分布式光伏并网发电系统设计与施工样本.doc

分布式光伏并网发电系统设计与施工

鲍其龙, 史苏明
( 单位: 常州天合光能有限公司, 常州213031)

中文摘要: 随着能源危机的加剧和环境保护的压力, 可再生、 清洁能源在常规能源系统中的地位凸显, 而太阳能是当前可知的最清洁、 安全和可靠的可再生能源来源之一。发展和推广太阳能能源应用已上升至国家战略层面规划, 将会对中国经济的发展模式产生深远影响。以分布式光伏发电系统为代表的太阳能能源应用, 以其清洁、 环保、 无污染和储量极丰富等特性已受到中国乃至世界的青睐。如何建设分布式光伏发电系统的应用随之成为大家关注的焦点, 对于分布式光伏发电系统的设计和施工, 能够结合事先现场调查的数据, 进行组件排布、 支架结构、 基础和电气结构设计, 设计时需考虑建筑屋面的承载力、 结构、 朝向等因素, 合理优化设备间的电气匹配性及防雷保护, 须严格参照设计要求进行分部分项施工、 调试及并网。

关键词: 分布式光伏并网发电系统; 屋顶分布式; 设计与施工; 并网发电

0. 引言
当前, 随着全球人类经济社会的发展, 对能源的需求与日俱增。化石能源是全球消耗的主要能源, 化石能源的大量、 广泛使用, 带来了日益严重的”副产品”: 环境污染, 气候变暖, 生态恶化。以煤炭和石油为标志的化石能源作为不可再生资源, 悲观的估计还有约1 、 乐观估计还有2 可供人类继续使用, 这迫切需要人类开发可再生资源。在可再生资源中, 风能、 地热能、 核聚变能以及太阳能是主要的存在形式。太阳能以其潜在资源1 0TW, 实际可开采资源高达600TW被认为是最清洁、 安全和可靠且唯一能够保证人类未来需求的能量来源。
在中国, 特别是以北京为首的大型城市雾霾严重, 中央政府为此计划投入2.2万亿元治理大气污染, 政府对生态问题重视已经提升到一个高度, 建设"生态中国"、 "美丽中国"等内容相继提出, 前期高投入、 高消耗、 高排放、 低效率的粗放型扩张的经济增长方式已难以为继, 这也迫切需要转变发展模式和发展途径。国家能源局 9月12日正式发布《太阳能发电发展”十二五”规划》, 其中将太阳能发电”十二五”规划目标定调为2100万千瓦, 其中光伏和光热发电分别为 万千瓦和100万千瓦。同时, 《规划》明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域, 并从体制和相关扶持政策上督促地方政府、 电网和发电企业积极落实。
结合分布式发电的发展和需求以及实施分布式发电系统的经验, 我们起草了本文作为分*作者简介:
鲍其龙, 男, 南京人, 硕士, 主要研究方向为光伏产品、 系统相关质量、 商务、 运营和服务等, ;
史苏明, 男, 镇江人, 学士, 主要研究方向为光伏产品、 系统相关质量、 服务、 技术支持等, ;
布式光伏发电并网系统标准化设计、 施工的指南, 同时也可作为行业同类项目筹建、 施工安装及交付执行过程的重要参考。
1. 概述
分布式光伏并网发电系统( 如下图1.1所示) 是利用屋顶上安装的太阳能光伏组件经过”光生伏特”效应将太阳能直接转换为电能, 在室内或室外安装逆变器以及连接设备的线缆、 电度表等, 经过逆变器将直流电转换为交流电、 供用户使用并与电网连接并网运行的光伏发电系统, 是一种新型的、 具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式。它倡导就近发电, 就近并网, 就近转换, 就近使用的原则, 省去蓄电池, 不但能够大幅度降低造价、 有效提高同等规模光伏电站的发电量, 而且具有更高的发电效率和更好的环保性能, 同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

图1.1分布式光伏发电系统简视
分布式光伏并网发电系统一般安装在建筑屋顶上, 由于国内当前环境、 住宅结构、 材料等诸多因素的差异, 如何有效进行分布式光伏发电系统的设计和施工成为研究的重点。
鉴于当前分布式发展的需求, 本文提出了分布式标准化设计、 施工理念, 既能够满足一般建筑屋面分布式光伏系统的建设需求, 也适用于结构复杂的建筑屋面分布式系统建设。

