青海省40MW光伏并网发电站电气设计开题报告.docx
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青海省40MW光伏并网发电站电气设计开题报告
毕业设计
开题报告
题目青海40MW太阳能光伏并网电站电气设计
专业电气工程及其自动化（电力）
班级电力081班
学生胡杨
指导教师宁联辉讲师
2012年
一、毕业设计（论文）课题来源、类型
课题来源：
工程实践
类型：
工程设计
二、选题的目的及意义
太阳能的热能利用和光能利用是其两个最重要的应用领域，是由太阳能的特殊性所决定的，包括储量巨大、不会枯竭、清洁能源、不受地域限制。
利用太阳能来进行发电，需要了解什么是“光发电效应”或简称为“光伏效应”。
太阳能电池板主要由半导体制成，在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和正电荷，从而半导体中有电流流过，这个称为“光伏效应”。
利用太阳能进行分散型发电和供电有以下几个优点：
（1）对难以供电的无电地区。
如上所述，由于太阳能不受地域限制、无处不在的特点，可将太阳能发电用于远离大陆的海岛灯塔、远离城市远的山区小屋、山顶的无线电转播台等最能发挥太阳能发电优势的地区。
（2）能减少输电损耗。
由于太阳能发电是分散型发电，一般只需要满足本地区域用电，无需远距离送电，故减少了输电损耗。
（3）对城市供电高峰时的平峰贡献。
发电设备建设周期长，运行以后无法在短时间内增加尖峰负荷所需电力，而且城市供电的负荷十分不平衡。
太阳能发电就可以在城市电力高峰时，与交流电网并网，以补足峰值负荷的不足，起到“平峰”作用。
而且太阳能发电的电力负荷曲线刚好与城市电力的需求相吻合。
（4）电源多样化，可以安全可靠的供电。
常规能源有火力、水力、核电等；新能源则有风力、太阳能等。
多种能源发、供电，对一个国家的安全、可靠供电有利，将不会依赖特定的燃料供给。
特别是发生自然灾害之际，学校、医院、公园都需要事先设置紧急的太阳能发电备用电源。
我国的青海省地域广阔，又处在高原，太阳能资源丰富，全国的40%多的大型太阳能并网发电站在青海省，而其中大部分集中在格尔木。
这次要求设计的发电站与相同发电量的火电相比，相当于每年节约标煤2.5万吨，相应减少二氧化碳约6.7万吨/年。
在燃料能源快速消耗的今天，需要找到一种能源取而代之，太阳能属于清洁能源、可再生能源，正是我们所需要的，节省能源消耗，减少了空气中的有害气体排放，更加环保。
三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
1、研究现状
国际上太阳能电池的研究与开发具有领先地位的主要是德国、日本、美国和澳大利亚等发达国家。
1995年以来，世界上太阳能电池一直优质高速的发展，主要是德国和日本两国在光伏利用方面采取了一系列的行政措施，通过政策的推行收到了很好的效果。
（1）日本的“阳光计划”【1】。
是日本光伏发电发展阶段的第三阶段，开发的重点是降低光电器材件成本的价格和高效材料的开发，同时认为扩大生产规模是降低成本的主要条件。
鉴于1992年世界环保大会后，民众对降低二氧化碳等问题的重视，日本通产省决定在日本实施住宅用光电系统的优惠政策，即对每户居民住宅用光电系统（含逆变器、蓄电池和电网连接系统）的采用，补助造价的一半，对建设商也采取同样补助，从而极大的促进了住宅用电项目的推广。
2000年达到129MW（峰值），超过美国居世界第一。
（2）德国的“10万屋顶发电计划”【1】。
德国在2000年首先颁布了可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰。
2004年德国光伏发电总量达到601TWh，可再生能源发电占9.3%。
德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要是银行贷款和上网电价补贴等。
在德国，若在自家屋顶上安装一套光伏发电设备相当于办一个小发电站，发出的电输送到公共电网，国家最高给予54.7分/千瓦时的补贴，也就是说，安装光伏发电设备可以得到高的经济回报。
因此，目前德国光伏产业已经成为了一个非常活跃的经济产业。
2004年德国光伏安装总量首次超过日本，走在世界前列。
欧美等发达国家太阳能发电市场日益蓬勃的动力在于其制定了太阳能发电“上网电价法”，如实施“上网电价法”最早的国家德国，其太阳能发电平均上网电价为0.55欧元/kWh，实施时间为20年。
