屋顶光伏发电站光伏组件及逆变器选型分析.pdf

第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:作者简介:李广伟(),男,高级工程师,从事综合智慧能源与数字化节能解决方案研究的工作.E m a i l:q q c o m屋顶光伏发电站光伏组件及逆变器选型分析孙涛,李广伟(国家电投江西电力有限公司,南昌 )摘要:以某屋顶光伏发电站的建设为研究案列,从理论上计算该电站在当地气候条件下的发电能力,提出屋顶光伏发电站的建设方案,包括光伏组件选型、逆变器容量及连接方式选择、光伏方阵设计等.所提出的方案不仅具有良好的环境和社会效益,而且具有一定的经济效益,可以为屋顶光伏发电站的建设提供参考.关键词:屋顶光伏;光伏组件;逆变器中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b S e l e c t i o nA n a l y s i so fP V M o d u l ea n dI n v e r t e r i nR o o f t o pP VP o w e rS t a t i o nS u nT a o,L iG u a ngw e i(S P I CJ i a ngx iE l e c t r i cP o w e rC o,L t d,N a n c h a ng ,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i ngt h ec o n s t r u c t i o no f ar o o f t opph o t o v o l t a i c(P V)po w e r s t a t i o na s a r e s e a r c he x a mpl e,t h epo w e rge n e r a t i o nc apa c i tyo f t h e s t a t i o nu n d e r t h e l o c a l c l i m a t i c c o n d i t i o n sw a s c a l c u l a t e d t h e o r e t i c a l ly,w h i l et h ec o n s t r u c t i o n s c h e m eo f t h e r o o f t opP Vs t a t i o nw a spu t f o r w a r d,i n c l u d i ngt h e ty pe s e l e c t i o no f t h eP V m o d u l e,t h es e l e c t i o no f t h e i n v e r t e rc apa c i tya n dt h ec o r r e spo n d i ngc o n n e c t i o nm e t h o d,t h ed e s igno ft h eP Va r r ay,e t c T h epr opo s e ds c h e m en o to n lyh a sgo o de n v i r o n m e n t a l a n ds o c i a lb e n e f i t s,b u ta l s oh a sc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t s T h i sm ays e r v ea s a r e f e r e n c e f o r t h ec o n s t r u c t i o no f r o o f t opP Vpo w e r s t a t i o n s K e y w o r d s:r o o f t opP V;P V m o d u l e;i n v e r t e r随着经济的发展,社会对能源的需求不断提高,化石能源作为现在我国的主要供给能源,其需求量逐年上升.然而,化石能源使用量上升的同时,也带来了生态及环境保护方面的问题,使用新型的可再生能源(如风电、太阳能、生物质能等)代替化石能源迫在眉睫.太阳能作为一种无污染且储量巨大的能源,具有广阔的应用前景.目前,我国太阳能光伏发电的利用方式可分为大型地面光伏电站和分布式能源站.分布式能源站由于具有与建筑结合方便,以及自产自用、就地使用、余量上网的特点,非常适合用地紧张、用电负荷大的发达省份及地区.光伏组件和光伏逆变器是屋顶光伏发电站最重要的个组成部分,设备选择是否合适,以及相关参数的设定是否匹配,对于提高电站的发电量,保证系统安全可靠的运行具有重要意义.