50KW分布式光伏电站的系统设计(课程汇报)

1类型：课程设计2是人类可持续发展的必由之路。只有实现可持续发展的能源战略，才能够在"能31.1分布式发电系统的组成分布式光伏发电系统一般由太阳能电池板、DC/DC直流变换器、DC/AC逆变器、控制单元及相关负载等环节组成。分布式光伏发电系统大体划分可分为独立光伏发电系统、多功能互补微电网发电系统和并网式光伏发电系统，其中独立式光伏发电系统即离网光伏发电系统，由光伏电池方阵、直流箱、控制器、储能装置(按需配置)、逆变器(按需配置)构成；而并网光伏发电系统由光伏电池方阵、直流配电箱、逆变器、交流配电箱、并网设备构成，详细分类如图1.1所示：分布式光伏发电系统1.2分布式光伏发电的优势分布式光伏发电提倡就近发电、就近转换、就近并网、就近使用的原则，不但可有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题，与传统光伏电站相比，分布式光伏发电有着独特的优势[2]。(1)装机容量小。光伏发电站的规模一般都在数十万千瓦以上，而分布式光伏发电具有安装的灵活性，可按照负荷需要、安装场地、投资额度等状况确定发电容量。(2)建设场地具有灵活性。分布式光伏发电系统可安装在光照充沛的闲置空地、与建筑一体化建设或外加在建筑顶部，比起水能、风能等其他发电形式，场地要求相对灵活，更容易推进全民参与。4(3)并网容易。现在一直困扰光伏发电发展的一个难题就是并网难的问题。在我国，光照充足且适合建大型光伏电站的地方往往是偏远地区，电站的建设和并网难度都较大，即使有些大型电站能建成运行，也会因为不能并网使其发出的电成为"弃电"、"废电"。分布式光伏发电一般是建在城市中，以家庭住宅、企事业单位为依巧，只需要对现有电网管理稍加改造就能使其并网，同时还能解决用户自身的用电问题。(4)硬件设备要求低。分布式光伏发电系统之间都是互相独立的，且一般是小型系统，对供电等安装设备的要求较少，因为用户可以自由控制，所以不会出现大范围的停电事故，还可提高大电网安全可靠性。同时，分布式光伏发电具有良好的调峰性能，在用电高峰可以缓解电网压力，且便于操作，由于系统运行的设施较少，能快速启停，在出现意外灾害时可W继续供电，成为集中供电方式(5)投资成本低。传统集中式光伏电站由于地理位置等原因，其建设和并网成本都较高，这使得发电系统前期投资远远大于所带来的收益，并且建设这种大型光伏电站需要大量的资金支持，使得投资者望而却步。相较传统光伏发电大量资金的投资，分布式光伏发电投资较少，成本低，它大多分散在城市中，可以将各级党政机关、企事业单位和大量居民楼房转变为众多的"微型发电厂",能(6)环保节能。光伏发电的原理是通过光伏效应产生电能，发电过程中无污染、无噪音，有利于普及清洁能源知识和措施。在推进分布式光伏发电过程中，能让人们更好的关注环境，自觉节约能源和保护环境。1.3分布式并网发电系统分布式光伏发电系统连接到电力系统的电网中，成为电力系统的一部分，可为电力系统提供有功和无功电能，目前己成为光伏发电系统应用的主要方式。在并网发电系统中，根据不同的分类标准，有不同的种类，可分为：有逆流和无逆流光伏发电并网系统、可调度式和不可调度式光伏发电并网系统、切换型和交直流光伏并网发电系统[3]。(1)有逆流光伏发电并网系统和无逆流光伏发电并网系统根据光伏发电并网系统所发出的电能是否能够输入电网中，可分为有逆流光5伏发电并网系统和无逆流化伏发电并网系统。有逆流光伏发电并网系统主要是指当光伏并网发电系统输出的电能足够供给负载并且电量有剩余时，可将剩余电量输送电网中；当发电系统发出的电能不足以供给负载时，可从电网中获得电能。因为既可以向电网输送电能，又可以从电网中得到电能，因此称为有逆流光伏发电并网系统。无逆流光伏发电并网系统是指光伏发电并网系统输出的电能即使能够供给负载后有剩余电量，也不会将剩余电量输送电网中；当发电系统发出的电能无法供给负载时，需要从电网中得到电能。(2)可调度式光伏发电并网系统和不可调度式光伏发电并网系统可调度和不可调度的区别在于是否有蓄电池。当系统发出的电能多于所带负载消巧的电能时，系统就会通过控制器将多余电能存储到蓄电池内。如果发出的电能不足时，通过电网补充电能，这种方式称为可调度式。不可调度式是不带蓄电池的光伏发电并网系统。由于没有蓄电池，因此使得整个发电系统的造价减少，并且提离了供电质量的可靠性。不可调度式系统得到了广泛的应用。(3)切换型和交直流光伏发电并网系统切换型光伏发电并网系统主要由光伏电池、蓄电池、切换器、逆变器和负载组成。