家用平顶型分布式光伏发电系统设计课程设计.docx

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家用平顶型分布式光伏发电系统设计课程设计

《家用平顶型分布式光伏发电系统设计》

课程设计

第1章项目研究背景分析

1.1光伏系统概述

2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。

但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。

2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。

2010年，我国太阳能电池产量达到10GW，约占全球光伏电池产量的一半。

目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。

从当前光伏发电应用领域来看，现主要广泛应用于工业、农业、科技、国防及人们生活方面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。

当前太阳能光伏发电主要应用领域如下：

1.通信领域的应用。

主要包括无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。

2.公路、铁路、航运等交通领域的应用。

如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。

3.石油、海洋、气象领域的应用。

如石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备，观测站电源系统等。

4.农村和边远无电地区应用。

在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决日常生活用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发电功率大多在及瓦到几百瓦。

应用1～5kW的独立光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。

应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题。

另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等应用。

5.太阳能光伏照明方面的应用。

太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等：

还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。

1.2项目背景

2011年以来，国家发改委、国家能源局、国家财政部相继出台一系列支持、鼓励太阳能光伏发电的政策，这些优惠政策不仅对太阳能光伏发电企业补贴力度大，而且非常科学合理。

例如，家庭屋顶太阳能光伏发电站每生产一度电就可以获得国家0.42元的补贴，使得普通家庭建设太阳能光伏发电站的投资在短期内得到回收。

但相对于欧洲尤其是德国，我国的分布式光伏发电系统尚处于起步状态。

2012年底，中国首个居民用户分布式光伏电源在青岛实现并网发电，从申请安装到并网发电，整个过程用了18天就全部完成。

2013年7月2日，攀枝花学院2.1MW太阳能屋顶光伏发电项目建成投运，装机容量为2.1MW，总投资达3738万元，年发电量达261.01万kWh，每年可节约标煤886t，减少二氧化碳排放量1933.12t，减少二氧化硫排放量13.10t。

这些范例表明，公共服务领域建设分布式光伏电站具有很强的节能减排效应。

在政府大力鼓励发展分布式光伏发电的政策推动下，生态农业与光伏的结合正在建成一些成功的项目。

如：

上海市首家现代化养殖场光伏屋顶发电站在东乡县江西东华种畜禽有限公司竣工并正式投入运营，项目总投资为550万元，总容量为282.72kW。

项目采用光伏发电，自发自用，余量上网，能量循环，既能满足现代化养殖场的生产和生活用电，又可实现节能减排，还能余电并网带来可观利润。

2013年9月1日国内首个分布式光伏发电设备超市在浙江省台州市建成。

该超市面向潜力巨大的家用和商用屋顶光伏发电市场，为顾客提供产品体验、设备选型和方案设计等一站式购物服务，方便了分布式光伏发电站的普及建设。

第2章家用平顶型分布式光伏发电系统容量设计方法

2.1并网光伏发电系统结构

所谓并网光伏发电系统就是太阳能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。

并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分散式小型并网光伏系统。

集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。

但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大。

而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。

常见并网光伏发电系统一般有下列几种形式。

2.1.1有逆流并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统如图2.1所示。

当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网供电（卖电）；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由电网向负载供电（买电）。

由于向电网供电时与电网供电的方向相反，所以称为有逆流光伏发电系统。

图2.1有逆流并网光伏发电系统

2.2.2无逆流并网光伏发电系统

无逆流并网光伏发电系统如图2.2所示。

太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公；电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

图2.2无逆流并网光伏发电系统

2.2.3切换型并网光伏发电系统

切换型光伏并网发电系统如图2.3所示。

所谓切换型并网光伏发电系统，实际上是具有自动运行双向切换的功能。

一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电；二是当电网因为某种原因，然停电时，光伏系统可以自动切换使与电网分离，成为独立光伏发电系统工作状态。

有些切换型光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电，一般切换型并网光伏发电系统都带有储能装置。

图2.3切换型并网光伏发电系统

2.2家用平顶型分布式光伏发电系统容量分析

2.2.1地面并网光伏电站

地面并网光伏发电系统容量一般由光伏电站可建设面积来决定。

从光伏电站的转换效率、组件方阵最小间距、站区布局等角度出发，10MW地面固定倾斜安装方式的并网光伏电站约占地300亩～340亩土地。

（1）并网光伏电站发电分析

光伏方阵年发电量计算公式为：

式中光伏方阵面积不仅仅是指占地面积，也包括光伏建筑一体化并网发电系统占用的屋顶、外墙立面等。

组件转换效率，单晶硅组件取17%，多晶硅组件取15%。

其中K1为太阳能电池长期运行性能衰降修正系数，一般取0.8:

K2为灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正，一般取0.82;K3为线路损耗修正，一般取0.95;K4为逆变器效率，一般取0.85，也可根据逆变器生产商提供的技术参数确定；K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数。

表2-1太阳能电池组件朝向与倾斜角的修正系数

光伏组件朝向

太阳能电池组件方阵与地面的倾斜角

0°

30°

60°

90°

东

93%

90%

78%

55%

东南

93%

96%

88%

66%

南

93%

100%

91%

68%

西南

93%

96%

88%

66%

西

93%

90%

78%

55%

同一系统有不同方向和倾斜角的光伏方阵时，要根据各自条件分别计算发电量。

（2）并网光伏电站容量分析

对于并网光伏电站容量是指系统中组件功率总和。

在给定区域内，并网光伏电站的容量主要由电池组件有效面积决定，电池组件有效面积是指电池组件面的面积总和。

电池组件实际占地面积估算

电池组件有效面积与当地维度、组件间距、站址面积等参数相关。

例如位于新疆阿克苏市（80.3度，纬度为41.2度）10MW光伏电站电池组件间距如下图2-11所示。

图2-4组件间距

从上图中可知，组件倾斜角ω为41º，每行组件长度L为1590*2mm，其在地面的有效长度为

，可见组件在水平面的投影约占电站面积的36%，如果把组件实际面积投影到电站面积中，约占44.4%，即光伏电站站区面积的44.4%为电池组件的有效面积。

在光伏电站站区中，除了组件及组件间距面积还包含站区通道、配电房等占地面积。

所以光伏电站中电池组件的有效面积约占站区面积的0.35%左右，其值受纬度、倾斜角、组件方阵的跟踪方式而影响。

电站容量估算

从上分析来看，在给定站区面积情况下，并网光伏电站的装机容量可用下述表达式估算。

上式中，Szq为站区面积，ρ为有效面积系数（取0.35），Pz为单体组件功率，Szj为单体组件面积。

例如占地60亩土地的固定倾斜光伏电站，采用250W（1.63m2）的电池组件，则该电站可建容量为：

。

另外上述公式也可以从电池转换效率角度对光伏电站容量进行估算：

。

上式β为电池组件转换效率。

在上述案例中，电池组件功率250W，面积1.63m2，即表示该电池转换效率为15.33%。

带入公式后，

。

2.2.2屋顶分布式光伏电站容量设计

屋顶光伏电站属于分布式并网电站，一般都是在低压配电侧并网。

对电网公司来说其电源是不受控，配电侧并网电网公司对其不作为发电站来管理，不监测，不控制，但需要从总量上加以限制。

在日本，屋顶分布式光伏电站容量基本按不超过配电容量的20%；美国，一般不超过配电容量的15%；中国还没有文件明确规定比例要求，基本掌握不超过30%。

上述15%、20%或30%是按照负荷来计算的，主要是为了发出来的电要基本在配电侧全部用掉，而尽可能少发生逆流（用不掉而向高压侧反送电）。

例如，按照北京地区建筑设计配电要求，住宅：

21.7VA/㎡，办公、大型公建：

80～100VA/㎡，对于住宅和办公建筑的设备实际使用率大约为30%以上。

也就是说光伏发电系统容量＜30%配电容量，所发电量基本可全部自发自用。

第3章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能。

3.1并网逆变器的分类

3.1.1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。

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源电流型。

从输入看，逆变器分为电压型和电流型，电压源型逆变器是以电压源输入，在直流输入侧并联大电容，用电容作无功功率缓冲环节，使逆变器呈现低阻抗的电压源恃性。

而电流源型是指在直流侧串联一个大电感作为储能元件，逆变器呈现高阻抗的电流源特性。

目前大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式，这种方式系统的动态响应比电流型强。

从输出角度看，并网逆变器有两种：

分别是电压型逆变器和电流型逆变器。

电压型控制是以输出电压作为受控量，系统输出的电压信号与电网电压同频同相，此时逆变器就可看成一个受控电压源，其内阻很小；电流型控制的原理是将输出电感电流作为受控量，系统输出的电流信号与电网电压频同相，此时可以将整个系统看成一个内阻较大的受控电流源。