以某办公楼屋顶光伏发电站为例,对其构成及电站效益进行研究.光伏组件选型分析 安装的环境条件 地理位置屋顶光伏发电站安装地区的地理信息主要包括安装地点的经度、纬度和海拔等,这些信息是确定电站气候条件和太阳能资源的基础.气候条件()温度.温度对组件选择的影响体现在对组件发电效率的影响和组件安全性的影响两方面.在相第期孙涛,等:屋顶光伏发电站光伏组件及逆变器选型分析同太阳辐射强度和气候条件下,光伏组件温度越低,组件的发电效率越高.如光伏光热一体化系统(P VT系统)的设计思路就是在光伏发电组件背面加装换热流道,在夏季气温较高时,能够及时吸收光伏组件产生的热量.通过这种方式,一方面能保证光伏组件工作在较低的温度,进而可以提高组件的效率,另一方面能够将多余的热量吸收利用起来组成联供系统,提高整个系统的效率.温度对系统的影响还体现在安全性方面,如在冬季极端低温的条件下,光伏组件的开路电压会升高,若在设计之初不进行校核,则开路电压有可能超过逆变器最大输入电压,进而造成设备损坏.()大气透明度和大气污染程度.大气透明度和大气污染程度体现了大气对太阳辐射的削弱程度,大气透明度越高,大气污染程度越小,则太阳实际投射至地面的辐射量越高.如我国华北地区的雾霾状况严重,每年发电量会比理论计算值少 左右.()当地天气状况.当地天气状况主要考察当地的降水、风速、极端天气等天气条件,这些条件主要影响设备防护措施的选择.若电站所处地点的每年固定时间有一段潮湿雨季,为了保证电站的安全运行,应选择防尘防水等级更高的设备.若电站所处位置的风速较大,如高楼楼顶的分布式光伏项目,则光伏组件安装时应考虑采取相关的加固措施.若电站所处地区可能有沙尘暴、暴雪、冰雹等极端天气,应选择能适应恶劣天气条件的光伏组件,必要时可预先做好防护措施.太阳辐射条件太阳辐射条件包括年太阳辐射量、年日照时间、峰值日照时间等.年太阳辐射量是指该地区每年单位面积水平面所接收的太阳辐射量,单位通常为kWh/(ma)或M J/(ma).年日照时间是指太阳在一地实际照射的时间,即在一年内,太阳直接辐照度达到或超过 W/m的各段时间的总和,单位通常为h.年太阳辐射量和年日照时间体现了该地区太阳能资源的丰富程度,根 据 这 些 数 据 可 将 我 国 划 分 为 五 类 光 照区.峰值日照时间是将当地的太阳辐射量,折算成标准测试条件(辐照度为 W/m)下的时间,主要用于太阳辐射量及发电量的计算.光伏组件的选择屋顶位置较为紧张,为了增加发电量,应尽可能采用单位面积发电功率较高的组件,同时结合当地环境因素 和建筑实 际 情 况 选 择 合 适 的组件.组件参数()材料类型.目前,光伏电站常用的光伏组件材料可分为单晶硅和多晶硅.单晶硅组件的发电效率比多晶硅组件的发电效率高,但是多晶硅组件的价格比单晶硅组件的价格低.()最大功率.由于光伏组件不同于普通的电池,其在一天之内的输出功率是随着光照强度和温度不断变化的,因此为了描述光伏组件的发电能力,选择其在标准测试条件(大气质量为AM,辐照度为 W/m,温度为 )下的功率作为指标,单位通常为W.()组件效率.组件效率为在标准测试条件下,最大输出功率与日照强度和太阳能电池板吸收光面积的乘积的比值,该参数反映了组件的发电能力.()最大功率点电压/电流.在不同的温度和光照强度条件下,光伏组件存在一个最佳工作点,当组件的输出电压和电流位于该点时,组件的输出功率最大.()温度系数.一般包括功率温度系数、开路电压温度系数和短路电流温度系数,其含义为温度每降低(升高)K,相应参数升高(降低)该参数基准值的百分数.该参数反映了温度对组件性能的影响.()最大系统电压.最大系统电压是指若干太阳能板组成一个太阳能发电系统的最大直流电压.目前,大部分厂商的最大系统电压已达到 V(I E C直流标准).组件类型选择目前,各大厂商生产的光伏组件有多种,除了普通的 片和 片标准光伏组件外,还有诸如双玻组件、半片组件等其他类型.因此,重点介绍下目前新兴 的单晶发 射 极 背 面 钝 化 电 池(P E R C)双面发电组件.P E R C组件就是采用钝化发射极背面接触技术所制造的光伏组件.相比于一般电池技术,P E R C增加了两道额外的工序(背面钝化层的沉积和激光开槽),是目前提高光伏组件效率的各种技术中性价比最高的一种.单晶P E R C相比第 卷于普通的单晶硅电池,效率可提升.另一方面,采用P E R C技术可以制成正面吸收直射光、背面吸收地面反射光和空间散射光的双面发电组件,能 够显著提高 发电量,最大 发电增 益 可达.光伏组件安装参数确定 组件安装倾角和方位角方位角与安装位置所处半球有关,对于我国所处的北半球来说,在正午时,太阳位于正南方向,因此光伏阵列垂直面与正南方向的夹角为 时,获取的辐射量最大.