反保护功能； 最大输出电流：125A ； 外形尺寸：600×300×450 mm （长× 宽× 高）； 配备光伏专用高压防雷器，正负极都具备防雷功能； 防护等级 IP65。 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 7 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。 × × 图 2.2.3 汇流箱结构 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 本方案设计采用北京能高自动化技术有限公司自主开发的 SunVert250 光伏并网变流器， 8 每台逆变器的额定功率为 250kW，均含有隔离并网变压器，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（SunVert250 ） 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 表 2.2.2 250kW 光伏并网变流器（SunVert250 ） 直流侧 推荐光伏组件功率 275 kWp 最大直流输入电压 880 V DC MPPT 电压范围 450 V DC ~ 820 V DC 最大额定电流 600 A 交流侧 额定输出功率 250 kW 9 额定输出电流 380 A 并网电压范围 380 V AC （-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 2.2.6 配电保护装置 配电保护装置包括并网解列点、可视断点、保护接触器、三相电度表或采用智能网络仪 表（用于计量太阳能电池组件的发电量）等。以 250kWp 单元为例， 250kWp 太阳电池组件 方阵配备一台 250kW 并网逆变器，逆变器的输出接到汇流总线，通过汇流总线接到 35kV/1250kVA 升压电力变压器的低压侧。 配电线路如下图所示。 图 2.2.6 单元配电线路图 10 2.2.7 升压变压器 拟选用全密封电力变压器，该产品为免维护型箱式变压器，其装配采用防松紧固件，油 箱与箱盖可采用焊接型式连接，变压器油不会吸收空气中的水份，绝缘强度不会降低，因油 箱内氧气无法进入，从而减缓了绝缘材料的老化，大大提高了产品的使用寿命。 图 2.2.7 35kV 级 S9 型双绕组无励磁调压配电变压器 表 2.2.3 35kV 级 S9 型双绕组无励磁调压配电变压器技术数据 电压组合及分接范围 重量（kg） 产品型号 额定 容量 （kVA ） 高压 （kV ） 高压分接 范围（% ） 低压 （kV ） 联合组 标号 （kW ） 空载 损耗 (kW) 负载 损耗 (kW) 空载 电流 （% ） 短路 阻抗 (%) 绝缘 油重 总重 轨距 （MM） S9-1250/35 1250 35－ 38.5 ±5 0.4 Yyno 1.76 14 0.85 6.5 1300 4775 820×900 2.2.8 发电计量系统配置方案 1、发电计量仪表配置示意图、仪表类型 光伏发电设备的计量点通常设在光伏并网逆变器的并网侧，该电度表是一块多功能数字 式电度表，不仅要具有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。同时，该表 还可以提供灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显示损耗、状态信息、报警等。此外， 显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改，通过光电通讯口还可处理报 警信号，读取电度表数据。 （ 1）发电计量仪表配置示意图 11 图 2.2.8 发电计量仪表配置示意图 （ 2）仪表类型 本项目拟采用三相感应式交流电能表，该产品性能稳定可靠，可以用于计量三相电网中 有功电能，提供双向计量。 图 2.2.9 三相感应式交流电能表 2、数据采集方案 并网光伏发电系统综合监控系统的基本功能包括： z 光伏并网逆变器运行状态的监视； z 并网光伏发电系统发电量计量与统计； z 并网光伏发电系统环境检测； z 光伏并网逆变器运行调度。 12 （ 1）监控系统功能介绍 光伏发电监控系统采用具有国际先进技术水平的国产化设备。自动化通讯、数据采集技 术，结合了 SCADA 系统的优点，是一套完整高效的光伏发电监控系统，具备本地和远程监 控功能。 本地监控系统采用安装在变流柜上触摸屏，监控范围包括环境参数、汇流箱、光伏并网 逆变器等。主要监控数据包括光伏发电单元的直流输出电压、电流和功率，光伏并网逆变器 进出侧电压、电流、功率、并网频率和内部参数，另外还有环境温度、光照度等。 远程中心监控系统采集各本地监控系统的数据，进行数据汇总、查询、统计、报警等功 能。用户在办公室也能实时掌握现场设备运行状态，并能查询发电量统计和故障信息。 