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并网光伏发电系统工程设计案列

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并网光伏发电系统工程设计实例

实例1 10 kW并网光伏发电系统设计

太阳能并网光伏发电系统设计的总则是：
(1)并网光伏发电系统的配电系统是在原有的基础上增加的，采取尽量不改造原有配电回路的原则。因此，将光伏发电系统的并网点选择在低压配电柜上。
(2)考虑到并网光伏发电系统在安装及使用过程中的安全性及可靠性，在并网逆变器直流输人端加装直流配电接线箱。
(3)并网逆变器采用三相四线制输出方式。

1.并网光伏发电系统组成

10kW级的并网光伏发电系统采用集中并网方案，通过1台SGLOK3并网逆变器接AC380 V/50 Hz三相交流低压电网进行并网发电。并网光伏发电系统的主要组成包括：太阳能电池组件及其支架；直流防雷配电柜；光伏并网逆变器(带工频隔离)；交流防雷配电柜；系统通信及监控装置；系统发电计量装置；系统防雷接地装置；土建及配电房等基础设施；整个系统的电缆连接线。
10 kw级的并网光伏发电系统的太阳电池子阵列采取经过直流防雷配电柜汇流后输入到光伏并网逆变器，再经过交流防雷配电柜接入AC 220 V/50 Hz三相交流低压电网。另外系统配有通信软件和监控装置，实时监测系统的运行状态和工作参数，并存储相关的历史数据。

2.光伏并网逆变器的选择

针对10 kW的并网光伏发电系统，整个系统选用型号为SG10K3的光伏并网逆变器1台。SG10K3光伏并网逆变器采用美国T1公司32位专用DSP(LF2407A)控制芯片，主电路采用智能功率IPM模块，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质高效隔离变压器，实现太阳能电池阵列和电网之间的相互隔离，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。该并网逆变器的主要技术性能特点如下：
(1)具有直流输人手动分断开关，交流电网手动分断开关。
(2)具有先进的孤岛效应检测方案。
(3)具有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能。
(4)宽直流输人电压范围(220～450 V)，整机效率高达93%。
(5)人性化的LCD液晶界面，通过按键操作，液晶显示屏(LCD)可清晰显示实时信息。
(6)逆变器具有完善的监控功能能存储运行数据、实时故障数据、历史故障数据、总
发电量数据、历史发电量数据。
(7)可提供RS-485或Ethernet（以太网）远程通信接口，其中RS-485遵循Modbus通信协议；Ethernet（以太网）接口支持TCP/IP协议，支持动态(DHCP)或静态获取IP地址。

SG10K3并网逆变器技术参数见表6-26。
SG10K3并网逆变器技术参数
型 号
SG10K3
夜间自耗电
＜10W
隔离方式
工频变压器
保护功能
极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、直流过载保护、接地保护等
最大太阳电池阵列功率
12kW
通信接口
RS-485或以太网（选配）
最大阵列开路电压
450V DC
使用环境温度
-10～+40℃
太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围
220～450V DC
使用环境湿度
0～95%，不结露
最大阵列输入电流
50A
噪声
≤45dB
MPPT精度
＞99%
尺寸（深×宽×高）
350mm×569mm×243mm
额定交流输出功率
10kW
防护等级
IP20（室内）
总电流波形畸变率
＜3%（额定功率时）
电网监控
按照UL1741标准
功率因数
＞0.99
电磁兼容
EN50081 part1，
EN50082 part1
最大效率
94%
电磁干扰
EN6-1000-3-4
允许电网电压范围（三相）
320～440VAC
认证
CE
允许电网频率范围
47～51.5Hz

注：从太阳能电池组件到接线箱、从接线箱到逆变器以及从逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能保持在最短距离，减小线路的压降损失，提高系统的输出能量；减小电缆尺寸以降低成本，同时减轻屋顶负荷并增加其灵活性；由于连接电缆的长度较长，应尽可能按最短距离布置电缆。通常，在进行太阳能光伏电站设计时，需要将直流部分的线路损耗控制在3%～4%。