若周围有树木及建筑的阴影遮挡光伏阵列,则应根据实际情况调整阵列方位角.安装倾角的选择依据是应保证太阳电池全年发电量尽可能大,而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角.组件倾斜角可采用P V s y s t软件进行模拟,能够根据项目一年四季的具体要求选择合适的倾斜角.两排光伏阵列间距根据G B 光伏发电站设计规范 的规定,光伏方阵各排、列的布置间距,无论是固定式还是跟踪式,均应保证全年:(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡,即冬至日当天:时段内前、后、左、右互不遮挡.具体计算公式为:DLc o sLs i n t a n t a n()式中:D为两排阵列上相同点之间的距离;L为阵列斜面长度;为阵列倾角;为当地纬度.组件排布及安装数量对于屋顶光伏电站,首先应根据屋顶实际可用面积,结合光伏阵列间距和组件长度,计算在可用面积中所能安装的最大光伏组件数量.之后对最大数量进行修正,主要考虑个方面的因素:一方面,屋顶不同于地面,有相应的建筑承重要求,若光伏组件数量及相应支架的预期重量超过了建筑屋顶的额定载荷,则应酌情减少;另一方面,光伏阵列的设计应在边缘留有足够的距离,便于组件的安装及日常维护.逆变器的选型分析逆变器主要分为集中式和组串式.集中式逆变器功率较大,一般为 kW,主要应用于大型光伏并网电站,将光伏阵列先串联再并联,并统一接入一个汇流箱与逆变器相连,之后通过直流电流(D C)/交流电流(A C)变换上网.集中式逆变器集成度高、成本低,采用元件较少、可靠性高,电能质量也较高.但是,集中式逆变器由于最大功率点跟踪(MP P T)路数少,在进行最大功率追踪时只能处于局部最优点,造成系统发电量损失.组串式逆变器功率较小,一般为 kW,相比于集中式逆变器,具有结构简单、占地面积小的特点,可以直接与光伏组件相连,不需要汇流箱等部件;同时,其MP P T路数多,能够尽可能使各个组件工作在最大功率点,减少发电量损失.因此,组串式逆变器更适用于屋顶光伏发电站.组串式逆变器参数 逆变器效率逆变器效率是指在逆变器正常工作条件下,逆变器的交流输出功率与直流输入功率的比值.逆变器效率越高,逆变器性能越好.最大输入/输出功率最大输入/输出功率是指逆变器所能接入的且能够长时间稳定工作的最大功率,一般根据所设计的光伏阵列的容量来确定.启动电压启动电压是逆变器开始工作的最低电压.启动电压越低,逆变器在早上可以更早地发电,在晚上可以更晚地停机,进而延长光伏阵列的发电时间,增加发电量.最大输入电压最大输入电压是光伏阵列能够输入逆变器的最大电压.选型时应校核在当地极端低温的条件下,保证光伏阵列的最大开路电压不超过逆变器的最大输入电压.MP P T电压和满载MP P T电压范围MP P T电压和满载MP P T电压范围都是逆变器MP P T能 正 常 工 作 的 电 压 范 围,只 是 在MP P T电压范围内,逆变器能够正常工作,但是不一定能满负荷运行,而在满载MP P T电压范围内,逆变器能够满负荷运行.在配置光伏阵列接入数量时,应尽可能使接入电压在满载MP P T电压范围内.MP P T路数MP P T路数即逆变器内MP P T点的数量,即逆变器所能进行MP P T的光伏阵列数量.每路MP P T输入组串数每路MP P T输入组串数是指每路MP P T上可接入的组串数量,应保证单路MP P T控制器中第期孙涛,等:屋顶光伏发电站光伏组件及逆变器选型分析接入组串的组件数量一致.最大输入电流和输入端子最大允许电流最大输入电流和输入端子最大允许电流对逆变器的输入电流进行了限制,一般对于多路MP P T功能的组串式逆变器,每路MP P T都具有该电路的最大输入电流,在设计时应对组串输入电流进行校核.总电流波形畸变率用总电流波形畸变率表征逆变器输出的电能品 质.总 电 流 波 形 畸 变 率 越 小,电 能 品 质越高.组串式逆变器选型分析 逆变器容量选择为了描述光伏阵列容量和逆变器容量的关系,引入容配比.容配比是光伏阵列的标称功率与逆变器的额定输出功率的比值.目前,很多分布式屋顶光伏电站的安装地点并不是优质光照区(如西藏和青海).在这些地区,大部分时间阳光的辐照度达不到标准的 W/m,并且受到温度、天气等因素影响,导致光伏组件大部分时间的输出功率无法达到标称功率.若容配比为 ,则会导致逆变器大部分时间都不是满载运行,造成容量浪费.逆变器与光伏阵列的容配比一般根据表确定.