光伏发电监控系统具备开放性和很好的可维护性，用户界面友好，易于管理和应用，其 数据管理和分析工具，能满足企业生产管理的需要，具备很好的实用性。 （ 2）监控体系结构 光伏发电监控系统由监控设备（如光伏并网逆变器、汇流箱、光照强度传感器、温度传 感器、电池检测器等），本地触摸屏、远程监控中心等组成。如下结构示意图： 图 2.2.10 光伏发电监控系统示意图 光照强度传感器、环境温度传感器和基准电池等可通过模拟信号（如 4-20mA 信号）进 入就近变流柜，用模拟量采集模块进行数据采集。采集模块带 RS485 接口，采用 modbus RTU 协议。 汇流箱信号也采用串口 modbus RTU 协议，就近的诺干个汇流箱可挂在一条 485 总线上， 接入对应变流柜。 光伏并网逆变器通过本地触摸屏来进行操作和数据监视，同时光伏并网逆变器数据由触 摸屏的 RJ45 端口采用 Modbus/Tcp 协议传到远程监控系统。如图 2.2.11，能比较清楚地了解 变流柜内数据流。 13 监控中心将与各设备通讯的数据存入自己的实时数据库，根据通讯速率，动态更新数据。 监控中心的显示界面的动态数据从自己的实时数据库获取。 Et hernet RS485 模拟量采集 汇流箱 触摸屏 变流柜 来自 现场传感器 去监控中心 模拟量采集 模块 变流器 图 2.2.11 光伏并网逆变器数据流示意图 3、本地触摸屏监控 触摸屏与光伏并网逆变器、采集模块以及汇流箱采用 485 串口通讯，通过 485 协议进行 实时数据收发，数据交换是双向的，也能对设备进行命令控制和参数修改。 通过运行界面，用户能查看设备运行实时数据，也能根据需要，对参数进行调整和对设 备的启停或工作状态进行控制。数据显示方式多样化，有直接数据显示、柱状图显示、趋势 曲线显示、动画显示等，以下是用户界面示例： 图 2.2.12 数据显示示例 本地触屏还可保持部分历史数据在自己的存储器中，单由于存储空间有限，不能保持大 量长期历史数据。以下是历史报表示例： 14 图 2.2.13 历史报表示例 当有故障发生时，报警提示窗产生提示信息，另外历史报警内容可在报警表查询到。以 下是报警查询界面，系统提供完备的用户管理机制，为不同用户设定不同的权限。 图 2.2.14 报警查询示例 4、远程监控中心 远程监控中心软件采用北京能高 NSPM 光伏电站监控软件，硬件采用专门的工控机和 数据服务器，能对现场所有设备进行管理。系统具有强大的分析和查询工具，满足如设备状 态分析和集中监视、实时数据查询、生产报表、历史趋势分析、故障诊断等需求。 监控中心由工程师站、历史数据服务器、操作员站等组成，通过核心交换机采用以太网 连接，本地触摸屏接入核心交换机。结构示意图如下： 15 工程师站 Ethernet 历史数据服务器 核心交换机 操作员站 1 操作员站 2 操作员站 3 本地触摸屏 1 …… 本地触摸屏5 图 2.2.15 监控中心网络结构示意图 工程师站负责数据组态，历史数据服务器用于存储大量历史数据，操作员站用于数据浏 览和操作。必要时，这三个站能合并为一个站。 NSPM 由通讯组件，实时数据库，界面显示组件，WEB 发布组件等组成，是一款专门 针对光伏电站监控的软件系统。通讯组件用于和本地设备通讯，根据不同的接口，可选择串 口、现场总线接口、以太网、OPC 等接口；实时数据库是整个软件的核心，负责数据存储 和报警处理，并能提供关系数据库接口；界面显示是系统与用户的接口，用于显示和查询数 据以及修改参数，数据显示方式多样化，有直接数据显示、柱状图分析、报表、趋势曲线、 动画显示和报警提示等。 图 2.2.16 NSPM 显示示例 通过数据服务器，系统能够长时间存储从光伏发电系统中检测的数据。 NSPM可对历史 数据进行组织，查询日报、月报、年报，还可对历史数据统计分析。系统具有强大的数据分 析能力，例如对发电量进行统计，换算成等效煤炭消耗，CO 2 、 SO 2 减排量等，还能显示当 16 前发电功率, 日发电量累计, 月发电量累计, 年发电量累计, 总发电量累计等。报表数据能进行打 印。 图 2.2.17 报表查询示例 报警的产生主要有三种，一种是设备传来的报警信号或故障代码，第二种是根据采集数 据产生报警（如数据越限或偏差，变化过快等），第三种是通讯故障报警。根据报警严重性 不同，可分三个优先级，在实时报警显示和系统报警窗口显示中，首先显示高优先级报警。 报警提示方式有多种，有报警指示灯提示、颜色变化、弹出式提示、声音报警等。 系统提供了完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠。用户管理将用户分为操 作人员、工程师、开发人员等多个级别，并可根据级别限制对重要工艺参数的修改，以有效 避免生产过程中的误操作。 另外系统具有 C/S 和 B/S 双重结构。采用 C/S 模式，本地客户端能查询服务器数据，进 行交互式操作。