2. 设计
设计分布式光伏并网发电系统前, 要仔细听取用户的意见, 并结合周围环境和住宅结构等, 以事先调查数据为基础进行设计( 主要步骤参考下图2.1) , 合理有效利用屋面进行太阳能阵列的排布, 根据屋面结构、 材料及环境等因素综合采用符合要求的支架结构, 最后对整个系统电气安装及引线、 走线、 监控等进行优化。

图2.1分布式光伏发电系统设计流程
2.1. 事先调查
事先调查也称事前现场调查, 由于住宅屋顶的形状、 结构、 材料等各不相同, 在屋顶上敷设太阳能组件需要对安装条件进行仔细研究, 研究范围参考以下内容:
用户方面: 用电需求、 安装场地、 位置、 预算、 时间、 设计、 外形等;
房屋方面: 结构、 材料、 载荷、 强度、 形状、 施工方法、 方位角、 倾斜角、 日照条件等;
电气设备: 买电合同、 引线路径、 走线路径、 配电盘位置、 并网点位置、 安装场所、 接地方式等;
作业环境: 材料存放保管位置与方式、 搬运路径与方式、 周围障碍物、 作业水电、 安全与消防等、 排水通风等;
自然环境: 暴雨、 台风、 雷击、 泥石流、 盐害、 公害、 沙层等;

2.2. 设计条件整理
在进行设计前需要对事先调查的数据进行整理, 综合数据进行设计; 一方面能够形成比较准确的光伏系统成本报价; 另一方面在光伏系统的设备布置上要和业主现场协商, 达成一致意见, 避免盲目设计造成以后的分歧, 严重的会导致延误工期, 造成经济纠纷。

1. 要能保证在冬至日的日出后1.5h至日落前1.5h之间, 不会有前排方阵对后排方阵造成阴影遮挡问题。
2. 考察安装光伏系统的地点是否合适。
3. 对于整个光伏系统的设备布置以及后期的光伏系统的安装进行初步的估计。

2.3. 组件排布设计
太阳能电池组件的方位角与倾斜角选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。对于太阳能光伏系统来说, 方位角以正南为0°, 由南向东向北为负角度, 由南向西向北为正角度, 如太阳在正东方向时, 方位角为-90°, 在正西方时方位角为90°。方位角决定了阳光的入射方向, 决定了不同朝向的建筑物的采光状况。倾斜角是地平面( 水平面) 与太阳能电池组件之间的夹角。倾斜角为0°时表示太阳能电池组件为水平设置, 倾斜角为90°时表示太阳能电池组件为垂直设置。
方阵间距同样是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。方阵间距是指前后光伏组件阵列之间的距离, 间距的大小直接影响系统的发电效率、 建设成本和投资回报。过小的间距会造成相邻阵列的光线遮挡, 形成热斑并降低系统效率; 过大的间距会降低建设场地面积的利用率, 变相降低系统整体收益。

2.3.1 方位角
　　太阳电池方阵的方位角( 请参考下图2.2) 是方阵的垂直面与正南方向的夹角( 向东偏设定为负角度, 向西偏设定为正角度) 。一般情况下, 方阵朝向正南( 即方阵垂直面与正南的夹角为0°) 时, 太阳电池发电量是最大的。在偏离正南( 北半球) 30°度时, 方阵的发电量将减少约10％～15％; 在偏离正南( 北半球) 60°时, 方阵的发电量将减少约20％～30％。可是, 在晴朗的夏天, 太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后, 因此方阵的方位稍微向西偏一些时, 在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节, 太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。

图2.2: 方位角示意图

2.3.2 倾斜角
　　倾斜角( 请参考下图2.3) 是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角, 并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关, 当纬度较高时, 相应的倾斜角也大。和方位角一样, 在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角的限制条件。对于正南( 方位角为0°度) , 倾斜角从水平( 倾斜角为0°度) 开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时, 其日射量不断增加直到最大值, 然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后, 日射量急剧下降, 直至到最后的垂直放置时, 发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况, 斜面日射量的值普遍偏低, 最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。

图2.3: 倾斜角示意图

以上所述为方位角、 倾斜角与发电量之间的关系, 对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地根据安装场所的经纬度以及屋面朝向, 进一步同实际情况结合起来考虑合理设计最佳倾斜角和方位角。

2.3.3 方阵间距
光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9:00至15:00, 光伏阵列不会相互遮挡, 一般按以下方式确定最小间距。
首先按式( 1) 和式( 2) 计算出地区太阳高度角α和方位角β。
sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω( 1)
sinβ=cosδsinω/cosα( 2)
式中: φ为纬度, δ为太阳赤纬, ω为时角,
然后由式( 3) 确定阵列间距: D=cosβ×H/tanα ( 3)
式中: D为阵列间距; H为阵列高度