3.太阳电池阵列的设计

根据10 kW的并网光伏发电系统安装地点的气象信息，选用的单块太阳能电池组件的主要技术参数如下：功率为180W：开路电压为40V：最佳工作电压为34V。如采用180W组件，单串太阳能电池的太阳能电池组件构成一个串列，串联的组件数量NS=280/34≈8（块），这样单个太阳能电池阵列的功率PC=8×180 W=1440 W；一台SG10K3逆变器需要配置太阳电池子串列的数量NP=10000/1440≈7(组)，则10 kW的太阳电池阵列单元设计为7个串列并联，共计56块太阳能电池组件，实际功率达到10080 W。共需要56块180 W的太阳能电池组件，组成7个太阳能电池阵列。

4.直流、交流防雷配电柜设计

系统配置1台直流防雷配电柜，按照1个10 kW的直流配电单元进行设计，每个直流配电单元经过直流断路器和防雷器后输入到SG10K3的光伏并网逆变器。
系统配置1台交流防雷配电柜，按照1个10 kW的交流配电单元进行设计，每台逆变器的交流输出接入交流配电柜，经交流断路器并入单相交流低压电网。交流配电柜配有交流电压表和电流表，可以直观地显示电网侧电压及电流，配置电度表用来计量系统的发电量，并在电网侧配置总防雷器。

5.监控装置

系统采用高性能工业控制PC作为系统的监控主机，可以连续每天24 h不间断对所有的并网逆变器进行运行数据的监测。工控机和所有光伏并网逆变器之间的通信可采用RS-485总线或Ethemet(以太网)。并网光伏发电系统的监测软件使用光伏并网系统专用网络版监测软件SPS-PVNET(Vel2.0)。该软件可连续记录运行数据和故障数据。选用大的液晶电视作为显示输出接口，这样将具有非常好的显示效果。

实例2 100 kW并网光伏发电系统设计

1) 集中并网光伏发电系统

2) 屋顶支架系统

3) 数据采集及监控系统
数据采集系统由并网光伏发电系统关键数据采集系统和气象数据采集系统构成，并网光伏发电系统关键数据由集中并网逆变器采集存储，并网光伏发电系统关键数据采集系统主要采集直流侧电压、电流，电网各相电压、电流，毎日发电量、总发电量等；气象数据则由专门采集系统进行采集存储，气象数据采集包括倾斜面辐照、水平面辐照、散射辐照、直接辐射、风向、风速、雨量、环境温度、组件温度等有关数据。
两套数据采集系统通过RS-485通信可在上位PC监控系统显示存储的数据和信息及系统的工作状态，并可以通过卫星发射器进行异地远程数据传输。
4) 交流升压变压器
根据单台逆变器的容量大小，升压变压器选择如下：SC9-400/1011±2×2.5%/0.4 kv；空载损耗960W；负载损耗(120℃)4210W；阻抗电压4V；空载电流1.2A；噪声48dB；外形尺寸(本体)为1320mm×760mm×1390mm。
变压器的技术参数/技术规范：电压等级6～35 kW;容量范围30～10000 kV·A；调压方式为无励磁调压或有载调压(配真空或空气有载开关)；分接范围为±2×2.5%(无励磁调压)、±4×2.5%(有载调压)或其他；频率为50Hz或60Hz；相数为三相；连接组别为Yyn0,Dynll,Yd11或其他；短路阻抗为标准阻抗或用户要求；使用环境为相对湿度100%，环境温度不高于40℃；温升限值为100K；冷却方式为自冷(AN)或风冷(AF)；防护等级为IP00、IP20(户内)、IP23(户外）；绝缘等级为F级；绝缘水平为10kV级工频耐压35 kV、冲击耐压75 kV,20 kV级工频耐压50 kV、冲击耐压125 kV,35 kV级工频耐压70 kV、冲击耐压170 kV。
5) 并网接入点的选择
对于大型公用建筑BIPV系统的建设，常需要考虑到该建筑的现有电力设施以及电力负载的实际情况，对于并网接入点数量以及位置的选择的基本原则是：
(1)对于光伏系统的并网接入方式，其基本原则是首先满足本地负载的需求，在满足本地负载需求之后才将多余的电能输入电网。因为公用电网的电力分配和传输是有能量损耗的，目前我国的电网的传输能量损耗比较大，达到5%～10%。所以对于光伏发电系统所发的电能，基本做法是就地产生，就地消耗，这样能够提高能源的利用率，减少能源在传输中无谓的损失。
(2)保证光伏发电系统所发电的电力分配与负载的实际工作情况相匹配，尽量使得光伏发电系统的发电曲线和负载的需求曲线相一致，最大限度地提高光伏电能的利用效能；常见的并网光伏发电系统一般选择一个并网点集中并网，但是大型公共建筑通常有比较大的电力供应系统，根据实际需要可以选择多个并网点，均衡匹配多台供电变压器的负荷，以免集中于单个变压器时出现逆流。根据使用的逆变器的情况，可以考虑使用4个或4个以上的并网接入点。

