SG500MX集中型逆变器系统应用设计方案

./SG500MX集中型逆变器系统应用设计方案电源股份2015-11目录目录2一、系统设计的原则与参考标准31.1方案概述31.2设计原则31.3参考标准3二、系统关键设备42.1系统构成42.2系统关键设备选型4三、系统设计方案93.1方案设计目标93.2组件串、并联设计方案93.3组件排布与连接设计方案113.4固定支架倾角设计方案123.5阵列间距设计方案133.6箱变位置、线缆敷设设计方案143.7单元布局设计方案153.8单元的数据通讯设计203.9精细化设计价值21四、1MW单元材料及设备清单21五、补充说明21一、系统设计的原则与参考标准1.1方案概述本方案是基于我司SG500MX集中型逆变器在并网电站中应用的系统设计方案,电站类型涵盖MW级大型并网地面电站、MW级分布式电站,容包括系统设计原则、关键设备选型、系统设计方案推荐等。本方案中单元设计、变压器设计为匹配2台SG500MX逆变器,均按照交流输出1MW推荐,单元规模及容量均按照交流侧定义。本方案为正式归档的V1.1版本,后续有优化后再以更新版本为准。1.2设计原则最小化度电成本〔LCOE是光伏电站最基本的设计原则,需要综合考虑如何降低系统投资成本和提高发电量两个方面因素。我司采用智能化设计方法和专业的数据分析,保证电站系统在25年安全、高效运行的前提下,找到投资和产出的最优比。1.3参考标准QX/T89-2008《太阳能资源评估方法》GB6495-1986《地面用太阳电池电性能测试方法》GB/T9535-1998<IEC61215>《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》GB/T18210-2000《晶体硅光伏〔PV方阵I-V特性的现场测量》GB/T12325《电能质量供电电压允许偏差》GB/T14549《电能质量公用电网谐波》GB/T15543《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15945《电能质量电力系统频率允许偏差》GB17478《低压直流电源设备的特性和安全要求》GB/T17626《电磁兼容试验和测量技术》GBJ232－1982《电气装置安装工程施工及验收规》GBJ17-1988《钢结构技术规》GBJ9-1987《建筑结构荷载规》GB50016-2006《建筑设计防火规》GB50057-1994《建筑物防雷设计规》GB50015-2010《建筑给水排水设计规》GB50054《低压配电设计规》GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》GB/Z19964-2005《光伏电站接入电力系统的技术规》GB50217-2007《电力工程电缆设计规》GB50794-2012《光伏发电站施工规》DL5009-2002《电力建设安全工作规程》GB50797-2012《光伏发电站设计规》GB50795-2012《光伏发电工程施工组织设计规》GB50796-2012《光伏发电工程验收规》二、系统关键设备2.1系统构成基于SG500MX集中型逆变器的光伏发电系统主要由光伏阵列、直流汇流箱、集中型逆变器、箱式变压器等关键设备组成,光伏阵列产生的直流电通过汇流、逆变、变压后并入公共电网。图1：基于SG500MX集中型逆变器的光伏发电系统示意图2.2系统关键设备选型2.2.1组件目前电站常用组件的规格有多晶265W、多晶270W、多晶305W、单晶265W等,如某厂家组件的主要规格参数如表1所示。表1：某厂家组件的主要规格参数技术参数多晶265W多晶270W多晶305W单晶265W电池片数60PCS60PCS72PCS60PCS开路电压38.14V38.30V45.35V38.26V短路电流9.10A9.16A8.79A9.00A峰值功率电压30.89V31.21V36.71V31.11V峰值功率电流8.58A8.65A8.31A8.52A开路电压温度系数-0.33%/℃-0.33%/℃-0.33%/℃-0.33%/℃峰值功率电压温度系数-0.40%/℃-0.40%/℃-0.41%/℃-0.41%/℃短路电流温度系数0.058%/℃0.058%/℃0.058%/℃0.059%/℃最大系统电压1000Vdc1000Vdc1000Vdc1000Vdc标称工作温度45±2℃45±2℃45±2℃45±2℃尺寸〔mm1650*991*401650*991*401956*991*451650*991*40重量18.2kg18.2kg26.0kg18.2kg2.2.2直流汇流箱本方案选用PVS-16M智能直流汇流箱,拥有完善的防雷设计,组串电流、电压检测,异常报警设计,带防雷的PV自供电设计等特点；汇流箱标准配置为16路输入,其实物图和电气接口如图2所示,部电气拓扑结构如图3所示。