采用 B/S 模式系统通过 web 发布，客户端不需要安装监控软件，也能实现 远程监视（以浏览器通过 Internet/Intranet 方式），在办公室之外通过访问企业的 Web 服务器 也能够浏览光伏发电的生产实况。 为了能保证监控机能不间断的记录电站数据，系统设计专门提供一套 UPS 电源系统为 监控系统提供电源，UPS 系统和室内供电系统连接，在电网停电、掉电的情况下，尽可能 保证电站运行数据的正常记录和对电站的监控。 2.2.9 环境监测装置 在太阳能光伏发电场内配置 1 套环境监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等 参数。 17 图 2.2.18 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。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。 三、初步工程设计 3.1 土建设计 1、 5MWp 光伏电站围墙设计 光伏电站为了防止围墙遮挡太阳光及从安全、美观、经济、实用考虑，采用砖围墙与铁 栅栏相结合，总高为 2.5m。围墙基础采用平毛石砌筑，砖砌围墙宽为 0.24m，高为 0.5m， 以上为铁栅栏 2m 高， 铁栅栏围墙每隔 4.5m 固定镀锌钢管立柱，钢管立柱之间为 10 号镀 锌钢丝网，网孔 100×100。光伏方阵与四周围墙距离为 6m。围墙南北中部各设钢管栅栏门 一个。 2、方阵支架基础设计 该项目单板如果采用 230Wp的太阳电池组件，一斜排 4 块太阳电池组件。其中， 230Wp 单板尺寸为： 1650mm×992mm×50mm，假设方阵倾角为 45 o 。方阵支架基础采用C25 混凝土 现浇，预埋安装地角螺栓，单个基础 0.06m³。 3、光伏电站配电室设计 光伏电站配电室采用轻钢及彩钢夹芯板围护结构，建筑面积约 100m²。 4、计算太阳电池方阵间距和光伏电站占地 计算当太阳能电池组件子阵前后安装时的最小间距 D。 一般确定原则：冬至当天早 9:00 至下午 3:00 太阳能电池组件方阵不应被遮挡。 计算公式如下： ()[]φφ sin399.0cos648.0arcsintan 707.0 − = H D 式中： 18 φ：为纬度( 在北半球为正、南半球为负) ，根据项目地点经纬度计算；假设方阵倾角设 计为 45º（可以根据实际项目地点进行调整）；H ：为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列 间距应不小于 D。 太阳电池组件组件排布方式为： 根据并网逆变器的输入要求，采用 230Wp 组件 18 块串联为 1 组串。方阵采用 4 行 ×9 列方式排列，方阵间距 5.5m。 5MWp 太阳能电池共安装 230Wp 太阳能电池组件 21744 块（实际功率达 5.00112MWp）， 每阵 36 块组件，共 604 阵。 604 个子阵组成 5MWp的太阳能电池组件方阵场。东西方向放置 25 子阵、南北方向放 置 25 子阵。占地 400×200=80000m 2 ，约 120 亩。 此用地面积为根据通常情况得出的估值，实际使用面积应根据具体情况进行计算，考虑 盈余，建议规划用地 150 亩。 3.2 电站防雷和接地设计 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。 （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 35mm 2 铜芯电缆，接地电阻应小于 4 欧姆。 （2 ）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 柜，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柜（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。 3.3 电网接入系统和输变电 1、电网接入系统设计 本系统由 5 个 1MWp 的光伏单元组成，总装机 5MWp，太阳能光伏并网发电系统接入 35kV/50Hz 的中压交流电网，按照 1MWp 并网单元配置 1 套 35kV/0.4kV 的变压及配电系统 进行设计，即系统需要配置 5 套 35kV/0.4kV 的变压及配电系统。每套 35kV 中压交流电网 接入方案描述如下： 19 图 3.1.1 35kV 中压交流电网接入方案图 2、输电线路和变电系统设计 （ 1）输电线路设计 太阳电池方阵发出的电能通过并网逆变器后经 0.4 kV 电缆线路送至 0.4 kV 低压柜至升 压变压器，就地升压后经 35 kV 电缆线路送至环网柜，由环网柜汇集后输送到 35kV 输电线 路上，通过 35kV 输电线路送到变电站 35kV 侧母线，再经变电站主变升压后送入电网。若 光伏电站离变电站较近，则由光伏电站至变电站的集电线路全线采用 35kV 电缆线路。