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光伏电站设计 郭清华 2015.05 目录 ü 地面光伏电站 ü 光伏电站设计依据 ü 光伏电站设计流程 ü 光伏发电的主要设备 ü 关键设备选型原则 ü 光伏电站发电单元布置 ü 系统方案设计 ü 电气系统设计 ü 土建结构设计 ü 其他 一、地面光伏电站 地面光伏电站 主要由光伏方阵、防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变 器、交流配电柜、 SVG无功补偿系统、升压系统、高压保护系统、直流系 统、计量接入系统、 监控通讯 系统、交直流电缆、气象站、支撑系统、 防雷保护系统、照明系统、消防系统、暖通系统、给排水系统、安保系 统等构成；另设计单元逆变房、低压配电室、高压配电室、消防通讯 室、综合楼（用于站区生活办公、监控管理）。 地面光伏电站占地范围大，涉及面较多，一般需进行总图设计 。 地面光伏电站 Ø 招标要求、业主技术要求（设计范围） Ø 可行性研究报告 Ø 地质勘查报告 Ø 电气一次、二次接入系统报告及批复 Ø 项目租地、征地红线图 Ø 场地地形地貌图 Ø 《 光伏发电站设计规范 》 GB 50797-2012 Ø 《 光伏发电站接入电力系统技术规定 》 GB/Z19964-2005 Ø 踏勘或尽调报告 Ø 项目会议纪要 Ø 与项目情况相关的法规和标准 关键性设计依据 二 、光伏电站设计依据 Ø 《 光伏（ PV）系统电网接口特性 》 GB/T20046-2006 Ø 《 光伏系统并网技术要求 》 GB/T19939-2005 Ø 《 光伏（ PV）发电系统过电压保护－导则 》 SJ/T11127-1997 Ø 《 光伏电站接入电网技术规定 》 Q/GDW617-2011 Ø 《 光伏电站接入电网测试规程 》 Q/GDW618-2011 Ø 《 电能质量 电压波动和闪变 》 GB 12326-2008 Ø 电 能 质 量 电 力系 统 供 电电压 允 许 偏差》 GB12325-2008》 Ø 电 能 质 量 公用 电 网 谐 波》 GB／ T14549-1993》 Ø 电 能 质 量 三相 电压 允 许 不平衡度》 GB/T 15543-2008》 Ø 其他法规和国家标准、行业标准 相关设计依据 光伏电站设计依据 三 、光伏电站设计流程 地形地貌勘探 水源、电力接入及运输能力考查 项目概况及说明、项目分析 系统接入报告及评审意见 、 可研报告及一次、二次批复文件 用地红线图 /坐标、地形地貌图 、 地勘报告 系统接入报告及评审意见、可研报告及评审意见、地勘报告 确定光伏阵列排列形式、倾角、间距、管理区布置 用地预审、水保、环评、安评、矿压、文保等 确定系统方案及关键设备选型 总的部分、发电单元系统、高压配电装置、站用电系统、照 明、防雷接地、电缆敷设及封堵等 设计过程中存疑时开展 二次保护系统（订货后开展） 视频监控、火灾报警系统 总图、房建、设备安装基础、光伏支架、设备安装支架、预 埋管等 综合楼、高压配电室、 SVG室、逆变器室、门卫室、设备基 础等 综合楼、配电室、 SVG室、逆变室、门卫室、设备基础、光 伏支架 给排水、采暖通风 地 面 光 伏 电 站 项 目 设 计 流 程 尽调报告 电气专业设计 熟悉项目立 项资 （业 主提供） 项目资料 深刻解读项目资料 电气总平面布置 电气主接线 土建提资 电气一次设计 设计现场踏勘 电气二次设计 确定设计阶段，制 定卷册目录及出图 计划 土建专业设计 设备招标技术规范 书 总图 建施图 结施图 水暖图外线送出工程（外 协） Ø 电气一次、二次接入系统报告及批复 （可先行开展一次系统部分设计） Ø 项目租地、征地红线图，场地地形地貌图 （可先行开展发电单设计） Ø 地质勘查报告 （判定地质和土层情况，影响坡面安装光伏的不确定性，开展结构 设计的先决条件） 开展设计的关键要素 光伏电站设计流程 • 太阳电池组件是将太阳光的辐射能直接转换为电能的重要 器件，是利用光生伏打效应，将太阳辐射直接转化为直流 电能成熟进行输出也是光伏发电系统的核心部件。 • 市面较的太阳电池组件主流种类有单晶硅、多晶硅、非晶 硅薄膜电池、砷化镓薄膜电池、硒铟铜薄膜电池，其中以 多晶硅电池应用较广。 • 将多个电气性能相同的太阳电池组件按一定数量串联后， 就构成了光伏组串。 • 一个或多个光伏组串通过支架固定安装后便构成了光伏阵 列。 • 多个光伏阵列通过计划的排列后便构成了光伏方阵。 太阳电池组件 四、光伏电站的主要设备 太阳电池组件 光伏电站的主要设备 晶体硅电池组件构成 单晶、多晶电池组件 双玻夹胶电池组件 非晶薄膜电池组件 太阳电池组件的安装形式 光伏电站的主要设备 建筑一体化 BIPV 屋面安装 BAPV 单轴跟踪式地面固定安装 建筑一体化 BIPV 双轴 跟踪式 光伏并网逆变器 光伏电站的主要设备 并网逆变器是负责将光伏直流电 能转变为交流电能、实现和公用电 网的连接重要设备，具备电网信号 检测、防孤岛保护、直流输入检测 和最大功率跟踪、通讯等功能。主 要分 集中逆变器、组串逆变器和组件 逆变器。 集中逆变器一般用于大型地面电站， 并具备低电压穿越功能，同时要求不自 带隔离变压器。 集中逆变器和组串逆变器均可用于 中小型用户侧并网系统。组串逆变器一 般采用非隔离方式，可户外安装。 组件逆变器是采用交流母线的方式 ，将每块电池组件单独进行电力变换输 出，系统结构简单，一般用于 小型家用 分布式并网发电系统。 光伏并网逆变器原理图 光伏电站的主要设备 常规所说的 “ 电平 ” 就是指电路中两点或几点在相同阻抗下 电量的相对比值。 相对于传统的两电平全桥逆变器，三电平 NPC逆变器具有一 系列优点： 1）开关损耗小，效率高； 2）开关动作时 dv/dt小， 引起的电磁干扰（ EMI）小； 3）输出电压波形为三电平，谐波 含量少，所需的滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损 耗。 光伏发电的主要设备 汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流， 用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高 可靠性和可维护性。 在提供汇流防雷功能的同时，还监测各光伏组串运行状态， 输出电流、电压、功率，和防雷器状态、直流断路器状态采集， 装置标配有 RS485接口。 直流防雷智能汇流箱 光伏发电的主要设备 箱式变电站（简称箱变）是一种把高压开关设备、配电变压 器和低压配电装置，按一定接线方案组合在一个或几个钢结构箱 体内的紧凑型成套配电装置。 美式箱变采用品字形排布，前面为高、低压操作间隔，操作 间隔内包括高低压接线端子，负荷开关操作柄，无载调压分节开 关，插入式熔断器，油位计等；后部为注油箱及散热片，变压器 绕组、铁芯、高压负荷开关和熔断器放入变压器油箱中。变压器 取消油枕。 就近升压箱室变电站 美式箱变比欧式箱变结构更合理 ，体积小、过载能力要强 (甚至允许过 载 2倍 2个小时，过载 1.6倍 7个小时而 不影响箱变寿命 )。 光伏发电的主要设备 就近升压箱室变电站原理图 光伏发电的主要设备 高压开关柜是用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗 中起通断、控制或保护等作用的电器产品。 一般含高压断路器 (熔断器）、弹簧操作机构、接地开关、高压 避雷器、电流互感器、微机保护装置、各类仪表等。 光伏电站常用开关柜型号： KYN61-40.5。 含进线柜、出线柜、 PT柜、站用电柜、 SVG柜、接地变柜 高压开关柜 常用真空断路器， SVG柜一般采用 SF6断路 器。 特殊情况要求用充气 柜。 光伏发电的主要设备 静止无功发生器 (Static Var Generator)，简称为 SVG。是指由 自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。由三 个基本功能模块构成：检测模块、控制运算模块及补偿输出模块。 