分布式太阳能光伏发电系统546kwp推广分析设计方案本科学位论文.docx

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分布式太阳能光伏发电系统546kwp推广分析设计方案本科学位论文

分布式太阳能光伏发电系统（546kwp）

设

计

方

案

xxxx新能源有限公司

2016年5月

第一章公司简介------------------------------------------------------------------------------3

第二章太阳能发电原理及特点-----------------------------------------------------------9

1．1太阳能电池--------------------------------------------------------------------------10

1．2太阳能系统特点-------------------------------------------------------------------11

1．3并网太阳能系统发电方式------------------------------------------------------12

第三章项目概况及设计说明--------------------------------------------------------------12

2．1项目概况-----------------------------------------------------------------------------12

2．2设计依据-----------------------------------------------------------------------------13

2．3设计说明-----------------------------------------------------------------------------13

2．4设计原则-----------------------------------------------------------------------------13

第四章工程初步设计方案------------------------------------------------------------------14

3．1系统构成-----------------------------------------------------------------------------15

3．2自然条件-----------------------------------------------------------------------------16

3．3太阳能电池阵列设计-------------------------------------------------------------17

3．4方阵支架基础设计----------------------------------------------------------------18

3．5电站防雷和接地设计-------------------------------------------------------------19

3．6光伏并网逆变器--------------------------------------------------------------------20

3．7发电计量系统配置方案----------------------------------------------------------21

3.8数据采集方案---------------------------------------------------------------------24

第五章电气系统安全性设计---------------------------------------------------------------25

4.1防逆流装置设计---------------------------------------------------------------------25

4.2防孤岛效应设计---------------------------------------------------------------------25

第六章电气系统构成选型设计------------------------------------------------------------26

5．1逆变器的选型-----------------------------------------------------------------------26

5．2并网发电系统线缆的选型设计------------------------------------------------26

第七章光伏并网系统主要部件简绍-----------------------------------------------------26

第八章项目可行性分析---------------------------------------------------------------------34

第九章项目建设流程-------------------------------------------------------------------------35

第1章公司简介

xxxx新能源有限公司位于xx市高新技术产业开发区。

主要从事经营：

太阳能发电技术研发、家庭分布式光伏发电系统安装，BIPV建筑一体化工程，离网光伏发电储能系统，太阳能电池、太阳能光伏照明系统。

是一家符合国家产业政策，属国家鼓励类产业项目的高科技公司。

公司的主要产品包括非晶硅电池组件、单晶硅电池组件、多晶硅电池组件。

离并网逆变器，控制器，汇流箱，电站监控系统，路灯控制器，风光互补发电系统，光伏支架。

太阳能路灯，风光互补路灯，太阳能庭院灯，太阳能草坪灯，太阳能手电筒等小电器。

公司正在进行的“分布式光伏并网发电”项目是为适应国家新能源政策的发展，解决能源再利用，提高国家在新的节能环保领域利用，促进山东太阳能产业的快速、稳定的发展。

公司近期承建的部分项目：

xx峡山生态开发区中百佳乐家500千瓦项目

、

山东海龙集团xx安丘博莱特化纤有限公司1.5兆瓦项目：

xx峡山生态发展区岞山大华木业270千瓦：

第二章太阳能发电原理及特点

1.1太阳能电池

太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。

当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。

太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内部产生电子—空穴对，电子带负电，空穴带正电。

在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴被分离，产生定向运动，并被太阳能电池的正、负极收集，在外电路中产生电流，从而获得电能。

1.2太阳能系统特点

①简单方便、安全可靠、无噪音、无空气污染、不破坏生态、能量随处可得、无需消耗燃料、无机械转动部件、维护简便、使用寿命长、建设周期短、规模大小随意、可以无人值守、也无需架设输电线路。