在这两种方式中，电流控制的输出量是电流，它的电流质量受到电网电压的影响较少，此时的逆变器呈高阻抗特性，可减少电网扰动对输出电流的影响，因此电流控制方式比电压控制方式更稳定。

3.1.2并网逆变器的功能

并网逆变器是连接太阳能电池板和电网的枢纽，一般具有以下功能：

（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度和太阳光照强度的变化而变化，并网逆变器能使光伏阵列尽量维持最大功率输出。

（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，分布式系统仍然对失压的部分线路供电，电力公司无法掌握电力情况，这就是孤岛运行，会给设备及维修人员带来安全隐患。

因此为保护设备和维修人员不受到伤害，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，能及时查出异常，控制逆变器停止运行。

3.2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力。

在光伏发电并网系统中，光伏发电系统并网控制的目的，就是要控制并网逆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压源，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

（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。

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，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。

第4章家用分布式光伏发电系统电气设备选型

4.1光伏组件选型

在上一章的太阳能电池组件或方阵的设计计算中，虽然根据用电量或计划发电量计算出了电池组件或整个方阵的总的容量和功率，确定了电池组件的串并联数量，但是还需要根据太阳能电池的具体安装位置来确定电池组件的形状及外型尺寸，以及整个方阵的整体排列等。

有些异型和特殊尺寸的电池组件还需要与生产厂商定制。

例如从尺寸和形状上讲，同一功率的电池组件可以做成长方形，也可以做成正方形或圆形、梯形等其他形状；从电池片的用料上讲，同一功率的电池组件可以是单晶硅或多晶硅组件，也可以是非晶硅组件等，这就需要我们来选择和确定。

电池组件的外形和尺寸确定后，才能进行组件的组合、固定和支架、基础等内容的设计。

附录2提供了太阳能光伏发电常用晶体硅电池组件规格尺寸和技术爹数等可供选型时参考。

4.2直流接线箱的选型

直流接线箱也叫直流配电箱，小型太阳能光伏发电系统一般不用直流接线箱，电池组件的输出线就直接接到了控制器的输入端子上。

直流接线箱主要是在中、大型太阳能光伏发电系统中，用于把太阳能电池组件方阵的多路输出电缆集中输入、分组连接，不仅使连线井然有序，而且便于分组检查、维护，当太阳能电池方阵局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作。

单路直流接线箱内部基本电路，图4.1所示的是多路直流接线箱的内部基本电路，它们由分路开关、主开关、避雷防雷器件、接线端子等构成，有些直流接线箱还把防反充二极管也放在其中。

图4.1单路输入直流接线箱内部电路图

直流接线箱一般由逆变器生产厂家或专业厂家生产并提供成型产品。

选用时主要考虑根据光伏方阵的输出路数、最大工作电流和最大输出功率等参数进行选择。

当没有成型产品提供或成品不符合系统要求时，就要根据实际需要自己设计制作了。

图4.2多路输入直流接线箱内部电路图

4.3光伏逆变器的选型

光伏逆变器选型时一般是根据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压，根据负载的类型确定逆变器的功率和相数，根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。

逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。

在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。

在离网（独立）光伏发电系统中，系统电压的选择应根据负载的要求而定。

负载电压要求越高系统电压也应尽量高，当系统中没有12V直流负载时，系统电压最好选择24V、48V或以上，这样可以使系统直流电路部分的电流变小。

系统电压越高，系统电流就越小，从而可以使系统损耗变小。

在并网光伏发电系统中，逆变器的输入电压是每块（每串）太阳能电池组件峰值输出电压或开路电压的整数倍（如17V、34V或2IV、42V等），并且在工作时，系统工作电压会随着太阳能辐射强度随时变化，因此并网型逆变器的输入直流电压有一定的输入范围。