图2：直流汇流箱PVS-16M实物和电气接口图3：PVS-16M电气结构表2：PVS-16M技术参数光伏电压围200Vdc～1000Vdc通讯连接方式RS485最多输入路数16路无线通讯可选配每路熔丝额定电流10A/15A〔可更换环境温度-25℃～+60℃直流输出断路器根据实际容量选配尺寸〔宽×深×高670×570×180mm防雷光伏专用防雷模块重量25kg防护等级IP65安装方式壁挂式2.2.3集中型逆变器基于SG500MX集中型逆变器在MW级大型并网地面电站、MW级分布式电站中的应用,我司均以SG1000TS箱式逆变房的整体方案进行设计和推荐。SG1000TS箱式逆变房,集成了2台SG500MX集中型逆变器,采用户外型7尺集装箱房体设计,将逆变器、直流柜、监控单元、配电单元、安防系统、消防设备等进行了高度集成化设计,同时具备IP54的防护等级、三面可开门易于维护、缩短电站建设周期等优点。SG500MX集中型逆变器及SG1000TS箱式逆变房实物如图4所示。图4：SG500MX集中型逆变器及SG1000TS箱式逆变房实物图SG500MX集中型逆变器最大输入功率可达560kW,系统最大输入电压1000V,460V~850V的宽MPPT围,标准315Vac输出,详细参数如表3所示。表3：SG500MX技术参数输入输出最大输入功率560kW额定输出功率500kW最大输入电压1000Vdc最大输出视在功率550kVA启动电压500V最大输出电流1008A最低工作电压460V额定电网电压315VacMPP电压围460V~850V电网电压围252~362Vac最大输入电流1220A额定电网频率50Hz/60Hz系统最大效率99.00%通讯RS485,以太网欧洲效率98.7%显示彩色触摸屏外部辅助电源电压380V,3A防护等级IP21夜间自耗电<20W尺寸<宽×高×深>1205×1915×805mm冷却方式温控强制冷风重量900kg运行温度围-30℃～+65℃认证金太阳认证,CE,符合BDEW最高海拔6000m〔>3000m降额SG500MX集中型逆变器采用高效的拓扑,直流输入的具体路数可定制,具体电气拓扑如图5所示。图5：SG500MX电气拓扑SG1000TS箱式逆变房,集成了2台SG500MX集中型逆变器,并集成了监控、安防等设备。部设备间的连接线缆已在出厂前全部接好,箱式逆变房与外部设备的连接线缆统一从箱式逆变房底部进出。电路拓扑如图6所示。图6：逆变房电气连接图用户可按照表4推荐完成逆变房与外部设备间的线缆连接。表4：逆变房与外部设备间的线缆连接编号作用接线描述A直流输入每台6路,70mm2电缆B交流输出三相,每相3×185mm2电缆C外部通讯接口可提供RS232/RS485,以太网/Modbus,IEC61850,DNP3.0,101,103,104等各种标准通讯接口D外部三相厂用电380Vac可接入厂用电,为逆变房各设备正常使用供电,推荐使用10mm2阻燃线缆注：厂用电不是必备项,也可直接利用逆变器的交流输出为监控配电柜供电,进而为房其他设备提供供电；或厂用电与供电主备切换,提高供电可靠性。2.2.4箱变箱变的实物和部电气结构如图7所示,箱变容量由系统单个方阵的容量确定。本方案逆变器最大输出视在功率为1100kVA,因此箱变容量选用1100kVA,电压等级为35kV/0.315kV,对于10KV并网的项目,可选择10KV/0.315kV的箱变。图7：箱变实物和部电气结构表5：箱变规格参数定容量1100kVA联接组标号D,y11,y11额定电压低压断路器315V/1100A额定频率50Hz高压侧断路器35kV/500A阻抗电压6.50%外壳材质不锈钢/铝最大效率>99%承受电流不平衡能力<5%注：本箱变仅适用于1MW单元方案,对于其它容量单元,需重新对箱变选型。