相比传统 SVG运行稳定、响应时间快、调节平滑、运行范围宽、 容量大。 分直挂式和带降压变压器，内部连接方法也分星行和三角形。 SVG及连接变 光伏发电的主要设备 主变是光伏电站依接入电压等级（接入 点）要求设置的主升压变压器，设置与否也 和项目容量有关。 采用有载调压方式。 设平衡绕组消除 3次谐波，一般采用 YN/yn0/d11连接组别。 主变 光伏电站 35kV并网接入时直接从开关柜 出线。 采用 110kV或更高电压等级并网接入时， 需设置相应高压间隔和配电装置。 一般分 GIS和室外敞开式配电装置。 主要含断路器、隔离开关、接地开关、 PT、 CT、母线等。 高压配电装置 光伏发电的主要设备 变压器中性点接地保护装置专用于电力 变压器中性点，以实现变压器中性点接地运 行或不接地运行两种不同的运行方式；从而 避免由于系统故障，引发变压器中性点电压 升高造成对变压器的损害。 常用形式：小电阻接地、消弧线圈接 地、间隙接地、接地变接地，或组合使用。 中性点接地保护装置 光伏发电的主要设备 Ø 微机监控系统 Ø 五防系统 Ø 远动通信系统 Ø 故障录波及解列 Ø 电能质量在线监测系统 Ø 光功率预测系统（天气预报数据采集系统） Ø 有功、无功功率控制系统 Ø 母差保护、线路保护、光差保护 Ø 主变测控及保护 Ø 直流电源系统 Ø 火灾报警系统 Ø 视频监控系统 光伏电站自动化系统 • 非晶硅薄膜太阳 电 池 虽 具有弱光性好，受温度影响小等 优 点 ，但非晶硅太阳 电 池 换 效率相 对较 低，且在 长时间 的光照 下会出 现 衰减 现 象 。 • CIGS薄膜电池转换效率高，但成本高。 • 单 晶硅、多晶硅太阳能 电 池技 术 成熟、性能 稳 定 、 光 电转 化效率相 对较 高，已被广泛 应 用于大型并网光伏 电 站 项 目 。 • 单 晶硅 比 多晶硅 组 件的光 电转 化效率略高 ， 但 单 晶硅 组 件 的价格比多晶硅 组 件的价格略高近 10%左右 。 • 多晶硅太阳能 电 池 组 件的功率 规 格 较 多， 目前光伏电站使用 的有 60芯片组件（ 60块 165*165硅片串联，功率约 250-265Wp ，峰值电压约 30V），和 72芯片组件（ 72块 165*165硅片串联 ，功率约 300-315Wp，峰值电压约 36V）。 • 72芯片的组件可节省支架成本，但安装费用、其他电器设备 单位成本也偏高。 • 转换效率需满足国家要求。 电池组件 五、关键设备选型 • 常用的有 12汇 1， ,16汇 1，分支 15A，输出 250A。 • 正负极熔断器保护。 • 一般都选择带监控通讯的，方便运维管理 。 • 直流配电柜或逆变器未设置防反二极管，一般需安装 55A/1600V低压降防反二极管 。 • 偶用 8汇 1 。 • 72芯片的组件可节省支架成本，但安装费用、其他电器 设备单位成本也偏高。 • 转换效率需满足国家要求。 直流防雷汇流箱 关键设备选型 • 逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、顺势过载 能力及各种保护功能。 • 逆变器在满载时，效率必须在 95％以上，在 10%额定功率下 ，也要保证 90％以上的转换效率。 • 逆变器输入直流电压有较宽的范围。由于太阳能光伏电池的 端电压随负载和日照强度的变化范围比较大。直流电压高可 已降到成本。 • 大型电站 1MW单元常用两台 500kW的逆变器分裂运行。 • 针对山地光伏电站不同的倾角和朝向，宜采用组串式逆变器 已提高发电性能。 • 逆变器的 MPPT电压范围尽可能宽，最大直流电压尽可能高。 • 逆变器采用集成直流柜方案可降低成本。 • 100kW和 250kW大机在分布式电站应用较多。 • 需考虑海拨、污秽等级的降容因素。 光伏并网逆变器 关键设备选型 • 一般都是采用美式箱变，容量按发电单元规模配置 1000kVA。 • 在太阳资源较好的地方，可以考虑 1100kVA。 • 必要时低压侧可以采用抽出式断路器方便检修。 • 需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。 箱变 关键设备选型 • 容量一般按系统接入批复配置。 • 依电压等级及接入要求选择是否配置连接变和内部功率模块的接法。 • 相应的开关柜宜选用 SF6断路器。 • 需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。 SVG • GIS占地小、价格高、稳定性好，现场安装快 。 • 敞开式配电装置站地大、成本低。 高压配电装置 • 一般采用固定倾角式钢制支架。 • 单轴跟踪系统约可增加 12%的发电量（依不同纬度）。 • 双轴系统约可增加 20%的发电量（依不同纬度）。 • 跟踪系统投入成本高、维护成本高，稳定性差，仅高纬度项目会考 虑。 • 支架方案的优化。 光伏支架 关键设备选型 • 一般有钢制螺旋桩、混泥土灌注桩、混凝土预制桩、 混凝土预制基础（配重式）。 • 螺旋桩适合土层较好、腐蚀性少的场地，工期快。 • 混凝土灌注桩现场调节性能好，成本稍低。 支架基础 Ø 光伏支架选取形式，支架倾角、前后防遮挡间距。 Ø 场地地形地貌对遮挡及发电性能的影响。 Ø 场平方案的取向。 Ø 需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。 布置考虑因素 六、光伏电站发电单元布置 Ø 逆变器 室宜位于发电单元中央，电缆成本低、发电量稍大。 Ø 场内道路需满足消防要求，需过逆变器室，采用 4米碎石道路。 Ø 各发电单元宜整齐美观。 Ø 注意汇流箱的布置和汇线方式，尽量减少前后排光伏阵列的组串汇流方式 ， 以及控制汇流箱电缆的长度和选型。 Ø 场内道路宜按东西方向设置，并利用前后排光伏阵列的防遮挡间距。 Ø 南北方向尽量少修纵向道路。 Ø 如无必要尽量减少场地四周道路。 布置原则 Ø 发电单元电池组件功率和逆变器功率配置 1.05:1，一般在光照条件较好的区域，且按批复容量数设置发电单 元数，无形节省了 0.05MW*单元数的路条成本； 1.1:1，一般在光照条件稍不太好 区域，且按项目总容量接近批复 容量考虑，无形节省了部分电气设备（逆变器、箱变）的成本投入 ，但存在限发电的可能。 EPC项目建议按 1.1:1方案。 Ø 宜选用 72芯片的电池组件，光伏支架和基础成约低 0.07元 /Wp， 但电气设备的利用率偏低，占地面积偏大，安装成本稍高。 发电单元设计 七 、系统方案设计 Ø 箱变容量和逆变器功率宜按 1:1配置。 Ø 发电单元宜采用 2台 500kW的逆变器， 箱变应采用三绕组双分裂方式。 Ø 宜采用逆变器集成直流柜方案节省成本。 Ø 光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天 9:00~15:00（当地真太阳 时）时段内前、后、左、右互不遮挡 Ø 宜按年均发电量最大选择最佳倾角，方向朝正南 Ø 需要场地地形地貌，合理选择（多种）防遮挡间距 Ø 在项目面积和地形的限制下，可适量降低倾角、缩短防遮挡间距， 并调整朝向，以满足装机容量和发电性能要求 倾角及防遮挡间距 系统方案设计 Ø 合理选择集中式逆变器还是组串式逆变器。 Ø 逆变器器输出电压宜尽量高，节省至箱变的交流电流及箱变绕组成 本。 Ø 除低电压穿越外，宜选择具备零电压穿越、高电压穿越功能的逆变 器。 Ø 合理要求逆变器元器件配置品牌 Ø 集中式逆变器宜选择集成直流柜方案。 Ø 逆变器的结构应方便施工接线也运维。 Ø 应要求易损件的清单和专项工具 逆变器 系统方案设计 • GB50797-20112《光伏发电站设计规范》条文说明中 7.2.2提供了 一个固定式光伏方阵冬至日当天 9:00~15:00不遮挡间距计算公式 • 其中： • D—— 两排阵列的间距 • L—— 阵列倾斜面长度 • Φ—— 当地纬度 • β—— 组件倾角 • 如果竖直安装两排组件的话，那么阵列倾斜面长度 L=1650+1650+20=3320 • Φ=37.5° ； β=37° 经过计算得出 D=7865.3 • 这只是没有南北坡度的时候的计算结果