实例4 300 kw并网光伏发电系统设计

1.系统组成

并网光伏发电系统主要组成如下：太阳能电池组件及其支架；太阳能电池阵列防雷汇流箱；直流防雷配电柜；光伏并网逆变器(带工频隔离变压器)；系统的通信监控装置；系统的防雷及接地装置；土建、配电房等基础设施；系统的连接电缆及防护材料。

2.方案一

将系统分成3个100 kw的并网发电单元，通过3台SG100K3(100 kw)并网逆变器接入0.4 kv交流电网，实现并网发电功能；系统的太阳能电池组件可选用国产功率为210 W的多晶硅太阳能电池组件，其工作电压约为29.6V，开路电压约为36.5V。根据SG100K3并网逆变器的MPPT工作电压范围(450～820 V)，每个太阳能电池阵列按照20块太阳能电池组件串联进行设计，300kW的并网单元需配置72个太阳能电池组件，共1440块太阳能电池组件，其功率为302.4kW。为了减少太阳能电池组件到逆变器之间的连接线，以及方便维护操作，直流侧采用分段连接，逐级汇流的方式连接，即通过太阳能电池阵列防雷汇
流箱(简称“汇流箱”)将太阳能电池阵列进行汇流。此系统还要配置直流防雷配电柜，该配电柜包含了直流防雷配电单元。其中，直流防雷配电单元是将汇流箱进行配电汇流，分别接入3台SG100K3逆变器；经三相计量表后接入电网。另外，系统应配置1套监控装置，可采用RS-485或Ethernet（以太网）的通信方式，实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。方案一并网发电示意图如图6-30所示。

1)太阳能电池阵列汇流箱的设计(PVS-8M)
针对总体设计“方案一”中逆变器和太阳能电池组件的选择，配置型号为PVS-8M防雷汇流箱9台，其有8路直流输人，汇流箱的每路均有电流检测。该汇流箱的接线方式为8进1出，即把相同规格的8路太阳能电池阵列输入经汇流后输出1路直流。该汇流箱具有以下特点：
(1)防护等级IP65，防水、防灰、防锈、防晒，能够满足室外安装使用要求。
(2)可同时接入8路太阳能电池阵列，每路太阳能电池阵列的允许最大电流10 A。
(3)宽直流电压输入范围，最大接入开路电压可达1000 V。
(4)每路太阳能电池阵列的正负极都配有光伏专用高压直流熔丝进行保护。
(5)汇流箱配有8路电流监控装置，对每1路太阳能电池阵列进行电流监控，通过RS-485通信接口上传到上位机监控装置。
(6)直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用防雷器。
(7)直流输出母线端配有可分断的直流断路器。
汇流箱的电气原理框图如图6-31所示。

2)直流防雷配电柜的设计(PMD-D300K)
太阳能电池阵列汇流箱通过电缆接入到直流防雷配电柜，按照1个300 kw并网发电单元进行设计，需要配置1台直流防雷配电柜PMD-D300K(300 kw)，主要是将汇流箱输出的直流电缆接入后，经直流断路器和防反二极管汇流、防雷，再分别接入3台SG100K3(100 kw)并网逆变器，以方便操作和维护。电气原理框图如图6-32所示。