表4.1为合肥阳光电源公司主产的SG5K逆变器产品的技术参数与规格尺寸。

表4.1合肥阳光电源离网（独立）型逆变器技术参数表

技术参数：

型号

SG5K

直流侧参数

最大直流电压

780Vdc

启动电压

320V

满载MPP电压范围

300V~650V

最低电压

300V

最大直流功率

5500Wp

最大输入电流

20A

推荐光伏阵列开路电压

600V

最大功率跟踪器路数/

每路跟踪器可接入组串数

1/4

交流侧参数

额定输出功率

5kW

最大交流输出电流

25A

额定电网电压

230Vac

允许电网电压

180~260Vac

额定电网频率

50/60Hz

允许电网频率

47~51.5Hz/57~61.5Hz

总电流波形畸变率

<3%（额定功率）

功率因素

≥0.99（额定功率）

系统

最大效率

94.5%（含变压器）

欧洲效率

93.6%（含变压器）

防护等级

IP65（室外）

夜间自耗电

0W

允许环境温度

-25~+60℃

冷却方式

风冷

允许相对湿度

0~95%，无冷凝

显示与通讯

显示

LCD

标准通讯方式

RS485

可选通讯方式

以太网/GPRS

机械参数

外形尺寸（宽x高x深）

410x580x283mm

净重

58.84kg

4.4直流输送电缆的选型

在太阳能光伏发电系统中低压直流输送部分使用的电缆，因为使用环境和技术要求的不同，对不同部件的连接有不同的要求，总体要考虑的因素有：

电缆的绝缘性能、耐热阻燃性能、电缆的防潮，防光、电缆的敷设方式、电缆芯的类型（铜芯，铝芯）、电缆的大小规格等。

光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。

以下分别列出不同连接部分的技术要求：

（l）组件与组件之间的连接电缆，一般使用组件接线盒附带的连按电缆直接连接，长度不够时还可以使用专用延长电缆如图8-6所示。

依据组件功率大小的不同，该类连接电缆有截面积为2.5mm2、4.0mm2、6.0mm2等的三种规格。

这类连接电缆使用双层绝缘外皮，如图8-7所示，具有优越的防紫外线、水、臭氧、酸、盐的侵蚀能力，优越的全天候能力和耐磨损能力。

（2）蓄电池与逆变器之间的连接电缆，要求使用通过UL测试的多股软线，尽量就近连接。

选择短而粗的电缆可使系统减小损耗，提高效率，增强可靠性。

（3）电池方阵与控制器或直流接线箱之间的连接电缆，也要求使用通过UL测试的多股软线，截面积规格根据方阵输出最大电流而定。

图8-6组件延长电缆使用示例示意图

图8-7光伏组件连接电缆器

电缆大小规格设计，必须遵循以下原则：

蓄电池到室内设备的短距离直流连接，选取电缆的额定电流为计算电缆连续电流的1.25倍；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；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；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；考虑温度对电缆的性能的影响；考虑电压降不要超过2％。

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。

完整的计算公式为：

线损=电流×电路总线长×线缆电压因子

式中线缆电压因子可由电缆制造商处获得。

4.5监控测量系统与软件的选型

太阳能光伏发电中的监控测量系统是各相关企业针对太阳能光伏发电系统开发的软件平台，一般可配合逆变器系统对系统进行实时监视记录和控制，系统故障记录与报警以及各种参数的设置，还可通过网络进行远程监控和数据传输。

监控测量系统运行界面一般可以显示：

当前发电功率、日发电量累计、月发电量累计、年发电量累计、总发电量累计、累计减少C02排放量等相关参数，如图8-8所示。

逆变器各种运行数据提供RS485接口与监控测量系统主机连接。

监控测量系统一般用在中大型光伏发电系统中，可根据光伏发电系统的重要性和投资预算等因素考虑选用。

图8-8光伏发电监控测量系统显示界面

结论

通过阅读了大量国内外关于分布式光伏发电并网系统的文献资料，结合国家对分布式的鼓励政策，在学校理工南楼的分布式光伏发电系统。

本论文所做的工作主要有：

1.通过对分布式光伏发电系统的工作原理和结构的了解，设计安装小型光伏发电系统，并成功并网，已安全运行，并对其进行了推广。

2.根据选用的光伏板的参数，分析它的输出特性曲线，得到最大功率点跟踪；依据选用的逆变器的主电路，进行参数的选取和仿真验证，并对DC/AC逆变电路的电流控制策略进行对比分析，得出准PR控制的输出电流波形更符合电网的质量要求。

3.光伏发电技术涉及电力电子、电子科技、控制理论等众多学科，而本次设计不仅是针对山东成武地区的并网光伏发电的实际应用开展的设计及研究，对其他学科领域的探讨没有涉及更深层次；并网光伏发电系统的高效运转不仅仅受设计和运行过程的制约，还受前期发电站位置的选择及设备出厂、安装质量等制约；并且并网系统是光伏发电系统中的一种，在我国西部等无电地区更适合开展离网型发电系统。

这都是有待今后的学习研究过程中进一步加强。