太阳高度角α请参考下图2.4, 方位角β请参考下图2.5, 赤纬角请参考下图2.6, 时角请参考下图2.7

图2.4: 太阳高度角示意图 图2.5: 太阳方位角示意图

图2.6: 赤纬角示意图 图2.7: 时角示意图

附注:
1、 太阳高度角为太阳方向与水平面的夹角;
2、 太阳方位角为太阳方向的水平投影偏离南向的角度;
3、 赤纬角又称太阳赤纬, 是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角, 相当于黄赤交角, 是23°26′。赤纬角以年为周期, 在+23 °27′与-23 °27′的范围内移动, 成为季节的标志。每年6月21日或22日赤纬达到最大值+23 °27′称为夏至, 该日中午太阳位于地球北回归线正上空, 是北半球日照时间最长、 南半球日照时间最短的一天。在南极圈中整天见不到太阳, 而在北极圈内整体太阳不落, 这样北半球就出现相对较热的天气, 而南半球出现较冷的气候。随后赤纬角逐渐减少至9月21日或22日等于零时全球的昼夜时间均相等为秋分。至12月21日或22日赤纬减至最小值-23 °27′为冬至, 此时阳光斜射北半球, 昼短夜长而南半球则相反。当赤纬角又回到零度时为春分即3月21日或22日;
4、 太阳时角, 日面中心的时角, 即从观测点子午圈沿赤道量至太阳所在时圈的角距离。以地球为例, 在地球上, 同一时刻, 对同一经度, 不同纬度的人来说, 太阳对应的时角是相同的。单位时间地球自转的角度定义为时角w, 规定正午时角为0, 上午时角为负值, 下午时角为正值。地球自转一周360度, 对应的时间为24小时, 即每小时相应的时角为15度。

2.4. 支架结构设计
2.4.1 支架材质
支架的材质一般是根据使用环境和使用寿命选取的, 光伏系统支架材料一般为钢结构和铝合金结构, 或者两者混合。
1) 铝合金: 质量轻是它的优点也是缺点, 承载能力低, 最常见的是6063型号的铝材, 其优势为耐腐蚀和外观美观, 在屋面上能够避免维护的成本, 主要应用于家庭;
2) 不锈钢: 这是最常见的光伏支架材料, 材料选择冷弯型钢, 特点为在组合附件的配合下安装方便,维护成本相对较低, 同时成型工艺成熟, 而且种类多样, 规格和防腐蚀性能上都有突出的优点, 对盐害等抵抗性强, 一般在潮湿环境或海边等区域选择使用;

2.4.2 支架强度
支架的强度要能承受自重、 组件重量和风压的最大负荷。太阳能电池阵列用支架结构设计时考虑的荷重主要有固定荷重、 风压荷重、 积雪荷重及地震荷重; 另外, 也有因温度变化产生的”温度荷重”,但与其它荷重相比很小, 一般忽略不计。
固定荷重G: 组件质量和支撑物自身质量的总和;
风压荷重W: 加在组件上的风压力和加在支撑物上的风压力的总和;
积雪荷重S: 与组件面垂直的积雪荷重;
地震荷重K: 加在支撑物上的水平地震力;

1) 雪载荷

a) 中国《建筑结构荷载规范GB 50009》规定, 屋面水平投影面上的雪荷载标准值, 应按下式计算
Sk=μrS0
式中: Sk: 雪荷载标准值( kN/m2) ; μr: 屋面积雪分布系数; S0: 基本雪压( kN/m2) 。
基本雪压应按该规范附录中附表给出的50年一遇的雪压采用。

b) 美国《建筑及其它结构最小设计荷载》规定, 斜度小于1/12的平屋面的雪荷载按下式计算:
Pf=αCeCtIPg
式中: Pf : 雪荷载; α系数, 美国本土为0.7, 阿拉斯加为0.6; Ce为暴露系数; Ct为热力系数; I为重要性系数; Pg为地面雪荷载。地面雪荷载系基于雪荷载超过的年概率为2%( 即平均重现期50年) 的数值。