当天气条件良好，光照充足，光伏电池发出的电量能够满足负载消耗时，发电系统与电网分离，由系统独立向负载提供电能；当天气条件差，如遇阴雨天，光伏电池所发出的电量不能满足负载消耗时，通过切换器切换到电网一侧，由电网向负载提供电能。交直流光伏并网系统，系统中某些设各需要使用直流电，因此可以通过光伏发电系统滤波等措施调整直接向这些设备供电，并且提高了供电的可靠性。而对于大部分的负载，还是需要交流电，因此需要通过将光伏发电系统发出的直流电逆变成交流电供交流负载使用。根据以上光伏发电并网系统的分类介绍，本文设计的分布式光伏发电系统是并网系统，是接入低压配电网的发电系统，有逆流的光伏发电系统，同时也是交直流光伏并网系统，位于衢州市衢江区居民屋顶，成功并入国家电网。系统的整体结构如图1.2所示：6图1.2光伏发电并网系统构成其中，光伏阵列主要由太阳能电池板构成，当光照射在太阳能电池板表面，太阳能电池板阵列输出的直流电，经光伏并网逆变器最大功率点跟踪控制、逆变后，产生与电网电压同频、同相的交流电，送入电网中。1.4并网逆变器的系统概述太阳能电池板输出的是直流电，而电网侧是50HZ的交流电，需要采用并网逆变器作为电能转换装置将光伏阵列所输出的直流电变换成交流电送入电网。光伏并网发电系统的核也是并网逆变器，其控制系统的好坏直接影响整个系统的性1.4.1并网逆变器的分类(1)根据据输出交流电压的相数可以分为单相逆变器和三相逆变器；(2)根据有无电气隔离，可将逆变器分为隔离型和非隔离型。隔离型并网逆变器中根据工作频率可分为工频和高频两类，工频隔离逆变器是将太阳能电池阵列产生的直流电先经DC/AC逆变电路转化成交流电能后，再经过工频变压器输入电网；高频隔离逆变器是通过输入侧的DC/AC电路先将太阳能电池阵列输出的直流电能转换成高频的交流电能，之后通过高频变压器进行调压和隔离，再经过AC/DC高频整流电路获得相应电压等级的直流，最后通过输出侧的DC/AC环节将整流后的直流逆变成工频交流电能并入电网[4]。非隔离型并网逆变器按照拓扑结构可分为单级和多级两类。(3)根据控制方式分类，可以分为电压源电压型、电压源电流型、电流源电压型和电流P电流型[5]。从输入看，逆变器分为电压型和电流型，电压源型7(1)自动开关。根据日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率的潜力，检测组件电压，实现自动开始和停止。(2)最大功率跟踪(MPPT)控制。太阳能电池板的输出功率会随着外界温(3)谐波抑制。并网时能抑制高次谐波流入电网，减少对电网的影响。(4)防止孤岛运行。若系统所在地的电网意外断开后，并网逆变器未检测到故障仍持续工作，此时的并网系统与周围的负载形成了一个自给供电的孤岛，伤害，并网逆变器需要具有防止孤岛效应的功能。(5)故障情况排解与停止运行。当系统所在地电网或逆变器发生故障时，1.5并网逆变器的控制方式控制方式是控制系统最核也的部分，它影响着系统的稳定性和动态响应能8变器输出的电流与电网电压同频同相。光伏发电并网系统的输出是采用电流控制方式时，电网就等效为一个恒巧源，这时的系统就可看成是恒压源与电流源并联，目前大多数的光伏发电并网系统都采用电流控制方式。光伏发电并网逆变器就应该使控制输出的并网电流为富质量的稳定的正弦波，其控制目标为7]:(1)控制输出的并网电流与电网电压必须同频同相；(2)逆变器的输出端连接电网，而电网是一个扰动量。在太阳能光伏发电并网控制系统中，除了用同步锁相控制环(PLL)来保证并网电流与电网电压同频同相，也将常规逆变器的波形控制技术应用于太阳能光伏并网发电系统的逆变器控制之中。目前有各种不同的控制策略，但用的最多的是滞环电流控制、无差拍控制、双环控制、多环控制和正弦脉宽调制技术。双环控制是逆变器控制中使用比较广泛的控制策略，它包括并网逆变器的直流电压外环控制和电流内环控制[8]。并网逆变器中的外环控制是电压控制，电压外环是能量控制环节，而电流内环则用来实现电流的快速控制。其中，电流内环控制是光伏并网逆变系统中控制的关键，主要在于它不但对并网电流的质量有影响，同时还能决定外环能量流指令是否能够可靠实现，电压电流双环控制方式的原理框图如图1.3所示：十P图1.3双环控制方式原理图电压电流双环控制方式，具有控制简单，控制效果较好，谐波频率固定，能减小并网环流等特点。9第2章分布式光伏电站的设计项目初步装机容量设计为50.18KWp由于光伏组件均采用钢支架朝南布置与水平屋顶上。系统共1套光伏列阵50.18KW系统组件容量50.18KW根据方阵排列方式以及组件峰值工作电流大小固定方阵接线采用多路比较合适。本项目共安装260Wp多晶硅光伏组件193块总装机容量为50.18KWp。