100KW屋顶光伏发电系统设计光伏发电技术课程设计.docx

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100KW屋顶光伏发电系统设计光伏发电技术课程设计

《100KW屋顶光伏发电系统设计》

（光伏发电技术课程设计）

第1章光伏发电系统概述

1.1光伏发电系统概述

光伏发电系统按大类可分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

其中，离网光伏发电系统容量主要由负载用电情况决定；并网光伏电站容量主要由系统占地面积、纬度、跟踪方式等因素决定。

并网光伏发电系统，可分为用户侧并网和发电侧并网两类。

前者并网点一般在低压侧（380/220V）或中压侧（10kV、35kV），以自发自用为主；通常是可逆流并网光伏系统，也有些系统要求设置逆功率保护（即不可逆流并网光伏系统）。

大型集中式并网光伏电站用户侧并网和发电侧并网两类都有，10MWp级及其以上功率的多为发电侧并网，采用“不可逆流”并网方式，电流是单向的，不是自发自用和“净电表计量”，只能给出上网电价。

通常接入35kV、110kV或220kV高压输出电能，其输出特性是跟随电网频率和电压变化的电流源，功率因数为1，不提供无功功率。

1.2光伏发电系统特点

太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。

因此，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点有以下几点。

1.太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。

而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

2.太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。

3.光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能、机械能辖换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。

根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力巨大。

4.光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。

5.光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。

光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

6.光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。

一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

7.光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上）。

晶体硅太阳能电池寿命可长达20～35年。

在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

8.太阳能电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。

光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

1.3屋顶光伏发电系统分类

按光伏系统是否接人公共电网分，可分为并网光伏系统和离网光伏系统。

按光伏系统是否具有储能装置分，分为带有储能装置的系统和不带储能装置的系统。

按光伏系统其太阳电池组件的封装形式分，分为建材型光伏系统、构件型光伏系统、安装型光伏系统。

通常所说光伏与建筑一体化（buildingintegratedphotovoltaic，BIPV），是指光伏系统与建筑物功能及外观协调、有机结合，其中也包括BAPV。

第二章屋顶光伏系统部件选择方案

屋顶分布式光伏发电系统一般由光伏方阵、光伏接线箱、逆变器（限于包括交流线路系统）、蓄电池及其充电控制装置（限于带有储能装置系统）、电能表和显示电能相关参数的仪表组成。

光伏系统中各部件的性能应满足国家或行业标准的相关要求，并应获得相关认证。

2.1光伏阵列选型

（1）屋顶分布式光伏发电系统光伏阵列应根据新建建筑或既有建筑的使用功能、电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定光伏系统为建材型、构件型或安装型。

（2）根据建筑设计及其电力负荷确定光伏组件的类型、规格、安装位置和可安装场地面积,使光伏组件规格与现有安装面积达到最优配对。

（3）根据尽量采用最佳倾角且便于清除灰尘、保证组件通风良好的原则确定光伏组件的安装方式。

（4）根据逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数，确定光伏组件的串联数（或称光伏组件串或组串）。