2.2.5线缆线缆选型主要考虑的因素有：敷设方式、安规、导体材质、电压等级、载流量、环境温度等,本方案选用的线缆规格如表6所示。表6：线缆选型规格参数类型规格起点终点备注直流线缆PV1-F-1×4mm2光伏组串直流汇流箱建议光伏专用电缆ZR-YJV22-1-2×50mm2直流汇流箱SG500MX逆变器汇流箱8路输入ZR-YJV22-1-2×70mm2直流汇流箱SG500MX逆变器汇流箱16路输入交流线缆ZR-YJV22-1-3×185mm2SG500MX逆变器箱式变压器通讯线缆ZR-RVSP-2×1.0mm2被采集点COM100通讯箱建议屏蔽双绞线注：1.交流电缆建议采用阻燃、铠装的多股线芯电缆,承受外力强,且不易损坏；2.逆变器到箱式变压器建议多股硬线,以保证接线接触良好；三、系统设计方案3.1方案设计目标系统方案的设计围绕最小化度电成本〔LCOE来进行,需要综合考虑如何降低系统投资成本和提高发电量两个方面因素；为达到目标,既不可无限制的压缩投资成本,亦不可盲目追求发电量,需要正确找到两者的平衡点。为实现最小化度电成本目标,需对系统进行精细化设计,主要包括科学合理的组件串/并联设计、组件排布与连接设计、阵列倾角设计、阵列间距设计、箱变位置设计、线缆走向设计、以及系统布局设计等,使系统高效运行,从而提高系统的能量效率〔PR和发电量,降低系统初始投资成本,结合我司的智能化设计方法,找到投资和产出的最优化设计方案。3.2组件串、并联设计方案3.2.1组件串、并联设计组件串联设计原则：组串最高开路电压低于逆变器所能承受的最高电压,组串最低工作电压高于逆变器满载MPPT围的最小值。组串并联设计原则：组串并联路数由逆变器的最大功率输入决定,同时考虑适当超配以补偿直流侧损失、提高逆变器利用率,降低系统的LCOE。图8：容配比与LCOE的关系曲线以格尔木地区为例,组件选取某厂家多晶265W,组件的串、并联设计步骤及关键参数的取值,如表7所示。表7：组件串、并联设计步骤组件串、并联设计步骤计算例证步骤一：确定组件电池片的工作温度其中G=0.8kW/㎡格尔木全年的白天环境温度围-25℃~50℃,组件的NOCT为45℃。计算出组件电池片实际温度为-25℃~75℃步骤二：确定组件的电压围在STC情况下,,；温度系数：,〔如无,可参考。代入左边公式：,步骤三：组件串联数设计SG500MX满载MPPT最小电压为460V,最大输入电压是1000V,得出,推荐N取22步骤四：组串并联路数设计组串并联后的功率等于逆变器的最大输入功率,允许围推荐适当超配SG500MX额定输出功率为500,000W,比如,在II类辐照度地区,接入6台16路汇流箱,输入功率为559,680W,容配比为1.12：1,满足设计要求3.2.2组件的串、并联配置推荐结合设计原则和我国各地区的温度围,针对几种常用规格组件,与我司SG500MX规格逆变器配合使用,推荐配置如表8所示。表8：几种常用组件的组串配置推荐地区辐照度等级I类II类III类超配比率1.0倍-1.1倍1.1倍-1.2倍>1.2倍组件规格265W/270W305W265W305W265W305W组件串联设计22串18串22串18串22串18串汇流箱输入路数16路16路16路16路16路16路汇流箱台数6<注>667<注>7<注>7SG500MX输入路数6路6路6路7路7路7路组件实际容量〔W513,040527,040559,680570,960606,320614,880SG500MX额定输出<W>500,000500,000500,000500,000500,000500,000配比1.02：11.05：11.12：11.14：11.21：11.23：1注：〔1环境温度围计算以-25℃～50℃为围；〔2研究表明,系统适当超配有利于降低LCOE。〔3〔注：设表8中汇流箱台数用"N"表示,〔N-1台接满16路组串,第N台接入8路组串。〔4后文中涉及方案对比计算的参数均基于配比1.1：1方案。3.3组件排布与连接设计方案设计原则：组件在支架上的排布方式以线缆成本、土地利用率、遮挡影响最小、接线方便、施工简单为设计原则。组件常见的排布方式有横向4×11和竖向2×11两种,组件横向4×11排布方式线路连接推荐如图9所示,组件竖向2×11排布方式线路连接推荐如图10所示。