光伏 电站和集电线路的 35kV 电缆线路敷设方式采用直埋方式。 电缆及架空线路截面选择如下： 1）低压电缆选择： 太阳电池并网逆变器至升压变压器通过电缆连接，本期工程子系统采用 4 并 1 方式，即 4 个 250kW，出口电压为 400V的太阳电池方阵逆变器，并入一台升压变压器。每个方阵额 定电流达到约 380A，电缆选择YJV-0.6/1kV-3×240+1×120mm 2 ，每个子系统需要 4 回路电缆。 2） 35kV 高压电缆选择： 电缆选择既要满足额定电流要求, 还要满足热稳定要求。根据设计要求，光伏电站内每 台变压器 35kV 侧环网柜之间的联络电缆及与变压器之间的连接电缆采用 20 YJV22-26/35kV-3×50mm 2 。 站内电缆汇集后，采用YJV22-26/35kV-3×70mm 2 电缆送入变电站内。 （ 2）变电系统设计 光伏电站内按 1MWp 一个方阵进行规划布置，共有 5 个方阵。根据光伏设备布置情况， 每两个方阵布置一个配电室，配电室内按方阵和功能进行划分，每个方阵有变压器室、 35kV 环网柜室、并网逆变器及 400V 低压室。 5MWp 光伏发电工程共计安装 20 个 250kWp 太阳电池方阵，每 4 个方阵由 4 台逆变器 并联接入一台变压器，本工程共需变压器 5 台。 1）变压器容量选择： 每 4 个 250kW 太阳电池方阵发电额定容量为 1000kW，按照 35kV 变压器容量系列，选 择 1250kVA 变压器。 2） 35kV 环网柜选择： 为了减少电缆线路的长度及站内线路的汇集，保证电气设备的安全运行。采用 35kV 环 网柜。柜内采用真空负荷开关及熔断器，并配有避雷器。 真空负荷开关具有接通、隔离和接地功能。与熔断器联合使用，即可提供额定负荷电流， 又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效的保护变压器。 避雷器选用组合式过电压保护器，可有效限制大气过电压及各种真空断路器引起的操作 过电压，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用。该过电压保护器不但能保护截 流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压，而且能保护雷电过电压。 3） 400V 开关柜 400V 采用抽屉式开关柜，每台变压器低压侧配置一面馈线柜，一面进线柜。每面馈线 柜可接 4 台 250kW 并网逆变器，并配有电流表。每面进线柜通过母线桥与变压器 400V 侧 连接，并配有电流、电压及电度表。可以检测 400V 母线及并网逆变器的运行情况。 4）无功补偿 光伏电站内不设无功补偿装置。可在 220kV 变电站 35kV 母线侧与变电站一同考虑无 功补偿问题。 5）电能计量 光伏发电设备的计量点设在变电站 35kV 开关柜侧，同时在光伏电站的每台变压器的 0.4kV 侧装设一块多功能数字式电度表。该电度表不仅要有优越的测量技术，还要有非常高 的抗干扰能力和可靠性。同时，该表还可以提供灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显 示损耗、状态信息、报警等。此外，显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件 来修改，通过光电通讯口还可处理报警信号，读取电度表数据。 21 四、年发电量计算 4.1 光伏发电系统效率 光伏发电系统效率受很多因素的影响，包括：当地温度、污染情况、光伏组件安装倾角、 方位角、光伏发电系统年利用率、太阳电池组件转换效率、周围障碍物遮光、逆变损失以及 光伏电站线损等。将计算方法简化后，光伏发电并网系统的总效率由光伏阵列的效率、光伏 并网逆变器转换效率和其他效率( 主要是升压变压器效率）三部分组成。 1、光伏阵列效率 η 1 ：光伏阵列在 1000W/m 2 太阳辐射强度下 ,实际的直流输出功率与标 称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、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，按当地纬 度设定光伏阵列表面倾斜度，可以大大提高光伏阵列的效率，取效率 90%计算。 2、光伏并网逆变器转换效率η 2 ：光伏并网逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之 比，取效率 96%计算。 3、其他效率η 3 ：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率， 取变压器效率 95%计算。 4、系统总效率为：η 总 ＝η 1 ×η 2 ×η 3 ＝9
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