②系统中的太阳能电池组件，使用寿命长具备良好的耐候性，防风，防雹。

有效抵御湿气和盐雾腐蚀，不受地理环境影响。

具有稳定的光电转换效率，且转换效率高。

并保障系统在恶劣的自然环境中能够长期可靠运行。

③太阳能组件方阵支架都有一定的倾斜角度，该角度和方阵所处的地理纬度和位置有关。

1.3并网太阳能系统发电方式

太阳能并网发电示意图：

太阳能组件通过合适的串并联，满足并网逆变器要求的直流输入电压和电流。

每块组件接线盒都配有旁路二极管，防止“热斑效应”，将组件由于部分被遮荫或电池片故障而导致的失效对系统效率的危害降到最低。

同时，太阳能方阵的直流汇流箱内设置防反二极管，以防止各并联组件串之间形成回路，造成能源浪费和缩减组件的寿命。

并网逆变器采用双环控制系统，实时检测电网状态，取得电网电压、电流、频率、相位等关键变量，通过计算分析，使输出电力与电网同步运行。

且在运行期间，并网逆变器按工频周期检测电网状态，一旦电网异常如突然停电，压降幅度超标，并网逆变器立即触发内部电子开关，实现瞬时与电网断开。

同时，并网逆变器不断检测电网状态，一旦其恢复正常并通过并网逆变器的计算分析，并网逆变器将重新并网。

总之，作为并网系统的控制核心和直流变交流的枢纽，并网逆变器高度的自动化和精密的检测控制功能从根本上保证了系统并网的安全性和可靠性。

太阳能组件边框及其支撑结构均与建筑现有的接地系统连接，并网逆变器开关柜等设备外壳接地，防止直击雷及触电危险。

另外，直流和交流回路中均设有防雷模块，防止感应雷击波伤害。

系统配有完善的通讯监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485或以太网或GPRS传输直控制中心，实现远程监控；同时如将同一地区多个并网电站的信息传输直同一控制中心，可方便区域的电网调度管理。

并网系统可作为一种补充性能源，而不能作为后备或主要电力；这是因为其发电量相对安装场所的用电量而言，一般比重不超过20%，而且由于其“孤岛保护”功能，即电网停电时，并网逆变器要与电网断开，以防止太阳能系统所发电力在电网停电检修时引发安全事故。

切忌不可按照并网系统的发电量而将并网系统与特定的负载挂钩，即将并网系统与特定负载实现一对一供电和用电。

这是因为并网系统的发电量依赖于系统的装机容量和天气条件（主要是光照和气温），其有效输出不是恒定的而是随机波动的；另一方面，负载的耗电量也会随负载特性（功耗的大小变化，如待机和工作时功耗明显不同）、负载投入使用的频次、使用时间而随机变化，因此如将并网系统和特定负载挂钩，将很难在不同时点上实现供需平衡。

理想的做法是将并网系统的输出直接连接在当地供电母排上，实现系统即发即用，就近使用，不足部分可从电网索取补充。

第三章项目概况及设计说明

2.1、项目概况

本项目计划在xx市符山供水厂建设大型的建筑一体化并网光伏电站，该厂区有380V市电供电，与光伏发电互为备用。

主要用电负荷为工厂设备用电和日常生活用电。

系统总装机容量达到546千瓦，预计项目总投资为453.18万元。

本项目拟建并网光伏电站。

出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑，采用固定式太阳能电池方阵，暂不考虑采用跟踪系统。

该项目可利用场地是：

1、办公及车间等屋顶。

共约7100平方米。

2、2.2设计依据

《中华人民共和国可再生能源法》

IEC62093《光伏系统中的系统平衡部件-设计鉴定》

IEC60904-1《光伏器件第一部分:

光伏电流-电压特性的测量》

IEC60904-2《光伏器件第二部分:

标准太阳电池的要求》

DB37/T729-2007《光伏电站技术条件》

SJ/T11127-1997《光伏（PV）发电系统过电保护－导则》

CECS84-96《太阳光伏电源系统安装工程设计规范》

CECS85-96《太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范》

GB2297-89《太阳光伏能源系统术语》

GB4064-1984《电气设备安全设计导则》

GB3859.2-1993《半导体逆变器应用导则》

GB/T14007-92《陆地用太阳电池组件总规范》

GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》

GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》

GB/T18210-2000《晶体硅光伏方阵I-V特性的现

2.3设计说明

本项目拟建并网光伏电站，系统没有储能装置，太阳电池将日光转换成直流电，通过逆变器变换成400V交流电，供本场低压配电网，当电网发生故障或本场由于检修临时停电时，光伏电站也会自动停机不发电；当电网恢复后，光伏电站会检测到电网的恢复，而自动恢复并网发电。

