屋顶光伏并网发电系统技术方案全案.docx
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屋顶光伏并网发电系统技术方案全案
屋顶光伏并网发电系统
技术方案
2015年01月
一．概述
1.1项目介绍
项目情况：
250KW屋顶光伏并网发电；
本项目单位为南京某大楼屋顶。
本项目太阳能电池组件安装在主楼屋顶上，不单独占用建筑区域的宝贵土地资源，是安装于建筑之上的屋顶并网光伏发电（BAPV：
BuildingAttachedPhotovoltaic）系统。
光伏发电系统将太阳能资源通过太阳能电池组件转换成直流电能，再通过并网逆变器将符合电能质量的交流电给负载提供电能。
太阳能电池组件与建筑结合的光伏发电是近十几年发展起来的在城市中推广应用太阳能发电的一个主要方向。
技术成熟，成功运营项目较多。
城市建筑物屋顶能为光伏系统提供足够的面积，不需要另外占用宝贵的土地资源。
建筑物屋顶除遮阳挡雨外一般都没有其他特殊功能，在视觉上也略显单调，相比屋顶绿化和平改坡，安装太阳能并网屋顶光伏发电系统则能让屋顶的价值最大化。
同时太阳能的发电环节是典型的无污染、可持续利用的绿色能源，同时又是最好的补峰能源，被业内人士誉为“黄金电”。
预选的屋顶位于南京，地约处东经119°，北纬32°，地处江苏省南部，南京市太阳能辐射量年均总太阳能辐射量约为5500MJ／m2（水平条件下），年均日照时数为近2100h。
从月际变化可知，太阳能辐射量主要集中3-11月份，占到总辐射量的85％以上，7-8月份达到太阳能辐射高峰，具备开发新能源太阳能的潜力。
本工程安装大楼根据现场情况，我司确定此项目的安装环境为水泥面屋顶，屋面设计结构合理，承重满足光伏安装需求，屋面遮挡面积及小，可适当避开。
项目总装机功率：
250KWP，项目总计铺设组件数量1000块。
建筑物房顶太阳能组件所发直流电能经汇流由直流总线输入光伏并网逆变器，转换成三相电能输入厂内电网，供内部使用,总投资约250万元。
本太阳能光伏屋顶发电系统概况如下表一。
1.2项目系统设备材料
表一屋顶太阳能光伏并网发电系统概况表
序号
项目名称
规格型号
单位
数量
1
总装机容量
250KWP
万度
25年总发电量800万度
2
太阳能光伏组件
多晶250WP
块
1000
3
太阳能光伏组件支架
镀锌角钢250K
项
1
4
光伏汇流箱箱
EAPVCB-10SD
台
5
5
并网逆变器
EA250KL-M
台
1
6
交流并网配电柜
-
台
1
7
监控装置
监控软件
套
1
PC机
套
1
通信传输系统
套
1
8
光伏导线
4平方1000V电缆红
米
5000
4平方1000V电缆黑
米
5000
70平方1000V电缆红
米
800
70平方1000V电缆黑
米
800
9
交流电缆
ZRC-YJV180mm2
米
50
10
通信电缆
阻燃屏蔽控制电缆
米
100
11
系统的防雷和接地装置
-
套
1
12
土建及配电等基础设施
-
套
1
13
系统连接电缆防护材料
-
项
1
二．总体方案设计
本项目安装地点为某屋顶，分析其屋顶面积，有效可安装面积合计约3150m2，据此可推算出其可安装电池板容量约为250KWp。
2.1方案简介
针对容量为250KWp的屋顶太阳能光伏系统，我司采用集中并网方案，将光伏组件串联后通过汇流箱并联汇流连接至一台250KW容量的光伏并网逆变器EA250KL-M的直流输入端，一台并网光伏逆变器输出的交流电经过分列式变压器再接入0.4KV交流电网，实现并网功能。
系统示意图如下图1。
图1系统示意图
系统的光伏电池组件选用国内知名品牌东莞南玻的功率为250Wp的多晶硅电池组件，，其电池片效率为17.3%，组件效率为15.4%，具体参数如下：
实际功率
开路电压
额定电压
短路电流
额定电流
功率温度系数
短路电流温度系数
开路电压温度系数
250Wp
37.7V
30.9V
8.76A
8.09A
-0.45%
/℃
+0.05%
/℃