图9：组件横向4×11排布方式连接图图10：组件竖向2×11排布方式连接图由于某种原因引起的遮挡对两种布局的影响不同,如图11所示,单块电池板〔6排10列cell组成竖向放置,一排被遮挡,理论上组件几乎没有功率输出；横向放置,一排被遮挡,组件的输出功率约为正常输出功率的2/3；因此横向4×11排布方式因遮挡引起的损失更小。图11：组件竖向、横向被遮挡示意图此外,从土地利用率、电缆成本方面考虑,横向4×11排布方式均有优势,但是支架成本较竖向2×11排布略高,且安装较困难。表9为以格尔木地区冬至日〔09:00-15:00不遮挡为原则,交流输出1MW〔阵列容量为1,096,040W单元按横向4排布置和竖向2排布置的数据对比。本方案推荐横向4×11排布方式,后续章节单元设计均以4×11排布方式为原则。表9：两种排布方式数据对比阵列实际容量布局方式倾角设计阵列面积电缆总成本电缆平均成本1,096,040W竖向2×11排布32度17,379㎡169,797元0.155元/W1,096,040W横向4×11排布32度17,096㎡158,028元0.144元/W注：土地面积的计算均按照相同发电量条件下各自对应的间距〔4.7米和5.6米计算。3.4固定支架倾角设计方案倾角设计原则：依据最优经济效益倾角设计。支架的安装倾角分为最优发电量倾角和最优经济效益倾角,最优发电量倾角由当地纬度和辐照条件共同决定,通常最优经济效益倾角比最优发电量倾角低5°左右。以格尔木地区交流输出1MW〔阵列容量为1,096,040W单元为例,最佳发电量倾角为36度,然而在倾角30°~36°围发电量差异不超过0.878%,土地利用率30°与36°相比减小6.4%。图12：倾角与年发电量及土地使用关系图表10：不同倾角下的发电量损失及土地节省率倾角间距<m>年发电量<MWh>发电量损失占地面积<㎡>土地节省率30度5.316930.878%16,7226.4%32度5.617000.468%17,0964.3%34度5.817040.234%17,4902.1%36度6.117080.0%17,8650.0%38度6.417060.117%18,240-2.1%注：由于最优倾角与阵列容量、土地成本、当地纬度多种因素有关,我司会根据具体项目,利用专业软件和算法进行最优经济效益倾角设计推荐,本方案中后续设计均推荐倾角32度。3.5阵列间距设计方案阵列间距设计原则：当地冬至日〔当天影子倍率最大真太阳时09:00-15:00的6小时前后阵列互不遮挡的最小距离,在土地资源较为丰富地区可增长前后阵列互不遮挡的小时数〔增大时角。本方案阵列间距的计算如图13：图13：阵列间距示意图〔公式1〔公式2以格尔木地区电站为例,以冬至日真太阳时09:00-15:00的6小时前后阵列互不遮挡为原则,固定支架倾角设计选择32°,多晶265W组件横向4×11排布,阵列间距的计算方法和其中关键参数的取值,如表11所示。表11：光伏阵列前后排间距计算关键参数序号参数符号含义当地冬至日真太阳时09时取值1H前排高点和后排低点高度差由下面L和值代入得：2.13m2太阳实时方位角真太阳时09时方位角为：-45°3当地纬度格尔木纬度：北纬36.42°4太阳赤纬角冬至日太阳赤纬角为：-23.45°5L横向4排布斜边长组件宽0.99m,共4排：4.02m〔含压块6固定支架倾角取固定倾角：32°7D阵列间距以上参数代入公式5：计算得出阵列间距为5.1m注：表11的计算为理论计算,实际设计中综合考虑土地价格和地面平整因素,在理论计算的基础上适当调整间距。3.6箱变位置、线缆敷设设计方案箱变的位置、线缆的敷设方式,影响到系统直流侧的整体损耗和系统电缆的成本,常见的几种设计方案对比如表12所示。表12：几种常见方案比较方案1：汇流箱靠路边放置、箱式变房和箱变居中√方案2：汇流箱阵列中间放置、箱式变房和箱变居中方案3：与其他单元共用东西道路线缆成本：158,028元线缆成本：168,361元线缆成本：175,286元单位线缆成本：0.144元/W单位线缆成本：0.154元/W单位线缆成本：0.160元/W注：表格数据以交流输出1MW单元、组件按照4×11方式排布、阵列前后间距5.6米、支架左右间距0.5米进行核算,线缆成本为箱变前端低压直流线缆和低压交流线缆成本之和。