表容配比的选择经验依据全年平均每日峰值日照时间/h容配比 光伏阵列的连接和逆变器的校核光伏阵列的连接和逆变器的校核应满足如下条件:()光伏阵列应根据所安装的环境进行分组,主要考虑阴影遮挡、温度和线路的实际排布等因素,不仅要保证处于相同工作条件下的光伏组件处于一路,还要尽可能减少线路能耗.同时,根据光伏阵列的分组情况,选择具有与之匹配的MP P T控制器数量的逆变器.()应保证每路MP P T控制器的输入电压在满载MP P T电压范围内,并且使其尽可能接近逆变器的额定电压,因为逆变器在额定电压下的效率最高.()应对在极端低温条件下的组件的最大开路电压进行校核,保证组件的最大开路电压不超过逆变器的最大输入电压.具体关系式为:n Uo cn Uo c(Tm i n)kUm a x()式中:n为每个接线柱接入的光伏组件数量;Uo c为光伏组件的开路电压;Tm i n为电站安装地点极限低温;k为组件电压温度系数;Um a x为逆变器最大输入电压.()光伏阵列的输入电流不应长时间超过逆变器的最大输入电流,并且绝不能超过端子最大允许电流.当使用双面光伏组件时,应保证在最大反面增益下的 光伏阵列 输 入 电 流 满 足 上 述条件.应用实例分析某办公楼屋顶有一块空地未被利用,由于其具有较好的光照资源,因此考虑在屋顶设计一个小型光伏发电系统,采用自发自用、就地使用、余电上网的方式,既可以利用多余的建筑空间发电,又能起到一定的隔热作用.该办公楼为南北走向,屋顶为平整面,尺寸为 m m,去除重要空调外机所占面积,实际可用面积为 m.该地区各月的每日平均日照情况见表,全年太阳辐射量为 kWh/(ma),为四类光照区.表该市不同月份每日平均日照情况月份全球辐照度/(k Whmd)漫反射度/(k Whmd)温度/风速/(ms)为了更好地利用有限的屋顶空间,提高单位面积发电量,计划使用单晶P E R C双面发电组件,组件参数见表.经计算组件采用竖向布置时放置数量最多,并且能够为安装维护留出足够的空间,满足屋顶载荷的要求.组件共有 块,由中央空调外机分为东西两个区域,东区放置的第 卷 块组件采用 布置,西区放置的 块组件采用布置,总容量为 kW.光伏组件的安装倾角为 ,朝向为正南方向.表光伏组件参数参数数值最大功率/W 最大功率点工作电压/V 最大功率点工作电流/A 开路电压/V 短路电流/A 组件效率/增益下最大功率/W 开路电压温度系数/组件尺寸/(mmmmmm)最大系统电压(D C)/V 由于该地所处四类光照区,并且春季有较长的梅雨季节,因此整个发电系统的容配比选为 .该系统所选的逆变器为组串式逆变器,其具体参数见表.表逆变器参数参数数值最大输入电压/V 最小输入电压/启动电压/V /额定输入电压/V MP P T电压/V 满载MP P T电压/V MP P T数量每路MP P T最大输入组串数量最大输入电流/A(/)输入端子最大允许电流/A 额定输出功率/W 最大输出功率/W 额定电网频率/H z/总电流波形畸变率(额定功率下)/电网额定电压(/N/P E)/V /该 W逆变器接入个光伏组串,每串接入 个光伏组件,具体接入方案为/().该接入方式阵列的最大功率点电压为 V,处于满载MP P T电压范围且接近额定输入电压.通过查阅资料得到当地出现过的极端低温为 ,对 应 阵 列 的 最 大 开 路 电 压 为 V,小于逆变器的最大输入电压(V).各个组串在 增益下的最大电流为 A,小于各路MP P T的最大输入电流(A).通过P V s y s t软件模拟得到该系统每年发 电量可达 kWh,具体每月的发电量见表.表P V s y s t软件模拟的每月及全年逆变器输出电量月份发电量/(k Wh)月份发电量/(k Wh)根据现有的光伏组件和逆变器价格,该屋顶光伏发电站的总投资约为 万元/kW,估算总造价约为 万元.按系统运行寿命为 年、输出衰减率为 计算,年的总发电量为 kWh;按 当 地 上 网 电 价 为 元/(kWh)进行经济性评价,考 虑 全 部 自 有 资金,项目投资财务的税前和税后内部收益率分别为 、.综上所述,所提出的方案不仅具有良好的环境和社会效益,还具有一定的经济效益.结语简要介绍了屋顶光伏电站光伏组件和逆变器的选型分析,包括光伏阵列的布置、光伏阵列的安装参数、组串设计、逆变器及光伏组件的设备选型等,并且将其应用到屋顶光伏电站的设计案例中.所介绍的案列具有代表性,可以为屋顶光伏发电站的建设提供参考.参考文献:卢倩楠绿色建筑中太阳能光伏发电系统的设计研究D西安:长安大学,:王长贵,王斯成太阳能光伏发电实用技术M 版北京:化学工业出版社,:中华人民共和国住房和城乡建设部光伏发电站设计规范:G B S北京:中国计划出版社,林志鸿,李少纲光伏逆变器的研究现状综述J电气开关,():,梅文广光伏发电 系统最优容配 比分析J建筑电 气,():