2.4设计原则

并网光伏电站，采用分块发电、集中并网方案。

第四章、工程初步设计方案

3.1系统构成

图2-1

光伏并网发电系统由太阳电池组件、方阵防雷接线箱、光伏并网逆变器、配电保护系统、和系统的通讯监控装置组成。

多晶硅太阳能电池组件及其支架采用260Wp多晶硅组件；

方阵防雷接线箱—设计采用带组串监控的智能汇流箱（室外方阵场）；

光伏并网逆变器—设计采用带工频隔离变压器的20kW光伏并网逆变器；

系统的通讯监控装置—设计采用光伏电站综合监控系统。

3.2自然条件（项目所在地区数据）

（1）基本风压W0=0.45kN/m2

（2）基本雪压S0=0.4kN/m2

（3）设计基本地震加速度值为0.20g。

3.2.1抗震设防

（1）根据《中国地震烈度区划图》xx市基本烈度8度。

（2）根据周边已建项目的地质勘察情况，本项目所在区域地貌单一，地层岩性均一且层位稳定，对基础无任何不良影响。

（3）抗震设施方案的选择原则及要求：

建筑的平、立面布置宜规划对称、建筑的质量分布和刚度变化均匀，建筑的抗震缝按建筑结构的实际需要设置，结构设计中根据地基土质和结构特点采取抗震措施，增加上部结构及基础的整体刚度，改善其抗震性能，提高整个结构的抗震性。

3.2.2荷载确定原则

在作用于光伏组件上的各种荷载中，主要有风、雪荷载、地震作用、结构自重和由环境温度变化引起的作用效应等等，其中风荷载引起的效应最大。

在节点设计中通过预留一定的间隙，消除了由各种构件和饰面材料热胀冷缩引起的作用效应。

在进行构件、连接件和预埋件承载力计算时，必须考虑各种荷载和作用效应的分项系数，即采用其设计值。

①风荷载

根据规范，作用于倾斜组件表面上的风荷载标准值，按下列公式（1.1）计算：

Wk=βgz.μs.μz.W0

式中:

−Wk风荷载标准值（kN/m2）；

−βgz高度z处的阵风系数；标高20米位置取值1.69.

−μs风荷载体型系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取值。

取值为1.3。

−μz风压高度变化系数；取值1.25.

−Wo基本风压（kN/m2）。

北京地区基本风压取值0.45KN/M2,按规范要求，进行构件、连接件和锚固件承载力计算时，风荷载分项系数应取γw=1.4，即风荷载设计值为：

w=γwwk=1.4wk

该项目取值为1.73kN/m2

②雪荷载

屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应下式计算：

Sk=μrSo

式中，−Sk雪荷载标准值（kN/m2）；

−μr屋面积雪分布系数；根据规范取值0.6；

基本雪压So（kN/m2）；依山东地区50年一遇最大雪荷载查规范取值0.4kN/m2；

则该项目最大雪荷载参考值为0.24kN/m2.

③结构自重

太阳能组件：

Q1=0.16×3=0.48kN

Q2=0.04×4.4=0.18kN

共计0.66kN

即太阳能组件自重为0.66/（1.3×3）=0.17kN/M2

钢结构自重：

0.1kN/M2

屋面支架系统结构自重为0.27kN/M2

按规范要求，结构自重的分项系数取γG=1.2。

即屋顶支架系统总结构自重计算为0.32kN/M2

水泥预制屋顶完全可以达到载荷的要求。

④荷载组合

按规范要求对作用于组件同一方向上的各种荷载应作最不利组合。

太阳能支架系统倾斜平面上的组件，其平面外的荷载最不利荷载组合风载、雪载、结构自重合计为：

0.6×1.73+0.24+0.32=1.6kN/M2，

满足本建筑物楼顶对载荷的要求。

太阳能组件综合载荷为0.7kN/M2亦满足屋顶对载荷的要求。

3.3太阳电池阵列设计

3.3．1、太阳电池组件选型

目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。

1多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为17.8%，是转换效率较高的。

本方案设计采用260Wp多晶硅太阳电池组件，见图2-2。

图2-2太阳电池组件

组件电气性能参数

多晶硅太阳电池组件技术参数

型号

标准功率

pm

开路电压

voc

最佳工作电压

vm

短路电流

Isc

S-260C

260W

35.62V

31.38V

8.53A

规格

重量

组件尺寸

最佳工作电流

im

安装孔数

多晶

23Kg

1640×992×46

7.96A

10-φ9腰圆孔

注：

标准测试条件（STC）下—AM1.5、1000W/m2的辐照度、25℃的电池温度。

②I-V曲线图

如图2.2.4I-V曲线图所示。

图2.2.2I-V曲线图

3.3.2、光伏阵列表面倾斜度设计

从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

Rβ＝S×[sin（α+β）/sinα]+D

式中：

Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量

S——水平面上太阳直接辐射量

D——散射辐射量

α——中午时分的太阳高度角

β——光伏阵列倾角

根据山东气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。

本方案假设设计太阳能光伏阵列安装倾角为33°时，全年接受到的太阳能辐射能量最大。

考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，因此本项目设计采用固定的光伏方阵。

3.3.3电池组件固定式支架间距测算

当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高大建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或前排方阵的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。