【2】
我国在太阳能光热利用方面已经走在世界的前列，是最大的太阳能热水器生产国，同时也是太阳能热水器的最大消费市场。
西方发达国家，如德国、美国和日本大力发展光伏产业，在太阳能电池研究、产业和应用方面取得了惊人的进展，为世界各国在发展可再生资源利用方面树立了典范。
我国在光伏研究和产业方面奋起直追，也取得了较大的进展，2004年在太阳能电池的产业规模上首次超过印度。
我国2006年1月1日实施的《可再生能源法》明确指出：
国家鼓励和支持可再生能源并网发电。
同时在生物质和风能发电方面，国家制定了专门的上网电价补贴政策。
太阳能光伏发电系统的应用非常广泛，北京奥运会、上海世博会、加油站、公园等处处都有应用，太阳能光伏发电系统的推广应用使得我们的生活方式更绿色、更环保。
【3】
在光伏发电技术方面，我们知道太阳能光伏发电系统主要由三个部分组成：
太阳能电池组，并网逆变器和监控系统。
其中最核心的部分是太阳能电池，目前用于太阳能商业发电的主要是晶硅电池和薄膜电池。
（1）晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，目前商业应用的光电转换效率为单晶硅16～17%，多晶硅15～16%。
在光伏电池组件生产方面我国2007年已成为第三大光伏电池组件生产国，生产的组件主要出口到欧美等发达国家。
2008年我国已能规模化生产硅原料，使得硅原料价格大幅下滑，由2008年的最高价500美元/kg降到2009年初的70～80美元/kg，目前硅原料价格为35～45美元/kg。
当前国际上已建成的大型光伏并网电站基本上采用晶硅电池。
薄膜电池分为硅基薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池。
当前商业应用的薄膜电池转化效率较低，硅基薄膜电池为5～8%，CdTe电池为11%，CIGS电池为10%。
硅基薄膜电池商业化生产技术较为成熟，并已在国内形成产能；CdTe和CIGS电池在国内还没有形成商业化生产。
由于薄膜电池的特有结构，在光伏建筑一体化方面，有很大的应用优势。
当前逆变器的研究中往往会考虑到高功率因数的情况【4】，当功率因数近似为1时，这种逆变器可称为单位功率因数逆变器，也可称其为高功率因数逆变器。
使用带有辅助晶闸管的电流型逆变电路进行实现。
如图1；
图1带有辅助晶闸管的电流型逆变电路原理图
图1中，VT1～VT6为主晶闸管，构成桥式逆变电路。
换流装置是由辅助晶闸管VT1＇～VT6＇、换流电容器C1～C3和变压器负载共同组成，能够有效地防止逆变失败。
（2）逆变器采用三相桥式整流电路，3倍次谐波理论上可抵消;通过逆变角180°、正负半周对称触发晶闸管进行逆变，偶数倍次谐波理论上也能完全抵消，因此，该逆变器只有6n±1次谐波。
将几个桥式整流电路多重连接，可减少输入电流谐波。
采用24相整流技术，可将24次及以下谐波消除。
连接电路以及波形分别如图2、3所示。
图224相整流连接电路
图324相整流电流输入电流波形
采用多重连接的方法，可使输入电流谐波大幅度减小。
对于逆变电路而言，其机理与整流电路一样，只是控制角大于90°，在该方案中为180°。
可见，功率因数很高，几乎接近于1。
DC-DC变换器与逆变器的联接。
由于太阳能电池板的电流源特性决定了太阳能电池板要尽可能少的串联，故其直流电流较小，DC-DC变换器的输出电流也就比较小。
对于一定等级的太阳能发电系统，欲使其功率增加，必然需要提高其输出电流，因此本设计采用并联多路DC-DC变换器的方式。
这样，不仅可以增大DC-DC变换器的输出电流，增加系统的输出功率，而且由于DC-DC变换器的模块化，使得设备的检修和维护变得方便、简单。
太阳能发电厂系统连接示意图如图4所示。
图4太阳能发电厂系统连接示意图
图中，以3个DC-DC变换器并联为一个逆变器，提供太阳能功率，4个逆变器进行24相整流，最后并入标准电网，完成发电过程。
（3）所谓的监控部分就是我们常说的光伏发电系统控制器。
控制器需对太阳能光伏发电系统的运行情况和所处的外部环境情况进行检测,包括光强、温度、充放电电流、蓄电池电压等,从而来控制系统的工作方式和保护系统,如决定系统是否进行充电,采用哪种方式充电。
工作工程中进行过充、过放保护,过流、短路保护,太阳能电池板、蓄电池反接保护等。