3)并网逆变器(SG100K3)
SG100K3(100 kw)光伏并网逆变器智能化程度高，每天自动启停工作，无需人为控
制。采用美国TI公司32位专用DSP控制芯片精确控制并网逆变器；主电路采用先进的智能功率IPM模块，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。该并网逆变器的主要性能特点如下:
(1)宽直流输入电压范围，最高可达1000 V(可选)。
(2)最高转换效率达97.0%。
(3)最大功率点跟踪(MPPT)效率＞99.9%。
(4)精确的输出电能计量。
(5)具有先进的孤岛效应检测方案及完善的监控功能；完善的保护功能。
(6)模块化设计，方便安装与维护；适应高海拔应用(＜6000 m)。
(7)人性化的LCD人机界面，中英文菜单，可实时显示各项运行数据、故障数据、历史故障数据、总发电量数据和历史发电量数据。
(8)提供RS-485(标配)或以太网(选配)通信接口。
并网逆变器通过三相桥式变换器，将太阳能电池阵列输出直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压输入至三相变压器隔离升压后并入电网。为了使太阳能电池阵列以最大功率发电，在直流侧使用了先进的MPPT(最大功率点跟踪)算法。
SG100 K3技术指标见表6-31。

SG100 K3技术指标
型 号
SG100K3
型号
SG100K3
隔离方式
工频变压器
夜间自耗电
＜30W
最大太阳能电池阵列功率
110kW
额定电网电压
400 VAC
最大阵列开路电压
880 VDC
允许电网电压范围（三相）
330～450 VAC
太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围
480～820 VDC
额定电网频率
50 Hz/60Hz
最大阵列输入电流
250A
保护功能
极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护等
最大输入路数
6
通信接口
RS-485标配、以太网（选配）、GRPS（选配）
MPPT精度
＞99%
使用环境温度
-20～+55℃
额定交流输出功率
100kW
使用环境湿度
0～95%，不结露
总电流波形畸变率
＜3%（额定功率时）
冷却方式
风冷
功率因数
＞0.99
噪声
≤60dB
最大效率
97.0%（含变压器）
尺寸（深×宽×高）
1020mm×1964mm×770mm
欧洲效率
96.7%（含变压器）
防护等级
IP20（室内）
允许电网频率范围
47～51.5Hz/57～61.5Hz
重量
900kg

3. 方案二

将系统分为6个50kW的并网发电单元，通过6台SG50K3（50kW）并网逆变器接入0.4kW交流电网，实现并网发电功能。

4. 监控装置

5. 接入电网方案

本系统采用的三相并网逆变器直接并入三相低压交流电网（AC 380V,50 Hz），使用独立的N线和接地线，适应的电网参数见表6-33。

表6-33 电网参数
序 号
项 目
内 容
1
配电系统方式
TN-S母线（独立的N线和PE线）
2
系统电压
AC380/220V
3
额定频率
50 Hz
4
系统接入方式
中性点直接接地

6. 接地及防雷

为了保证并网光伏发电系统安全可靠，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。可根据整个系统情况合理设计交流防雷配电、接地装置及防雷措施。系统的防雷接地装置措施有：
(1)地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳能电池方阵基础建设的同时，选择在配电室附近土层较厚、潮湿的地点，挖1～2 m深地线坑，采用40 mm × 40 mm扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用10 mm 2铜芯电缆，接地电阻应小于4Ω。
(2)在配电室附近建一避雷针，高15m，并单独做一地线，方法同上，若配电室在地下室或已被周边高大的建筑物的避雷设施保护区覆盖了，就不需要避雷针。
(3)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太阳能电池阵列防雷汇流箱，汇流箱内已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。
(4)交流侧防雷措施。毎台逆变器的交流输出经交流防雷配电柜接入电网(用户自备)，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。

7. 设备配置清单

根据上述系统设计得设备配置清单见表6-34。

6-34 设备配置清单
序 号
并网发电方式
逆变控制设备
电网接入等级
汇流箱
直流配电装置
逆变器
监控装置
规格
数量
规格
数量
规格
数量
系统容量300kW
1.1
方案一
PVS-8M
9
300kW直流防雷配电箱
1
SG100K3
3
1

1.2
方案二
PVS-16M
6
300kW直流防雷配电箱
1
SG50K3
6
1

上表中，汇流箱的数量是按照单块太阳能电池组件的功率为210W左右计算的，在实际应用中，可能会有些差异。对于光伏建筑一体化并网发电系统，经常需要考虑建筑美观因素，导致太阳能电池组件规格和朝向不一致，从而需要配置不同规格的逆变器，针对这种情况，需要综合考虑实际情况，进行系统的优化设计。

光伏发电电站计量电表空开老是跳闸是什么原因？
可能有两种：

    一、空开大小不够造成跳闸。

    二、接线虚接造成太阳照射强度增加时电流过大时，造成打火形成跳闸。
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