2) 风载荷

a) 中国《建筑结构荷载规范GB 50009》规定, 垂直于建筑物的风力载荷值应按下式计算:
Wk=βzμsμzω0
式中: Wk: 风荷载标准值( kN/m2) ; βz: 高度z处的风振系数; μs: 风荷载体型系数; μz: 风压高度变化系数; ω0: 基本风压( KN/m2) 。基本风压应按该规范附录中附表给出的50年一遇的风压采用, 但不得小于0.3kN/m2。

b) 美国《建筑及其它结构最小设计荷载》规定, 在z高度的风速压力按下式计算:
Qz=0.00256Kz( IV )2
式中: Qz为风速压力; Kz为风速压力暴露系数; I为重要性系数; V为基本风速; 规范要求使用的基本风速至少为70mph, 设计风荷载至少为10Ib/ft2 (0.48kN/m2), 基本风速V系基于风速超过的年概率为0.02( 即平均重现期50年) 的数值。

3) 地震载荷

a) 中国《建筑抗震设计规范GB50011》规定, 采用底部剪力法时, 各楼层可仅考虑一个自由度, 结构的水平地震作用标准值; 应按下列公式确定:
FEK= α1 Geq
式中: FEK为结构总水平地震作用标准值; α1为水平地震影响系数值, 可取水平地震影响系数最大值αmax; Geq为结构等效总重力荷载, 单质点应取总重力荷载代表值。
下表为不同地震烈度下水平地震影响系数最大值:
地震影响
6
7
8
9
多遇地震
0.04
0.08(0.12)
0.16( 0.24)
0.32
罕遇地震

0.50( 0.72)
0.90( 1.2)
1.4
括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

地震烈度为8和9度需考虑竖向地震作用, 9度时的高层建筑, 其竖向地震作用标准值应按按下列公式确定; 楼层的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配, 并乘以增大系数1.5。
FEvk=a v max Geq
式中: FEvk为结构总竖向地震作用标准值; a v max为竖向地震影响系数的最大值, 可取水平地震影响系数最大值a max的65%; Geq为结构等效总重力荷载, 可取总重力荷载代表值的75%。可知0.65´0.75»0.49即为竖向地震作用标准值与水平地震作用标准值之比。

b) 美国《建筑及其它结构最小设计荷载ANSI A58.1》规定, 结构构件和非结构部件上的侧向( 即水平) 地震力按下式计算:
Fp=Z I Cp Wp
式中: Fp为侧向地震力; I 为重要性系数, 一般公用发电厂I =1.0; Cp为水平力系数, 与建筑部件连接或放置在建筑内的设备或机械Cp =0.3; Wp 为该部件的重量; Z为地震区域系数, 表22给出在美国的数值:
地震区域
Z
4
1
3
3/4
2
3/8
1
3/16
0
1/8
美国地震区域1、 2、 3、 4分别相当中国地震烈度6、 7、 8、 9度。

2.4.3 使用寿命
支架的使用寿命因材质而异, 因在外界环境中长期使用, 一般要求使用具有钢铁10~25倍耐腐蚀作用的热浸镀锌方法进行防护;

2.4.4 螺栓、 螺母
螺栓、 螺母材质采用SUS304、 SWCH8~10、 SS400、 S35C, 高强度螺栓一般使用SWCH12~45、 SS490、 S35C。

2.4.5 尺寸公差
产品尺寸公差设计一般参考GB1800~1804-79《公差与配合》, 但设计时需结合实际需求, 注意不必要的提高尺寸产品精度会增加产品成本。

2.5. 基础设计
建筑屋面的构造千差万别( 参考下图2.8) , 按照形状来区分, 主要能够分为坡屋面( 带有一定倾斜度的屋面) 和平屋面( 倾斜度基本为0的屋面) 两类。

图2.8: 屋面外形构造图
在不同形状屋顶上按照最佳方位角和倾斜角来制造支架的话, 会增加设计难度、 加大支架成本和重量、 增加屋面的载荷及强度负荷。同时在利用现有的地形和有效面积, 应尽量避开周围建、 构筑物或树木等产生的阴影。综合考量以上因素, 坡屋面系统一般采取与屋面平行的安装方式(请参考下图2.9), 平屋面一般采取最佳方位角与倾斜角的安装方式(请参考下图2.10)。

图2.9: 坡屋面安装图示

图2.10: 平屋面安装图示
1) 坡屋面
坡屋面光伏系统组件安装一般采取与屋面平行, 利用支撑金属件、 支架、 紧固件等与屋面结构固定牢靠, 直接放置在防火、 防火的屋面上的安装方式( 参考下图2.11) 。

图2.11: 坡屋面支架及组件安装简视图
2) 平屋面
坡屋面光伏系统组件安装一般采取最佳方位角与倾斜角的安装方式, 在屋面结构层上采用混凝土浇筑, 要使基座预埋件与屋顶主体结构的钢筋焊接或连接, 如果受到结构限制无法进行焊接或连接的, 应采取措施加大基座与屋顶的附着力, 并采用铁线拉紧法或支架延长固定等加以固定( 参考下图2.12) 。