该系统初步设计屋顶安装容量50.18千瓦太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生的电力除了供给交流负载外多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。2.2设备选型2.2.1组件选型由于项目场址排布密集，采用高效率大功率多晶硅组件，组件间连接点少，施工进度快；且故障机率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗相应降低既节约成本又提高效率增加效益。同时综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率以及采购订货时的可选择余地结合场区面积。本工程推荐选用260Wp多晶硅光伏组件。如图2.1所示：太阳能组件各项性能指标如表2.1所示。开路电压37.6伏短路电流8.97安功率260瓦最佳工作电流8.32安最佳工作电压31.3伏组件转换效率旁路二极管额定值大于400伏玻璃类型淬火、低铁、用于太阳能板的钢化玻璃防护等级边框表面经阳极处理的铝合金太阳能电池板输出功率偏差在0～+5瓦该产品是定型的成熟产品，在中国国家重大工程项目中参与建设中国西部"光明"工程，完成了包括世博主题馆屋顶光伏发电项目、中国西部嘉峪关大型荒漠光伏电站、意大利、德国及日本大型光伏电站等在内的共计约400个大型电站项目。2.2.2逆变器选型逆变器是光伏系统中的最关键的部件，主要功能是将组件所产生的直流电转换成交流电并达到用户及电网的标准。同时还具有保护、监控等功能。本项目拟选用深圳市首航新能源有限公司并网逆变器。各项性能指标如下：(1)最大效率98.4%;事实精确的MPPT算法，确保最大收益；输入电压范围，从200V到800V。(2)系统功能：直流开关；直流浪涌保护器；交流浪涌保护器；内置光伏汇流箱；能量管理模块。(3)低维护成本：可拆卸下盖，方便安装；全铝防锈上盖；灵活且成熟的监控解决方案；可通过设置多功能继电器来显示各种逆变器信息。(4)智能电网管理：具备低电压穿越功能；无功可调功能；电网过频时，自动降载；远程有功限制功能2.2.3支架选型混凝土屋面的厂房采用水泥负重块安装，不破坏原有屋面的防水层。混凝土平屋顶光伏组件安装如下图2.2所示2.2.4光伏组件的安装倾角设计该电站位于衢州市某工厂内，当地东经118°,北纬29°,安装倾角35度。50KW光伏屋顶由南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。计划在工厂屋顶装设太阳能光伏电池组件板建设太阳能光伏发电示范系统。组件安装结构要经得住风雪等环境应力，安装孔位要能保证容易安装和机械的受力，推荐使用正确的安装结构材料可以使得组件框架、安装结构和材料的腐蚀减至最小。安装倾角结构框图如下图2.3所示。图2.2安装倾角结构框图当光伏系统与电网接口处频率超出规定的频率范围时(±0.5HZ过、欠频配电安装：挂壁明装，根据进出电缆电线的方向及桥架的规格，在配电坏电线电缆。配电采用膨胀螺栓在墙上固定。本项目全年平均日辐照量=3.8KW.h/m2,年辐照量=2200KW.h/m2，该安装容量50KW,系统无故障率0.95，那么KWKW发电量约为144.4*365=52706KW.h。投资收益率：70620/500000=14.12%投资收回年限：500000/70620=7年净收益可达130.9万元。分布式光伏发电系统后期的维护费用几乎没有。4.2经济效益评价分布式光伏发电系统的经济效益评价需要综合考虑项目的盈利能力、偿债能力和运营能力。项目的盈利能力是指投资者依据未来能否盈利W及盈利水平的高来决定是否投资，这与项目的经济效益直接相关。偿债能力是指在寿命周期内资产，尤其是现金资产对于债务的偿还能力，也是对投资的回收的能力。偿债能力是金融机构对项目融资决策的依据，也决定了项目能否健康稳定发展。项目运营能力体现项目资产生产收益的效率，即项目充分利用自身资产新创造财富的能力。项目在尽可能短的时间内获得尽量多的收益，尽可能多的生产产品，则其运营能力越强[10]。光伏发电项目建设期较短，项目运营时间较长约为20年，运营期内成本费用以及利润、现金流波动较大。由于光伏发电产业在我国的发展正处于初始发展阶段，经济收益的周期较长。4.3技术效益评价太阳能光伏发电项目的技术评价包括对系统建设选址的效果W及系统设备运行维护能力的评价。选址首先考虑的是地区太阳能资源的丰富性，还需要考虑该地区电网对光伏电力调度过程中矛盾的协调，利益分配的能力，具体需要对太