3屋顶光伏发电系统的设计企业生产实际教学案例库.docx
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3屋顶光伏发电系统的设计企业生产实际教学案例库
企业生产实际教学案例：
1.5兆瓦光伏并网屋顶发电系统
案例说明
一相关岗位名称
●光伏系统设计工程师
●光伏系统销售人员
●光伏系统技术支持
●光伏系统售后服务
二相关职业技能
●掌握兆瓦级并网光伏系统设计方法
●掌握并网光伏系统各部分元器件的选型
●掌握光伏屋顶电站安装要点
三案例背景介绍
●本案例介绍的是1.5MWp光伏电站案例，包括电站的设计规范与标准、系统各部分选型与配置以及屋顶电站的安装要求
1生产案例
1.1系统原理设计
2相关规范和标准
2.1光伏电池组件制造、试验和验收可参考如下标准
GB/T6497-1986地面用太阳电池标定的一般规定
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/T18479-2001地面用光伏（PV）发电系统概述和导则
GB/T12632-1990单晶硅太阳电池总规范
2.2本并网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准
GB/T191包装储运图示标志
GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求
GB/T20046-2006光伏（PV）系统电网接口特性（IEC61727:
2004,MOD）
GB/Z19964-2005光伏发电站接入电力系统技术规定
GB/T2423.1-2001电工电子产品基本环境试验规程试验A：
低温试验方法
GB/T2423.2-2001电工电子产品基本环境试验规程试验B：
高温试验方法
GB/T2423.9-2001电工电子产品基本环境试验规程试验Cb：
设备用恒定湿热试验方法
GB4208外壳防护等级（IP代码）（equIEC60529:
1998）
GB3859.2-1993半导体变流器应用导则
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
2.3升压系统制造、试验和验收可参考如下标准
GB311.1～6—83中压输变电设备的绝缘配合，高电压试验技术
GB311.7—88中压输变电设备的绝缘配合使用导则
GB1207—86电压互感器
GB1207—87电流互感器
GB1984—89交流中压断路器
GB1985—89交流中压隔离开关和接地开关
GB3906—913~35kv交流金属封闭开关设备
GB7261—87继电器及继电保护装置基本试验方法
GB11032—89交流无间隙金属氧化物避雷器
GB50150—91电气装置安装工程电气设备按接试验标准
GB1094.1电力变电器第1部分总则
GB1094.2电力变电器第2部分温升
GB1094.3电力变电器第3部分绝缘水平和绝缘试验
GB1094.4电力变电器第4部分承受短路的能力
GB/T4942外壳防护等级（1P代码）
GB15166.2交流中压熔断器、限熔断器
3屋顶光伏发电系统的设计
3.1安装屋顶光伏系统要遵循的基本步骤
（1）确保屋顶或其他安装位置的面积大小可以容纳将要安装的光伏系统。
（2）安装时，需要检查屋顶是否能够承受外加光伏系统的质量，必要时还需要增强屋顶的承重能力。
（3）根据建筑屋顶的设计标准，妥善处理屋顶。
（4）严格按照规范和步骤安装设备。
（5）正确、良好地设置接地系统，能有效避免雷击。
（6）检查系统运行是否良好。
（7）确保设计和相关设备能够满足当地电网的并网需求。
（8）最后，由权威检测机构或电力部门对系统进行全面检测。
3.2屋顶光伏系统的安装
1、屋顶结构
最方便和最适当装置光伏阵列的地方是在建筑物的屋顶。
对于斜面屋顶，光伏阵列应该被安装在屋顶上并且和屋顶的表面平行，用支架隔开数厘米以达到冷却的目的。
如果是水平屋项，还可以设计出一种优化倾斜角度的支架结构，并把它安装在屋顶上。
屋顶安装光伏系统必须注意屋顶结构和屋顶防渗透层的密封性。
一般而言，每100瓦光伏组件都要求有一个支撑托架。
对于一栋新建筑，支撑托架通常在安装屋顶盖板之后、加装屋顶防水材料之前进行安装。
负责阵列安装系统的工作人员在安装屋顶时就可以安装支撑托架。
砖瓦屋顶在结构上往往被设计成接近于它的负重能力极限。
在这种情况下，屋顶结构必须得到加强，以承受额外的光伏系统重量，或将砖瓦屋顶改变成专门带状的区域安装光伏阵列。
如果把砖瓦屋顶转变成较轻的屋面产品，就没有必要加强屋顶结构，因为这种屋顶和光伏阵列的合成质量要轻于被取代的砖瓦屋面产品的质量。
二、遮荫结构
能够替代屋顶安装的是遮荫结构安装光伏系统。
这种遮荫结构可能是一个天井或双层的遮阳网格，在这些地方，光伏阵列成了遮阳物。
这些遮阳系统可以支持小型或大型的光伏系统。