（5）根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件申的并联数。

（6）同一组串及同一子阵内，组件电性能参数宜尽可能一致，其中最大输出功率Pm、最大工作电流Im的离散性应小于±3%。

（7）建材型光伏系统和构件型光伏系统在建筑设计时，就需要统筹考虑电气线路的安装布置，同时要保证每一块建材型光伏组件和构件型光伏组件金属外框的可靠接地。

2.2光伏接线箱（汇流箱）选配

（1）光伏接线箱内应设置汇流铜母排或端子。

（2）每一个光伏组件串应分别由线缆引至汇流母排，在母排前分别设置直流分开关，并设置直流主开关。

（3）光伏接线箱内应设置防雷保护装置。

（4）光伏接线箱的设置位置应便于操作和检修，宜选择室内干燥的场所。

设置在室外的光伏接线箱应具有防水、防腐措施，其防护等级应为IP65或以上。

2.3逆变器选配

（1）独立光伏系统逆变器的总额定容量应根据交流侧负荷最大功率及负荷性质选择。

（2）并网光伏系统逆变器的总额定容量应根据光伏系统装机容量确定；并网逆变器的数量应根据光伏系统装机容量及单台并网逆变器额定容量确定。

并网逆变器的选择还应遵循以下原则。

并网逆变器应具备自动运行和停止功能、最大功率跟踪控制功能和防止孤岛效应功能。

不带工频隔离变压器的并网逆变器应具备直流检测功能。

无隔离变压器的并冈逆变器应具备直流接地检测功能。

具有并网保护装置，与电力系统具备相同的电压、相数、相位、谐波、频率及接线方式。

应满足高效、节能、环保的要求。

不同种类的电池输出功率不同；同种电池，安装在建筑不同位置的阵列，由于受光不同，输出功率也不同。

所以建筑各面接收到的太阳辐射不同，电池板产生电流不同，故有不同的发电效率。

因此选配逆变器时一定要根据这些特点选配，即相同电池板、相同串并联连接、安装在同一建筑面，选择一台功率相配的逆变器。

在屋顶分布式光伏电站在逆变器选配时，为了安全，尽量选带隔离变压器的逆变器；如是小功率逆变器（5kW以下）可选用带高频隔离变压器的逆变器，因为逆变器具有的MPPT功能，为了得到最大发电效率，按不同电池板、不同建筑面安装分别配置逆变器；如财力允许，可选择模块化结构、具有分模块进入退出控制功能的逆变器。

例如，在河北汉盛办公楼，屋顶安装21.6kWp，南立面19kWp，西立面9.5kWp，逆变器不能配1台50kW的，而是屋顶和南立面各配1台20kW，西立面配1台10kW。

2.4直流线路选配

（1）耐压等级应高于光伏方阵电压的1.25倍。

（2）额定载流量应高于短路保护电器整定值，短路保护电器整定值应高于光伏方阵的标称短路电流的1.25倍。

（3）满发状态下，线路电压损失应控制在3%以内。

5.光伏系统防雷和接地保护应符合以下要求。

（1）光伏系统防直击雷和防雷击电磁脉冲的措施应严格遵守《建筑物防雷设计规范》（GB50057）的相关规定。

（2）光伏系统和并网接口设备的防雷和接地措施应符合《光伏（PV）发电系统过电压保护——导则》（SJ/T11127）的相关规定。

6.建材型光伏系统应遵循以下原则。

第三章屋顶分布式光伏系统安全设计

3.1BIPV安全设计

3.1.1结构安全

屋顶分布式光伏电站除电气设计外，结构设计也是很重要的部分，主要包括两方面：

（1）建筑主体的安全性

光伏组件无论是安装在屋顶还是立面，对原建筑来说都是增加的荷载。

如是新建建筑，可在设计时直接把增加的荷载考虑进去。

如在已有建筑上安装光伏系统，一定要与原建筑设计单位沟通，对增加荷载的部分进行荷载计算验证，以确保建筑结构的安全。

（2）光伏系统结构的安全性

光伏组件有普通型、构件型、建材型，安装形式有附加型、一体化型，如作为幕墙、雨棚、遮阳棚、透光屋顶等。

如果是附加型，要保证支架本身的抗风荷载、雪荷载等性能及与建筑结合部的结构性能，如果是一体化型，则要完全符合建筑的要求，如光伏幕墙，除具有发电功能外要符合建筑的气密性、水密性能、保温性能，抗风性能等。

3.2.2附加型屋顶结构设计

在德国建筑光伏占90%的比例中，其中附加型光伏系统占89%。

所以附加型屋顶结构设计非常重要。

钢筋混凝土框架结构或砖混结构的屋顶一般可有2种形式附加：

（1）不破坏屋面防水，用压重增加支架稳定性方式：

通过荷载计算在框架柱顶部位加适当重量的水泥墩，既作为太阳电池板支架支撑，又作为支架抗风荷载等稳定性的压重，框架柱之间可加小块水泥墩作为支架支撑，所压重量经计算达到抗倾覆、抗平移、抗掀翻等，保证光伏系统支架的稳定性。