图2.12: 平屋面支架及组件安装简视图
在进行方阵基础、 方阵支架设计时, 要充分考虑到承重、 抗风、 抗震等因素, 在沿海地区还要考虑防台风、 防潮湿、 防盐雾腐蚀等。方阵支架安装前应涂防腐涂料, 对外露的金属预埋件应进行防腐防锈处理, 防止预埋件受损而失去强度。方阵支架连接用的紧固件设计时应采用不锈钢, 如果设计采用镀锌件, 则必须符合国家标准要求, 达到保证其寿命和防腐紧固的目的。

2.6. 电气设计
分布式光伏系统并网又称用户侧并网, 用户侧并网的光伏系统一般在低压侧( 400/230V) 并入电网。
分布式光伏并网发电系统电气系统( 参考下图2.13) 主要包括: 直流部分、 交流部分和监测与显示部分。
图2.13: 电气系统结构图
2.6.1 直流部分

直流部分电气设计一般包括: 组件选配、 方阵串并联方式和电缆选用。
1) 对于并网发电系统来说, 发电电量和用户使用电量之间没有相互限制的关系, 系统容量和方阵大小由安装场所面积决定。
2) 设计单个方阵串并联组件数量和方阵间连接方式时, 需考虑交流部分逆变器的相关参数( 如: 最大输入开路电压、 最大输入电流、 最大输入功率、 最大额定功率、 MPP模式下输入电压等, 参考下图2.14) , 使得最终直流端输入电流、 电压、 功率能与逆变器较好的契合。

图2.14: 逆变器参数示意图
3) 电缆线径需符合直流端输入电流和交流端输出电流最大承载值的要求, 同时具备较好的耐候性。

1) 组件选配
组件选配主要考虑以下几点:
a) 外观颜色: 分布式系统作为建筑的一部分, 对光伏系统方阵的外观提出了一定的要求, 一般要求方阵组件颜色均匀一致、 边框颜色、 背板颜色等等;
类型
单晶
多晶
非晶硅
铜铟硒薄膜CIS
碲化镉薄膜CdTe
非晶/单晶异质结HIT
颜色
深蓝或黑
天蓝
红棕、 蓝、 紫蓝
深灰、 黑
墨绿、 黑
深蓝、 黑
b) 使用寿命: 组件作为直接将光能转换成电能的元件, 在系统设计时会有寿命和稳定性方面的要求; 组件寿命的选择主要参考电站的设计寿命, 当前晶硅组件的寿命一般为25年~30年, 非晶硅组件寿命15~20年以上;
c) 发电效率: 在能够长期工作的前提下, 稳定的电能输出也成了衡量光伏系统质量好坏的重要指标, 以下各类光伏产品的发电效率供参考:

晶硅
非晶硅
铜铟硒薄膜CIS
碲化镉薄膜CdTe
非晶/单晶异质结HIT
非晶/微晶
组件效率
13~18%
4~6%
8~11%
7~10%
15~16%
8~9%
d) 尺寸形状: 分布式系统因受安装场所可利用长度和宽度上的限制, 需要挑选合适尺寸的组件进行安装设计。
e) 耐候性能: 光伏系统长期在户外独立的运行, 需要对环境具备一定的承受能力, 良好的耐候性是保证光伏系统稳定运行的前提, 一般要求组件经过国际、 国内相关环境测试标准并取得相关证书。

2) 方阵串并联方式
光伏方阵经过对单块太阳电池组件进行适当的串、 并联, 以满足不同的需要。
a) 组件串联时, 两端电压为各单块组件电压之和, 电流等于各组件中最小的电流; 并联时, 总电流为各单块组件电流之和, 电压取平均值。
b) 方阵串联时, 两端电压为各方阵电压之和, 电流等于各方阵中最小的电流; 并联时, 总电流为各方阵电流之和, 电压取平均值。

3) 电缆选配
分布式光伏发电电缆一般要求按照电压等级、 满足持续工作允许的电流、 短路热稳定性、 允许电压降、 经济电流密度及敷设环境条件因素等进行选配。

由于光伏发电系统自身的特点, 经常需要在恶劣的环境中工作, 因此光伏系统电缆选择时需考虑如下因素:
a) 电缆的绝缘性能;
b) 电缆的耐热阻燃性能;
c) 电缆的防潮, 防光;
d) 电缆的敷设方式;
e) 电缆芯的类型(铜芯, 铝芯);
f) 电缆的大小规格。