这种带光伏系统的建筑比标准的天井覆盖成本稍有不同，特别是光伏阵列作为部分或全部遮荫屋顶。
如果光伏阵列安装的角度比一般的遮阳结构陡峭一些，那么就有必要对屋顶结构进行改进以适应风力载荷。
光伏阵列的质量是15～25千克／平方米，这个质量在遮荫支持结构的负重极限之内。
安装屋顶支架的相关劳动力开支可以计入整个天井覆盖建设的成本之中。
全部建设成本很可能要高于在屋顶安装的成本，但是这种遮荫结构产生的价值经常会抵消那些多出的成本。
要考虑的其他问题包括：
简化阵列的维护，组件的接线、导线的连接必须保持美观，不能种植爬藤植物或者必须勤修剪这些爬藤植物以保持组件及其接线不受干扰。
3、光伏建筑一体化（BIPV）
另一种类型的系统是用建筑一体化的光伏阵列取代了一些传统的屋面产品。
安装使用这类产品必须注意要确保正确安装并使之达到必要的防火等级，并要求合理安装以避免屋顶漏水。
四、屋顶坡度和方向对发电的影响
屋顶的倾斜度和朝向会影响太阳光照射到组件表面的角度，这些影响的具体体现如表1所示，说明如果当地光伏阵列放置坡度在7：
12的屋顶上，面向正南的修正因数为100，当屋顶的倾斜角能量的3％以下。
一个合理的损失系数应该是5％。
4设计过程
4.1并网逆变器介绍
此次光伏并网发电系统设计为15个100KW并网发电单元，每个并网发电单元配置1台型号为BNSG100KS并网逆变器，整个1.5MW系统配置15台BNSG100KS并网逆变器。
一、性能特点简介
BNSG100KS并网逆变器采用美国TI公司专用DSP控制芯片，主电路采用日本三菱IGBT模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。
该并网逆变器的主要性能特点如下：
采用美国TI公司DSP芯片进行控制；
采用日本三菱IGBT模块,增强系统的可靠性；
光伏电池组件的最大功率点跟踪技术（MPPT）；
交流输出侧隔离变压器，输出电压为三相AC380V，50Hz；
具有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关；
具有先进的孤岛效应检测方案及完善的监控功能；
具有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能；
宽直流输入电压范围，整机效率高达95%；适应中国电网电压波动较大的特点。
并网逆变器正常工作允许电网三相线电压范围为：
AC350V～AC430V，频率范围为：
47－51.5Hz；人性化的操作界面，中文菜单，可显示设备的各项运行数据、实时故障数据、历史故障数据、总发电量数据和历史发电量数据，以及设备的工作状态。
可提供包括RS485或Ethernet（以太网）远程通讯接口。
其中RS485遵循Modbus通讯协议；Ethernet（以太网）接口支持TCP/IP协议，支持动态（DHCP）或静态获取IP地址；具有中国权威检测机构电力科学研究院出具的检测报告。
二、电路结构
表2BNSG100KS并网逆变器主电路拓扑结构
如上图所示，BNSG100KS并网逆变器的的主电路拓扑结构，并网逆变电源通过三相桥式变换器，将光伏阵列输出直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过外置的三相变压器隔离升压（根据接入电网要求，变压器另配）后并入电网发电。
为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧使用了先进的MPPT算法。
三、技术参数
型号
BNSG100KS
隔离方式
工频变压器
最大太阳电池阵列功率
110KWp
最大阵列开路电压
880Vdc
太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围
450Vdc～820Vdc
直流输入路数
10路
最大阵列输入电流
250A
额定交流输出功率
100KW
最大交流输出功率
110KW
最大交流输出线电流
200A
总电流波形畸变率
<3%（额定功率时）
功率因数
>0.99
最大效率
95%
欧洲效率
93%
允许电网电压范围（三相）
350VAC～430VAC
额定电网频率
50Hz
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
使用环境温度
－20℃～＋40℃
使用环境湿度
0～95%，不结露
满功率运行的最高海拔高度
≤2000米
（超过2000米需降额使用）
冷却方式
风冷
噪音
≤60dB
防护等级
IP20（室内）
尺寸（深×宽×高）
600×2400×1800mm
重量
800kg
四、设备图片
4.2太阳能电池组件
本系统选用单块为265Wp（36V）单晶硅太阳能电池组件，其工作电压为35V，开路电压约为44V。
250KW并网逆变器的直流工作电压范围为：
450Vdc～820Vdc，最佳直流电压工作点为：