我们主要介绍充电控制器的结构和原理。
【5】本文通过实时监测蓄电池端电压
太阳能端电压
和环境温度T等值作为控制对象来对光伏系统中蓄电池充电过程进行控制,包括光伏阵列MPPT最大功率点跟踪控制,脉冲式充电,恒压限流充电和浮充控制。
最大功率点跟踪控制（MPPT）是光伏发电系统中的一项最重要的关键技术,它是指控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上。
在蓄电池缺电时采用最大功率点跟踪控制策略,也是快速充电阶段尽可能利用光伏这列最大可能的输出能量。
目前实现的跟踪方法主要有:
（1）恒定电压控制法（CVT）;
（2）增量电导法（IncCond）;（3）干扰观测法（P&O法）等。
其中P&O法是目前太阳能电池最大功率点追踪技术中最为成熟和最为常用的方法。
其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压,并观测其后的功率变化方向,来决定下一步的控制信号。
此法的硬件需求较少,扰动观测法的优点在于:
（1）模块化控制回路;
（2）跟踪方法简单,实现容易;（3）对传感器精度要求不高.本模块通过扰动光伏系统的输出电压,使工作点位于最大功率点附近。
系统的动态仿真采用变步长的ode23tb仿真,最小步长与最大步长自动调节,对误差允许范围为1×10-3,绝对误差范围为自动调节。
仿真时间设为0.01s。
从仿真结果可以看出在MPPT控制下,光伏阵列功率输出逐渐趋于稳定,有效的跟踪了太阳能电池的最大功率。
实验表明干扰观测法实现了对太阳能最大功率点的快速跟踪,使得光伏能量转换效率高,从而提高了太阳能光伏阵列的效率。
此外蓄电池的充电过程对蓄电池的寿命影响最大。
由于传统的三段式充电方式有很多不足之处,而且控制方法比较复杂。
不适合用于快速充电。
对电池进行快速充电最好的办法是脉冲式充电。
脉冲充电方法是基于最大功率点跟踪控制的充电方法,一般采取充电与适量放电结合地方法,这样在充电过程中产生的氧气在放电脉冲下将大部分还原为电解液。
2、发展趋势
随着日益减少的能源，世界各国都在努力研发新的能源以代替现有的能源。
煤、石油、天然气等不可再生资源都会枯竭，新的能源需要是更清洁，来源更广，比如说，现在已经掌握的风能发电，太阳能发电以及地热，潮汐发电等等。
现阶段新能源发电系统不能满足大部分的用电需求，因此世界各国都在努力提高新能源的利用率，并且加大新能源发电技术的开发。
就拿光伏发电来说，在未来世界上发达国家将普及光伏发电，要在本国内所有的房顶上都要有一套完整的光伏发电系统。
中国并网光伏发电发展前途看好。
光伏发电是最具发展前景的新能源发电技术，据国内外不同的机构预测，到本世纪末，太阳能将成为人类社会的主要能源，可占到全部能源消费的约80%，但目前还难以起到主要作用。
当前光伏发电发展的主要任务，应是结合解决特殊地区和特殊行业用电问题，培育必要的光伏发电市场，开展必要的试验和示范项目建设，推动光伏发电技术进步和产业发展，提高光伏发电的市场竞争力，建立适应光伏发电技术特点的电力运行管理体制。
目前，我国太阳能光伏发电利用主要有三种形式：
一是大型并网光伏电站，二是与建筑结合的并网光伏发电系统，三是独立光伏发电系统。
根据三种形式的不同运行特点，在太阳能资源丰富、具有荒漠和闲置土地资源的地区建设适度规模的大型并网光伏电站；在广大城镇，推广与建筑结合的分布式并网光伏发电系统；在偏远地区，结合解决无电地区人口的用电问题，推广户用光伏发电系统或建设独立小型光伏电站。
2010年将在总结2009年敦煌1万千瓦光伏电站特许权项目工作的基础上，在西部太阳能资源丰富地区，继续按特许权招标方式建设更大规模的太阳能光伏电站，总建设规模将超过20万千瓦。
同时，将继续开展“金太阳工程”建设，抓紧研究制定分布式光伏发电技术标准，制定分布式光伏发电系统的建设和运行管理体制。
此外，将结合解决西部无电人口用电问题，建设一批户用光伏系统和独立光伏发电站，加快解决无电人口用电问题。
并鼓励在通信、交通、照明等领域采用光伏电源，分散能源分散利用。
总体来看，推动光伏发电发展的任务十分艰巨，面临的挑战和制约也很大，既有技术方面的问题，也有管理体制的制约，核心是建设成本比较高。
今后，必须在推动光伏发电技术进步上下更大的力气，把提高光伏发电的市场竞争力作为着力点，按照积极、有序的方式，促进光伏发电产业的持续健康发展，为建设资源节约型和环境友好型社会做出积极的贡献。