不同的部件之间的连接, 由于环境和要求的不同, 选择的电缆也不相同:
a) 元件与元件之间的连接: 必须进行UL测试, 耐热90℃, 防酸, 防化学物质, 防潮, 防曝晒。
b) 方阵内部和方阵之间的连接: 能够露天或者埋在地下, 要求防潮、 防曝晒。建议穿管安装, 导管必须耐热90℃。
c) 室内接线(环境干燥): 能够使用较短的直流连线。

电缆大小规格设计, 必须遵循以下原则
a) 方阵内部和方阵之间的连接, 选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。
b) 交流负载的连接, 选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。
c) 逆变器的连接, 选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。
d) 考虑温度对电缆的性能的影响。
e) 考虑电压降不要超过2%。
f) 适当的电缆尺径选取基于两个因素, 电流强度与电路电压损失。计算公式为: 线损 = 电流 × 电路总线长 × 线缆电压因子(可由电缆制造商处获得)

2.6.2 交流部分

交流部分电气设计一般包括: 逆变器选配、 组件和逆变器的匹配、 系统的电力布置方式、 光伏系统其它器件选择和防雷接地保护

1) 逆变器选配

逆变器的工作原理(请参考下图2.15):
a) 直流电能够经过震荡电路变为交流电;
b) 得到的交流电再经过线圈升压( 这时得到的是方形波的交流电) ;
c) 对得到的交流电进行整流得到正弦波。

图2.15: 逆变器工作原理图
逆变器类型根据工作方式可分为并网逆变器和不并网逆变器; 根据逆变器内部结构可分为带隔离变压器的逆变器( 低频工频变压器和高频变压器) 和不带变压器的逆变器; 根据接入的光伏系统的不同可分为组串逆变器和集中逆变器。

无隔离变压器的并网逆变器(请参考下图2.16):
a) 省去了笨重的工频变压器, 效率高达97%以上, 重量轻、 结构简单;
b) 可是由于没有电气隔离, 太阳能组件两极有电网电压, 对人身安全不利;
c) 影响电网质量, 直流易传入交流侧, 使电网直流分量过大。

图2.16: 无隔离变压器逆变器工作原理图
工频隔离变压器并网逆变器(请参考下图2.17):
a) 使用工频变压器进行电压变换和电气隔离, 结构简单、 抗冲击性能好, 安全性高;
b) 系统效率相对无变压器低, 约为95%左右, 而且笨重。

图2.17: 工频隔离变压器逆变器工作原理图
高频隔离变压器并网逆变器(请参考下图2.18):
a) 使用隔离变压器进行电气隔离, 重量轻, 模块化, 系统效率达95%左右;
b) 由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小, 因此该拓扑结构集中在5KW以下;
c) 高频DC/AC/DC的工作频率较高, 一般为几十KHz,或更高, 系统的EMC比较难设计。

图2.18: 高频隔离变压器逆变器工作原理图
组串并网逆变器(请参考下图2.19):
a) 光伏系统被分解成几个并联的组串, 每个组串被连接到一个特定的逆变器;
b) 每个组串逆变器都有单独的最大峰值跟踪, 经过降低不匹配和局部阴影二引起的损失来增加能量的产出;
c) 降低了系统的成本, 增加了系统的可靠性;

图2.19: 组串并网逆变器结构示意图

集中并网逆变器(请参考下图2.20):
a) 光伏系统由许多并联的光伏组串构成, 在直流侧连接到一个集中的逆变器;
b) 高效率、 低成本;
c) 系统能量产出受光伏模块的不匹配和局部阴影的影响而降低;
d) 能量产出依赖一个部件, , 可靠性受限制;
e) 集中逆变器失效会导致整个光伏系统停运。

图2.20: 集中并网逆变器结构示意图
分布式光伏并网系统采用并网逆变器。为达到最大发电效率, 逆变器都具有最大功率点MPPT跟踪功能, 因此在选配逆变器时一定要考虑影响逆变器MPPT的诸多因素, 主要有:
a) 太阳能组件: 不同类型、 型号太阳能组件具有不同的电气参数( 参考下图2.21) , 输出功率不同;

图2.21: 组件电气参数图

b) 安装位置: 不同的阵列安装位置, 由于朝向因素受到的光照条件不同, 输出功率也不一样。

图2.22: 不同朝向屋面太阳辐照量对比图

因此在选配逆变器时需注意:
a) 相同太阳能组件、 相同串并联连接、 安装在同一建筑面, 选择一台功率匹配的逆变器。
b) 为了安全, 尽量选择带隔离变压器功能的逆变器;