-0.34%
/℃
根据EA250KL-M并网逆变器的MPPT工作电压范围（450V～820V）及最大直流电压（1000v），每个电池串列按照20块电池组件串联进行设计，每个串列功率为250W×20=5000W。
而输入逆变器直流侧汇流箱使用10路输入的汇流箱，共需配置5个光伏防雷汇流箱，接入的总功率约为：
250W×20×50=250KWp；
汇流箱汇流后再通过直流配电柜汇流接入我司EA250KL-M光伏并网逆变器，实现交流输出，经光伏并网变压器与三相计量表后接入电网。
交流侧也配置防雷装置。
另外，系统应配置1套监控装置，可采用RS485或Ethernet（以太网）的通讯方式，实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。
系统主要设备配置清单如下表二：
表二系统主要设备配置清单：
序号
项目名称
规格型号
数量
1
太阳能光伏组件
多晶250WP
1000块
2
太阳能光伏组件支架
镀锌角钢
足量
3
直流汇线箱
EAPVCB-16
5台
4
并网逆变器
EA250KL-M
1台
5
交流并网配电柜
-
1台
6
监控装置
监控软件
1套
PC机
1套
通信传输系统
1套
7
光伏导向
光伏导线
1套
8
系统的防雷和接地装置
-
1套
9
土建及配电等基础设施
-
1套
10
系统连接电缆线及防护材料
-
足量
具体系统配置图见2.8节系统方案设计图及附件。
2.2光伏阵列设计
逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。
在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：
1）接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。
2）需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的光伏阵列的Vmp应在逆变器MPPT范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。
太阳电池结温对太阳电池输出特性的影响，如下图所示：
图2不同温度下的I-V和P-V特性曲线
从图2可知，电池组件的开路电压受温度变化的影响，温度下降，开路电压升高；温度上升，开路电压降低，所以在设计电池组件串联的数量一定要考虑电池串列的电压变化。
1）组件的串联数
此项目为户外安装，安装地点在屋顶，安装地极端最高温度为42℃，最低温度为4℃。
适当考虑余量，按环境温度范围按0℃～+45℃考虑，查电池板参数表。
由于组件的标称电压是在室温25℃时测定，开路电压温度系数为-0.33%/℃，折合到0℃时的系数约为1.083。
功率温度系数-0.45%/℃，温度变化时组件电流的变化很小，因此额定电压随温度的变化系数近似于功率温度系数，折合到45℃时系数约为的0.91。
一般逆变器的直流输入电压范围是一定的，我司EA250KL-M并网逆变器直流输入最高电压为1000V，MPPT范围为450～820V，选择组件串联数时需要考虑两个方面：
一是开路电压的高限制必须小于逆变器最大耐受电压；二是额定工作电压的低限制不小于逆变器MPPT范围的最小值。
结合以上条件，对于光伏组件我们选择串联数为20块为一串列。
在常温下25℃时，开路电压为37.7×20=754V，最大功率工作电压为30.9×20=618V。
当在0℃时，开路电压达到最大，为37.7×20×1.085=818.09﹤1000v；当在70℃，工作电压达到最小，为30.9×20×0.847=523.466﹥450V，均满足条件。
2）组件的并联数
系统总容量为250KWp。
单板功率为250Wp,20块为一串列，总计1000块组件，故得出，共需50串并联，共5个10路输入汇流箱，共可接入50组，可完全容纳系统50串并联，容纳系统容量，满足设计要求。
2.3光伏阵列汇流箱设计