一般确定原则：

冬至当天9:

00～15:

00太阳电池方阵不应被遮挡。

本案光伏方阵预留足够空间，不会遮挡。

3.3.4现场总布置

3.3.5.光伏方阵电气设计

太阳能光伏系统依其组件性质单独电气设计，多晶硅太阳能发电系统。

系统经由系统内并网逆变器将太阳能直流电转换为交流电，并入建筑物内低压电网,供建筑负载使用，在配电室低压进线总开关内层安装防逆流装置，避免电流送入外部高压电网。

3.3.5.1系统直流侧最高工作电压

在光伏并网发电系统中，系统直流侧的最高工作电压主要取决于逆变器直流侧最高电压，以及在直流回路中直流断路器额定工作电压。

但设备的工作电压与设备所处的工作环境和海拔高度有关，室外温湿度，根据GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》、GB/T16935《低压系统内设备的绝缘配合》及直流开关、并网逆变器的资料，电站现场设备的绝缘水平应与正常使用条件基本相当。

直流最大输入电压为900V。

3.3.5.2组件串联方式设计

在组件串联方式设计中，计算组件串联数量时，必须根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的开路电压温度系数。

采用20块串联。

串联后的电压为：

20×31.6V=632V

直流632V更加也便于方阵排列和走线，并且满足并网逆变器电压需求。

3.4电站防雷和接地设计

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。

（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，选择楼体附近土层较厚、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35mm2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逆变器，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：

逆变器的交流输出（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏。

3.5光伏并网逆变器

本方案设计采用光伏并网逆变器，额定功率为20kW，均含有隔离并网变压器，实现电气隔离。

逆变器的核心控制采用基于SVPWM的无冲击同步并网技术，具备极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地故障保护等，保证系统输出与电网同频、同相和同幅值。

①性能特点

●无变压器设计 

●整机效率>98%

●先进的最大功率点跟踪技术（MPPT）

●MPPT效率>99%

●宽电压输入范围

●完善的保护功能，系统的可靠性更高

●安装、操作简便

2技术指标

型号

BNSG20KTL

最大直流输入功率

20KWp

最大直流输入电压

900Vdc

最大功率点跟踪（MPPT）范围@最佳工作点电压

350Vdc～820Vdc@560Vdc

推荐光伏组件电压@串数

35V左右@16串

 最多输入路数

  4路    

最大输入电流

   350.3A    

额定交流输出功率

20KW

最大交流输出功率

22KW

电流谐波THDi

<3%（额定功率时）

功率因数

>0.99

最大效率

98%

欧洲效率

97.2%

允许电网电压范围

310Vac～450Vac

允许电网频率范围

47.5Hz～51.5Hz

夜间自耗电

<100W

自动投运条件

直流输入及电网满足要求，逆变器自动运行

断电后自动重启时间

5min（时间可调）

保护功能

极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地故障保护等

通讯接口

RS485/RS232/GPRS/以太网

工作温度

－25℃～＋55℃

相对湿度

0～95%，不结露

海拔高度

≤2000米

（超过2000米需降额使用）

冷却方式

强制风冷

噪音

≤60dB

防护等级

IP20（室内）

宽×深×高（mm）

620*660*230

重量（kg）

55kg

3.9发电计量系统配置方案

光伏发电设备的计量点通常设在光伏并网逆变器的并网侧，该电度表是一块多功能数字式电度表，不仅要具有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。

同时，该表还可以提供灵活的功能。

本项目拟采用三相感应式交流电能表，该产品性能稳定可靠，可以用于计量三相电网中有功电能。

3.10、数据采集方案

并网光伏发电系统综合监控系统的基本功能包括：

光伏并网逆变器运行状态的监视；

并网光伏发电系统发电量计量与统计；

并网光伏发电系统环境检测；

光伏并网逆变器运行调度。

（1）监控系统功能介绍

光伏发电监控系统采用具有国际先进技术水平的国产化设备。

自动化通讯、数据采集技术，结合了SCADA系统的优点，是一套完整高效的光伏发电监控系统，具备本地和远程监控功能。

本地监控系统主要监控数据包括光伏发电单元的直流输出电压、电流和功率，光伏并网逆变器进出侧电压、电流、功率、并网频率和内部参数，另外还有环境温度、光照度等。

远程监控系统采集各本地监控系统的数据，进行数据汇总、查询、统计、报警等功能。

用户在办公室也能实时掌握现场设备运行状态，并能查询发电量统计和故障信息。

第五章、电气系统安全性设计

4.1防逆流装置设计

为保障该太阳能发