2) 组件和逆变器的匹配
光伏系统组件和逆变器匹配需参考以下原则:
a) 阵列的输入电压不能大于逆变器工作电压范围( 考虑温度: 最高温度时最佳工作电压不低于光伏逆变器的MPPT最小电压, 否则会出现功率失真; 最低温时开路电压不能高于光伏逆变器的最大输入电压, 否则可能会损坏逆变器。)
b) 阵列的输入功率不要大于逆变器的最大输入功率;
c) 阵列的电压工作范围最好配置在逆变器效率较高的点;
d) 阵列的输入电流不要超过逆变器的直流输入限制电流阀值;
e) 逆变器和光伏组件的类型是否匹配。

3) 系统的电力布置方式
屋顶光伏组件和方阵所输出的电流, 经过逆变器转换成可供居民使用的交流电, 亦可切换到外部电网实现并网传输, 为保证系统安全可靠的运行, 还需要综合考虑防雷保护、 电能检测和数据传输显示的设计。

4) 光伏系统其它器件选择
a) 旁路元件
一般在构成太阳能阵列的每个太阳能电池组件上都安装旁路元件, 多数使用二极管, 以防阴影遮挡造成”热斑效应”损坏组件( 参考下图2.23) 。
”热斑效应”:太阳能电池组件中某一部分电池因树叶、 鸟粪、 灰层等形成阴影, 该部分电池不发电, 且电阻变大。此时, 串联回路中的全部电压加在这个电池上, 被作为电阻在回路中发热, 产生高温, 使它本身和周围的EVA变色, 引起内部材料膨胀, 如果温度继续升高, 甚至会导致整个组件破损。

图2.23: 旁路二极管工作原理

b) 断路开关
断路开关是为了维护、 检查太阳能阵列、 逆变器、 电能表和智能检测装置, 或者替换、 维修某部分异常元件时, 切断系统电流的装置, 一般要求具备能切断太阳能阵列最大直流电流、 切断电网最大交流电流的能力。

5) 防雷接地
一般雷击有两种主要形式: 直击雷和感应雷。

1) 直击雷:
带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷对大地的电压低则几兆伏, 高则数10MV甚至更高, 雷云对大地一次闪击放电的峰值电流平均约为30多KA, 它的瞬时功率为109—1012W以上, 由于瞬时功率很大, 它的破坏力非常大。

直击雷防护技术( 参考下图2.24) 以避雷针、 避雷带、 避雷网、 避雷线为主要, 其中避雷针是最常见的直击雷防护装置。

图2.24: 直击雷防护及雷云与地面电气示意图

2) 感应雷:
静电感应雷( 参考下图2.25) : 带电云层由于静电感应作用, 使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后, 云层带电迅速消失, 而地面某些范围由于散流电阻大, 以致出现局部高电压,

电磁感应雷( 参考下图2.25) : 由于直击雷放电过程中, 强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象。

图2.25: 感应雷雷云与设备电气示意图

在PV系统中一般采取: 避雷针( 器) 、 浪涌吸收器、 防雷变压器三种保护措施。

2.6.3 电表与检测显示
电表与检测显示部分电气设计包括: 电能表、 数据采集、 传输和显示。
1) 电能表
电能表选型需符合当地电网条件。按接入相线, 电能表主要可分为单相、 三相两种电能表( 参考下图2.26) ;

单相电表 三相电表
图2.26: 电能表图示
工作原理( 参考下图2.27) :

图2.27: 电能表工作原理图示
当把电能表接入被测电路时, 电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过, 这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通; 交变磁通穿过铝盘, 在铝盘中感应出涡流; 涡流又在磁场中受到力的作用, 从而使铝盘得到转矩( 主动力矩) 而转动。负载消耗的功率越大, 经过电流线圈的电流越大, 铝盘中感应出的涡流也越大, 使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大, 转矩也越大, 铝盘转动也就越快。铝盘转动时, 又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用, 制动力矩与主动力矩方向相反; 制动力矩的大小与铝盘的转速成正比, 铝盘转动得越快, 制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时, 铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时, 带动计数器, 把所消耗的电能指示出来。

2) 检测和显示
检测和显示部分( 参考下图2.28) 主要是依靠数据采集仪测量现场环境温度、 太阳辐射、 瞬时发电量和总发电量数据, 经过无线或有线通信技术传输给远程系统予以显示。