2050年电网对大规模光伏发电的适应性【6】。
为使大规模光伏发电在我国尽早得到应用，国家应立即开展在我国北方内蒙古沙漠地区建设大规模光伏发电的可行性研究。
在上述研究的基础上，在该地区建设10～100MW级的大规模光伏发电示范电站，并用110kV及以上等级交流输电线路，将其电力输往100～200km外的内蒙古主网，以便了解大规模太阳能光伏发电的运行特性以及与电网调度、电力负荷等的配合问题，该项目争取在2015～2020年内完成。
在2030年左右，在我国北方沙漠地区建设GW级的大规模光伏发电电站群，并用超高压交流或直流输电线路，将电力输往500km外的华北网。
在2040年左右，在我国北方沙漠地区建设10GW等级的极大规模光伏发电电站群，并用超高压交流或±800kV直流输电线路或用高温超导输电将其电力输往500km外的主网。
在2050年左右，在我国北方沙漠地区建设100GW级的极大规模光伏发电电站群，并用±800kV直流输电线路或用高温超导输电的国家主干网将其电力输往几百至几千km外的电网。
按2050年全国能源需求总量46亿t标煤及发电装机容量2400GW估计（按常规发电能源结构计），考虑到各种常规能源可能提供的数量，约占总量30％，即720GW的发电装机容量需依靠非水能的可再生能源提供。
若考虑风电开发解决250GW，则需光伏发电装机容量约1500GW（合常规发电容量470GW），其中l／3，即500GW可考虑为处于沙漠等地的大规模光伏发电的方式。
鉴于大规模光伏发电所占面积较大，且需要尽可能长的日照，大规模光伏发电站群可考虑优先布置在我国沙漠及沙漠化土地地区。
内蒙古地区的戈壁滩可作为大规模太阳能光伏发电基地的首选地点。
在内蒙古地区的戈壁滩开发大规模太阳能光伏发电的潜力巨大，在2000km2的戈壁滩面积上可布置100GW（1亿kW）的光电装机。
消纳其电力的方式有二。
其一为电力外送，主送方向为西北、华北、华中和华东地区的联合运行电网。
上述地区承受内蒙古太阳能光伏发电的大规模电力外送能力大致为300GW。
如考虑地区水电站水库、抽水蓄能等储能手段，并考虑该地区与其它地区电网联网，可将部分电力转送，则接受光电能力还可增加。
其二为就地}肖纳光伏发电的电力和电量，如采取就地建设高耗能工业或用于电解制氢并经压缩后转运等。
四、本课题主要研究内容
青海河南40MWp并网光伏电站位于青海省黄南州河南县境内，工程的主要任务是发电，建成后供电青海电网。
场址区距县城约25km，距西宁市约340km，交通便利。
青海省地处中高纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，年平均总辐射量可达5560MJ/m2～7400MJ/m2，其中直接辐射量占总辐射量的60％以上，仅次于西藏，位居全国第二。
分析设计任务书，准备参考资料，熟悉相关内容。
查阅国内外相关文献资料，了解国外太阳能光伏电站电气设计的最新技术与发展趋势。
完成以下的任务：
1、太阳能光伏组件选型、太阳能光伏并网逆变器的选择。
2、逆变器与升压变压器的组合方式、集电线路回路数、升压方案确定。
3、根据第2点设计结果，拟定本光伏电站的电气主接线方案，经过投资概算和初步技术经济比较，确定推荐方案。
4、无功补偿方案配置设计，确定补偿容量和补偿方式。
5、进行短路电流计算。
①原始资料；②网络变换；③对称、不对称短路电流计算。
6、对推荐方案进行电气主设备选择（断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器等）和载流导体（母线、电缆、架空线）选择。
7、绘制电气主接线图，编写初步设计说明书。
8、站用电系统设计，给出站用电系统图。
9、各级电压配电装置布置设计，给出开关站平面布置图和必要的剖面图。
10、主变压器保护，110kV母线、线路保护设计：
①保护装置配置选型设计；②保护整定计算；③保护配置图
五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）
要遵守国家的法律、法规，贯彻执行国家的经济建设的方针、政策和基本建设程序，特别应贯彻执行提高综合经济效益和促进技术的方针。
运用系统工程的方法从全局出发，正确处理中央与地方、工业与农业、沿海与内地、城市与乡村、远期与近期、平时与战乱、技改与新建、生产与生活、安全与经济等方面的关系。