560Vdc。
经过计算:
560V/35V=16,得出：
每个光伏阵列可采用16块电池组件串联。
每个光伏阵列的峰值工作电压：
560V，开路电压：
704V，满足逆变器的工作电压范围。
对于每个250KW并网发电单元，需要配置960块265Wp电池组件，组成6个光伏阵列。
整个1MWp并网系统需配置5760块265Wp电池组件。
4.3光伏阵列防雷汇流箱介绍
该汇流箱的接线方式为6进1出，即把相同规格的6路电池串列输入经汇流后输出1路直流。
该汇流箱具有以下特点：
防护等级IP65，防水、防灰、防锈、防晒、防盐雾，满足室外安装的要求；
可同时接入6路电池串列，每路电池串列的允许最大电流10A；
每路接入电池串列的开路电压值可达900V；
每路电池串列的正负极都配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为DC1000V；
直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用防雷器，其额定电流≥15KA，最大电流≥30KA；
直流输出母线端配有可分断的品牌直流断路器；
直流输入路数
6路（6路正极、6路负极）
直流输出路数
1路正极，1路负极
直流输入的正负极线径
4mm2
直流输出的正负极线径
25mm2
地线线径
16mm2
每路直流输入的保险丝
10A
直流输出最大电流
60A
防护等级
IP65
重量（大约）
15KG
体积（宽×高×深）
400mm×500mm×180mm
光伏阵列防雷汇流箱的技术参数如下：
汇流箱的电气原理框图如下图所示：
每个100KW的并网单元配置4个汇流箱；1.5MW并网发电单元需配置60个汇流箱。
4.4直流防雷配电柜介绍
直流防雷配电柜安装在室内，主要是将汇流箱输出的直流电缆接入后进行汇流，再与并网逆变器连接，方便操作和维护。
主要性能特点如下：
每台直流防雷配电柜按照100KW配电单元设计；
每路直流输入侧都配有可分断的直流断路器和防反二极管，其中断路器选用ABB品牌；
直流母线输出侧都配置菲尼克斯光伏专用防雷器，其额定电流≥15KA，最大电流≥30KA；
直流母线输出侧配置1000V直流电压显示表；
配电柜的尺寸（深×宽×高）：
600×800×1800mm，如下图所示（参考）。
电气原理框图如下图所示：
如上图所示，每台BNSG100KS并网逆变器配置1台直流防雷配电柜，1.5MW并网单元需配置15台直流防雷配电柜。
4.5系统监控装置
采用高性能工业控制PC机作为系统的监控主机，配置光伏并网系统多机版监控软件，采用RS485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）监控主机系统特点如下：
嵌入式低功耗PentiumM处理器CRT/LVDS接口
以太网接口
RS232/485接口
USB2.0
512M内存
80G硬盘
工控机和光伏并网逆变器之间的通讯采用RS485总线通讯方式。
（2）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；
（3）监控软件具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外和室内环境温度和电池板温度等参量。
（4）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20年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。
（5）可提供中文和英文两种语言版本。
（6）可长期24小时不间断运行在中文WINDOWS2000，XP操作系统。
（7）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。
（8）显示单元可采用大液晶电视，具有非常好的展示效果
5设备清单及报价
序号
名称
规格
数量
单价（元）
总价（万元）
1
太阳电池片
265W
5760块
2650
1526.4
2
组件支架
镀锌钢
1套
2.5/Wp
1250
3
并网逆变器
BNSG100KS
15台
5000
7.5
4
汇流箱
SPVCB-4
60台
3000
18
5
配电柜
BNSG-100k
15台
8000
12
6
监控软件
SPS-PVNET
1套
12000
1.2
7
工控机
EBOX746-EFL
1台
5000
0.5
8
液晶显示器
22寸宽屏
1台
3500
3.5
9
电线电缆
1套
500000
50
10
施工安装
1套
300000
30
11
屋面防雷
1套
200000
20
12
其他的辅件材料
1套
100000
10
13
合计
2929.1
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