图2.28: 数据检测和显示构成图

3 施工
分布式光伏发电系统构成设备到场后即可安排系统工程施工, 主要施工步骤参考以下流程图3.1。

图3.1分布式光伏系统施工流程图

4 设计与施工实例
我们曾为江苏省连云港市东海县设计并建设了381.22KW的连片分布式光伏发电并网系统工程, 工程利用东海县青湖镇青南小区屋顶建设光伏电站, 青南小区共有居民128户及村委会1户。现场调查了解到建筑屋顶屋面结构及承载力能够满足使用要求, 总规划安装容量381.22KW, 根据建筑物分布情况, 光伏组件分散布置在各个建筑物屋顶, 所发直流电经过逆变后低压220V接入每户居民电表进线侧。

4.1 系统设计
根据小区建筑物的分布情况:
1、 整个电站分为112个2.94KW发电子系统与16个2.695KW发电子系统以及村委会1个8.82kW子系统( 3x2.94kW) , 其中128个子系统配置1台3kW逆变器和1台并网配电箱, 村委会子系统配置3台3kW逆变器和1台并网配电箱。
2、 逆变器与并网配电箱采用壁挂式。
3、 工程共选用245Wp多晶硅组件1556块, 根据逆变器电气特性计算, 组件每12块或11块组件为一组串。
4、 根据小区建筑物特点, 光伏组件采用沿屋顶坡度平铺的方式, 组件方位角与建筑屋面方位一致, 组件与组件之间间隙为20mm。
5、 光伏组件采用铝合金型材, 材料型号根据当地风荷载计算, 保证支架满足25年运行期要求。支架形式与小区屋顶紧密结合, 达到美观和安全的统一。
6、 组串电缆选用光伏专用电缆PV-F1-4mm2。
7、 逆变器外壳、 交流柜及进出户保护套管均就近接地, 室外安装设备均就近打接地极, 接地电阻小于10欧, 进出建筑的电气线路接地线均与建筑内PE母线可靠连接。
8、 屋顶组件、 支架作可靠电气连接, 组件支架采用BVR-1*16 mm2软铜线与接地铜相连, 组件采用6 mm2软铜线与支架相连。
9、 各级配电箱内设置浪涌保护装置, 防止系统过电压。
10、 每栋建筑的并网点均应设置并网断路器、 计量装置。计量及并网方式按供电部门要求执行。
11、 采用无线通讯技术将系统发电量数据上传至显示设备。

系统采用自发自用余电上网的方式, 屋顶的光伏组件方阵经过串联接入逆变器逆变后经并网配电箱, 再接入到小区每户居民电表进线侧。工程电气部分, 包括光伏发电系统( 含逆变器、 配电装置) 、 防雷、 过电压保护与接地、 电缆敷设及防火封堵等。调度通讯部分在接入系统中设计, 站内预留安装场所。

4.2 系统施工
4.2.1 基础工程
工艺流程( 参考下图3.1) :

图3.1: 基础工程施工流程图
4.2.1.1 施工面清理
将准备施工的屋面清理打扫及必要的修补( 参考下图3.2) 。

图3.2: 施工面清理、 打扫图
4.2.1.2 测量及安装点定位
按照系统安装设计图纸确定屋面安装点的位置, 并清晰标注( 参考下图3.3、 3.4) ;

图3.3: 基准点测量及定位示意图

图3.4: 测量及安装点定位施工图

4.2.1.3 打孔及植筋( 坡屋面一般采用常规膨胀螺栓、 平屋面一般采用膨胀挂钩螺栓) ;
1) 采用工业电锤在定位点进行打孔, 选择一个与膨胀螺栓的胀紧圈( 管) 相同直径的合金钻头, 孔的深度应不大于螺栓的长度, 不得打穿屋顶。然后用气筒或气泵将所打植筋孔内灰尘吹净, 清理干净孔内杂质, 孔内不应有灰尘或明水等;
2) 把膨胀螺栓套件一起下到孔内, 不要把螺帽拧掉, 防止孔钻的比较深时螺栓掉进孔内而不好往外取。接着把螺帽拧紧, 感觉膨胀螺栓比较紧而不松动后再拧下螺帽。
3) 沿膨胀螺丝( 螺杆) 向安装孔中注入结构胶进行密封, 胶量应与安装孔上表面齐平。( 参考下图3.5、 3.6、 3.7) 。

图3.5: 屋面打孔及螺栓固定图示

图3.6: 坡屋面打孔及螺栓固定施工图

图3.7: 平屋面打孔及螺栓固定施