要根据国家规范，电力工程标准与有关规定，结合本电站的不同性质、不同要求，从我国的实际情况出发，采用中等适用的先进技术，合理地确定设计方案。
对生产工艺、主要设备和主体工程要做到可靠、适用、先进；对非生产性的建设，应坚持适用、经济，在可能的条件下注意美观的原则。
要实行资源的综合利用，要节约能源、水源，要保护环境，要注意专业化和协作，要节约用地，要合理使用劳动力，要立足于自力更生。
在电子式互感器未得到普及实用前以传统电磁式为主要元件。
在贯彻执行国家的方针政策的同时，也应注重理论联系实际，采用现代化的研究手段，如：
AutoCAD，MATLAB结合国内外的新技术、新方法，认真的完成此课题。
六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标
1、查阅外文资料并且完成翻译一篇。
第1～2周
2、查阅国内外相关文献资料，了解国外太阳能光伏电站电气设计的最新技术与发展趋势，完成开题报告。
第3～4周
3、太阳能光伏组件选型、太阳能光伏并网逆变器的选择。
第5周
4、逆变器与升压变压器的组合方式、集电线路回路数、升压方案确定。
第6周
5、根据上一个任务的设计结果，拟定本光伏电站的电气主接线方案，经过投资概算和初步技术经济比较，确定推荐方案。
第7周
6、无功补偿方案配置设计，确定补偿容量和补偿方式。
第8周
7、进行短路电流计算。
①原始资料；②网络变换；③对称、不对称短路电流计算。
第9周
8、对推荐方案进行电气主设备选择（断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器等）和载流导体（母线、电缆、架空线）选择。
第10周
9、绘制电气主接线图，编写初步设计说明书。
第11周
10、站用电系统设计，给出站用电系统图。
第12周
11、各级电压配电装置布置设计，给出开关站平面布置图和必要的剖面图。
第13周
12、主变压器保护，110kV母线、线路保护设计：
①保护装置配置选型设计；②保护整定计算；③保护配置图。
并完成和完善毕业设计报告。
第14～15周
七、指导教师意见
对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
八、所在专业审查意见
负责人：
参考文献：
【1】冯垛生，张淼，赵慧，林珊。
太阳能发电技术与应用【M】。
人民邮电出版社。
【2】廖开强，董健康。
太阳能发电技术及其设计特点【J】。
山东电力高等专科学校学报，14卷第5期，27～30页。
【3】谢同建。
浅谈太阳能光伏发电系统原理及设计与应用【J】。
江苏建筑，2011年第6期，72～74页。
【4】高丽萍1，李攀2，安连祥2。
大功率太阳能并网发电逆变器的研究与设计【J】。
低压电器，2011年第3期，36～40页。
【5】张智峰，太阳能光伏发电系统控制器的设计【J】。
科技创新导报，2010年第21期，117页
【6】未来中国太阳能光伏并网发电系统市场前景分析【网络文献】www.china-
【7】PeterB.Andersen，BjarnePoulsen，MortenDecker，ChrestenTraholt，JacobOstergaard。
EvaluationofaGenericVirtualPowerPlantFrameworkUsingServiceOrientedArchitecture【J】。
2ndIEEEInternationalConferenceonPowerandEnergy（PECon08）,December1-3,2008
【8】M.G.Sugirtha,M.E.Dr.P.Latha,M.E.。
AnalysisofPowerQualityProblemsinGridConnectedWindPowerPlant【C】。
2011InternationalConferenceonRecentAdvancementsinElectrical,ElectronicsandControlEngineering。
【9】KamalGarg，LewWeingarth，SaurabhShah。
DynamicPositioningPowerPlantSystemReliabilityAndDesign【J】。
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