本方案推荐：汇流箱靠路边放置、箱式逆变房和箱变居中、维护道路南北走向、南北方向两条电缆沟的方案〔表12中方案1；对比分析可看出,该方案单元线缆单位成本最低。3.7单元布局设计方案3.7.1单元布局设计〔配比1.0：1基于SG500MX集中型逆变器,本方案推荐系统按照交流输出1MW设计。组件推荐选择多晶硅265W组件,单支架组件采取横向4排11列排布,整个单元采用11排8列的布局,单元的实际容量为1,002,760W；道路为南北方向；箱式逆变房和箱变居中放置,共占用两个支架位置；系统配置一台箱式逆变房SG1000TS,一台容量1100kVA的箱式变压器,12台PVS-16M智能汇流箱<其中10台接满16路,2台接入8路,详见布局图。图14：单元布局示意图〔配比1.0：13.7.2单元布局设计〔配比1.1：1基于SG500MX集中型逆变器,本方案推荐系统按照交流输出1MW设计。组件推荐选择多晶硅265W组件,单支架组件采取横向4排11列排布,整个单元采用12排8列的布局,单元的实际容量为1,096,040W；道路为南北方向；箱式逆变房和箱变居中放置,共占用两个支架位置；系统配置一台箱式逆变房SG1000TS,一台容量1100kVA的箱式变压器,12台PVS-16M智能汇流箱〔12台汇流箱均接满16路。图15：单元布局示意图〔配比1.1：13.7.3单元布局设计〔配比1.2：1基于SG500MX集中型逆变器,本方案推荐系统按照交流输出1MW设计。组件推荐选择多晶硅265W组件,单支架组件采取横向4排11列排布,整个单元采用13排8列的布局,单元的实际容量为1,189,320W；道路为南北方向；箱式逆变房和箱变居中放置,共占用两个支架位置；系统配置一台箱式逆变房SG1000TS,一台容量1100kVA的箱式变压器。14台PVS-16M智能汇流箱<其中12台接满16路,2台接入8路,详见布局图。图16：单元布局示意图〔配比1.2：13.7.4单元参数设计表13：单元参数配比方案1.0：11.1：11.2：1单元容量1,002,760W1,096,040W1,189,320W单元排布方式11排8列12排8列13排8列单支架组件排列横向排布4×11横向排布4×11横向排布4×11维护道路走向南北南北南北组件规格多晶265W多晶265W多晶265W组件数量3,7844,1364,488组件串联数222222支架数量8694102逆变器及箱变占用支架数222逆变器型号箱式逆变房SG1000TS〔含两台SG500MX箱式逆变房SG1000TS〔含两台SG500MX箱式逆变房SG1000TS〔含两台SG500MX汇流箱型号PVS-16MPVS-16MPVS-16M汇流箱数量121214箱变容量1100kVA1100kVA1100kVA3.7.5单元三维布局及设计验证直观的设计效果：我司根据专用的3D光伏电站设计软件进行设计,可直观体验光伏电站支架布局、系统布局、设备安装和连接方式的设计效果。图17：单元三维布局效果图详细的阴影验证及遮挡分析：依据设计方案推荐的间距,可实时模拟阴影及遮挡情况,依据箱变的遮挡情况,确定箱变的最佳位置。以格尔木地区为例,组件采用4×11排布方式,以当地冬至日09:00至15:00不遮挡为设计原则,前后间距为5.6米,左右间距为0.5米,进行阴影验证,图18所示为冬至日09:00阴影示意图。图18：单元阴影验证自动生成系统详细清单：布局设计完成后,可自动统计出各类清单,如计算出各种规格的电缆用量,精确到每一节点之间的电缆长度等,清单示例如表14所示。表14：系统输出清单清单备注工程概况工程地点、容量、占地等设备清单设备型号、数量等电气结构汇流方式、电气连接以表格的形式导出电缆清单线缆信息,点对点的清单组件清单组件信息、排布方式组件坐标每一组件和支架的坐标清单3.7.6单元电气连接拓扑设计本方案针对大型地面并网电站,电气拓扑图如图19所示,8个支架〔16个组串汇入一台PVS-16M,6台PVS-16M汇入一台集中型逆变器〔SG500MX,两台集中型逆变器汇入一台变比为35kV/0.315kV、容量为1100kVA的双分裂箱式变压器,接入并网；对于10kV并网系统,则汇入10kV/0.315kV箱式变压器,接入电网。注：1.0:1配比方案：n=86,N=12；1.1:1配比方案：n=94,N=12；1.2:1配比方案：n=102,N=14；图19：单元电气拓扑图3.