如图6-4（a）所示。

这种方式的优点是不破坏原屋面的所有保温防水，但对屋面的承载要求较高。

（2）在屋面采用植筋方式：

当屋面承重不允许加到保证支架稳定性增加的压重时可采用这种方式，太阳电池方阵支架支撑与屋面结构连接，将承载的重量直接传递到建筑主体结构。

这样做对屋面的承载要求不太高，但一定要把植筋时破坏屋面的防水保温等做好，以避免引起房屋漏水。

如图3.1（b）所示。

不管选择哪种方式，以保证建筑结构安全为原则。

（a）压重方（b）植筋方式

图3.1附加型屋顶结构

大型共建如火车站、厂房等多采用轻钢排架结构，彩钢板屋顶，承重能力较混凝土框架结构要差。

如是新建建筑，可在设计时直接把增加的荷载考虑进去；如是已建建筑，原设计活荷载不够大，则需做檩条等加固。

屋顶支架连接尽量采用夹具方式，尽量不破坏防水保温，如图3.2所示。

图3.2夹具方式

3.2屋顶光伏发电系统组件类型

在BIPV设计与安装中使用建材型光伏组件、构件型光伏组件、安装型光伏组件3种不同的光伏组件,如下图3.3所示。

（a）建材型光伏组件（b）构件型光伏组件（c）安装型光伏组件

图3.3BIPV电池组件

（1）建材型光伏组件（materialphotovoltaicmodule）

将太阳电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等。

（2）构件型光伏组件（elementalphotovoltaicmodule）

与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏组件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件、栏板构件等。

（3）安装型光伏组件（buildingattachedphotovoltaicmodule）

在屋顶或墙面上架空安装的光伏组件，与地面安装的组件几乎一样。

光伏与建筑结合可分为如下一些形式：

采用普通太阳电池组件，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上；

采用特殊的太阳电池组件，作为建筑材料安装在倾斜屋顶上；

采用普通太阳电池组件，安装在平屋顶原来的建筑材料之上；

采用特殊太阳电池组件，作为建筑材料安装在平屋顶上；

采用普通或特殊太阳电池组件，作为幕墙安装在南立面上；

采用特殊的太阳电池组件，作为建筑幕墙安装在南立面上；

采用特殊的太阳电池组件，作为天窗材料安装在天窗上；

采用普通或特殊的太阳电池组件，作为遮阳板安装在建筑物上。

第四章100KW屋顶光伏系统设计与配置

4.1整体设计方案

针对100kWp的太阳能光伏并网发电系统项目，建议采用分块发电、集中并网方案，将系统分成2个50kW的并网发电单元，每个50kW的并网发电单元都接入0.4KV低压配电柜，汇总经过总断路器，最终实现整个并网发电系统并入0.4KV低压交流电网。

4.1.1光伏阵列方案

本方案采用250WP（30.23V）多晶太阳能光伏组件，100kWP共需400块，实际装机容量100kW。

250Wp组件开路电压为36.2V左右，工作电压为30.23V。

光伏阵列分2个主方阵，每个主方阵容量50KW，共200块组件。

20块为一个子串列，共10串。

4.1.2光伏逆变器及并网方案

整个系统分成2个50kW的并网发电单元，选用2台50kW逆变器。

每台逆变器的交流输出接入交流并网配电柜，经交流断路器接入0.4kV侧，并配有发电计量表。

交流配电柜装有交流电网电压表和输出电流表，可以直观地显示电网侧电压及发电电流。

4.1.3监控装置

本系统配置1套无线远程监控装置

本系统主要由太阳能电池组件、光伏阵列防雷汇流箱、光伏并网逆变器和交流配电柜组成。

4.2设计计算及设备选型

4.2.1并网逆变器设计

此次光伏并网发电系统设计为2个50KW并网发电单元，每个50KW并网发电单元配置1台型号为SG50K3并网逆变器，整个系统配置2台SG50K3并网逆变器，组成100KWWp并网发电系统。

SG50K3由阳光电源股份有限公司生产。

图4.1逆变器

4.2.2光伏阵列设计

目前在光伏并网系统中，普遍选用具有较大功率的太阳能电池组件，本系统可选用单块250Wp多晶硅太阳能电池组件，其工作电压为30.23V，开路电压约为36V。

当然，也可选用其它类型的太阳能电池组件。

SG50K3并网逆变器的直流工作电压范围为：

300Vdc～950Vdc，最大开路电压1000V。

经过计算:

300V/30.23V=9.9,

950V/36V=26.3,得出：

每个光伏阵列可采用10-26块电池组件串联。

本方案选20个电池组件串联。

每个光伏阵列的峰值工作电压：

20×30.23=604V，开路电压：

720V，满足逆变器的工作电压范围。

对于每个50KW并网发电单元，需要配置200块250Wp电池组件，组成2个光伏阵列。

整个100KWp并网系统需配置400块250Wp电池组件。

每个主方阵容量50KW，共200块组件。

20块为一个子串列，共10串。

一个主方阵太阳电池组件布置为10个1*20子阵列.

图4.2光伏阵列

4.2.3光伏阵列汇流箱

SPV-8光伏阵列汇流箱由湖北通益电气有限公司研制，主要特点如下：

1.大大简化了系统布线和不必要的损耗；

2.最大可接入8路光伏串列，单路最大电流16A；

3.宽直流电压输入，光伏阵列最高输入电压可达1000VDC；

4.光伏专用保险丝；

5.光伏专用高压防雷器；

6.满足室内、室外安装要求；

7.可实现多台机器并联运行；

8.维护简易、快捷；

9.远程监控（选配）；

10.防护等级IP65；

图4.3光伏汇流箱

4.2.4交流配电柜

简化系统布线,操作简单、维护方便，提高系统可靠性、安全性，选用国际知名厂家的器件。

交流配电柜的性能特点如下：

交流配电柜主要满足交流配电，方便逆变器交流接入的汇流；

交流配电柜输入输出配置交流断路器，方便维护和操作；

交流输出母线配置电度表，实现对并网发电系统的计量；

交流输出母线安装交流防雷器，防止感应雷对设备造成损坏；

交流配电柜可根据系统实际要求定制，交流输出母线可根据系统需要进行分段，原理框图如下：

图4.4交流配电柜

在本方案中有2个交流配电单元。

4.3系统接入电网设计

本方案采用的SG50K3并网逆变器适合于直接并入三相低压交流电网（AC380V/50Hz）。

系统配置2台SG50K3并网逆变器的交流输出直接接入交流配电柜的0.4KV开关柜，经交流低压母线汇流后接入低压开关柜，并入0.4KV低压交流电网，从而最终实现系统的并网发电功能。

4.4系统监控装置

采用高性能无线传输模块，配置光伏并网系统多机版监控软件，采用GPRS无线通讯方式，连续每天24小时不间断对所有并网逆变器的运行状态和数据进行监测。

（1）光伏并网系统的监测软件可连续记录运行数据和故障数据如下：

实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图。

可查看每台逆变器的运行参数，主要包括：

A、直流电压;B、直流电流;C、直流功率;D、交流电压;E、交流电流;F、逆变器机内温度;G、时钟;H、频率;J、当前发电功率;K、日发电量;L、累计发电量;M、累计CO2减排量;N、每天发电功率曲线图：

监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少包括以下内容：

A、电网电压过高；B、电网电压过低；C、电网频率过高；D、电网频率过低；E、直流电压过高；F、逆变器过载；G、逆变器过热；H、逆变器短路；I、散热器过热；J、逆变器孤岛；K、DSP故障；L、通讯失败；

（2）监控装置可每隔5分钟存储一次电站所有运行数据，可连续存储5年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。

（3）可提供中文和英文两种语言版本。

（4）可长期24小时不间断运行在中文XP操作系统。

（5）监控主机同时提供对外的数据接口，即用户可以通过网络方式，异地实时查看整个电源系统的实时运行数据以及历史数据和故障数据。

4.5系统防雷接地装置

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。

系统的防雷接地装置措施有多种方法，主要有以下几个方面供参考：

（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖1～2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用10mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。

（2）直流侧防雷措施：

电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。

（3）交流侧防雷措施：

每台逆变器的交流输出经0.4KV开关柜接入电网，10KV变电站应配置防雷装置，有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，且所有的机柜要有良好的接地。

图4.5防雷接地示意图