针对上述设计，配置我公司型号为EAPVCB-10SD光伏阵列汇流箱，可以减少光伏阵列与逆变器之间的连接线，方便操作和维护。
外观如下图三：
图3EAPVCB-10SD光伏阵列汇流箱外观图
该汇流箱的接线方式为10进1出，即把相同规格的10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：
1）防护等级IP65，防水、防灰、防锈、防晒，能够满足室外安装使用要求；
2）可同时接入10路电池串列；
3）每路接入电池串列的开路电压值最大可达DC1000V；
4）具有10路保护控制，每路的正负极都配置高压直流熔断器（最大电流为15A），其耐压值可达DC1000V；
5）直流汇流箱的输出正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用防雷器，防雷器选用著名品牌产品；
6）直流汇流箱的输出端配有可分断的直流断路器，断路器选用著名品牌产品；
7）EAPVCB-10SD直流汇流箱的输入端配有防反二极管，有效防止组串电流反灌，更好保护组件及系统安全。
EAPVCB-10SD的主要技术参数如下：
型号
EAPVCB-10SD
最大光伏阵列电压
1000Vdc
最大光伏阵列并联输入路数
10
每路熔丝额定电流（可更换）
12A/15A/20A
输出端子大小
PG21
防护等级
IP65
环境温度
-25～+60℃
环境湿度
0～99％
宽x高x深
600x575x270mm
重量
26kg
认证
CQC金太阳认证
汇流箱的电气原理框图如下图所示：
图4EAPVCB-10SD光伏阵列汇流箱配置图
2.4并网逆变器的设计
图6EA250KL-M/T光伏并网逆变器
2.4.1EA250KL-M总体介绍
EA250KL-M采用采用外置变压器设计，宽输入电压范围，高转换效率。
采用光纤隔离技术，强抗干扰能力。
室内安装，适用于大型光伏系统。
多台逆变器并联运行，简化系统设计。
同时，可与上位机通讯，实时观察运行状态，方便监控。
该并网逆变器的主要性能特点如下：
1：
最新国网低电压、零电压穿越测试。
2：
先进的三电平SVPWM技术。
3：
支持多模块并联或多路MPPT
4：
高效率可达98.7%（不含变压器）
5：
多路独立的MPPT技术，宽范围MPPT（450V~850V），先进的MPPT算法
6：
先进的反孤岛技术
7：
具备夜间SVG功能，全天候响应电网调度指令。
有功功率可调节，功率因数范围超前0.9至滞后0.9
8：
金太阳CQC认证，TUV认证，CE认证
9：
多种通讯接口可以选择，可方便的实现上位机监控。
2.4.2EA250KL-M/T电路结构
如图7所示为EA250KL-M/T并网逆变器的的主电路拓扑结构，光伏组件产生的电能先经过防雷器与直流滤波器。
防雷器吸收直流侧浪涌电压，直流滤波器抑制高频信号传导干扰，由电容储能来保持直流电压稳定，三相全桥逆变单元将直流电转换成与电网同频率、同相位的交流电，经过滤波器滤波产生正弦波交流电，再经由交流滤波器抑制高频信号传导干扰，然后根据实际应用选择合适的变压器将电能馈送至电网。
图7EA250KL-M/T并网逆变器主电路拓扑结构
2.4.3EA250KL-M/T技术指标
参数/型号
EA250KL-M/T
直流侧参数
最大直流电压
900Vdc
最大功率电压跟踪范围
450-850Vdc
最大直流功率
275KWp
最大输入电流
600A
交流侧参数
额定输出功率
250KW
最大输出功率
275KW
最大输出电流
397A
额定电网电压
400Vac
允许电网电压
340-460Vac
额定电网频率
50Hz/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
0.9（超前）-0.9（滞后）
系统
最大效率
98.7%
欧洲效率
98.5%
防护等级
IP20（室内）
夜间自损耗
<50W
允许环境温度
-25℃-+55℃（超过50度降额使用）
冷却方式
风冷
允许相对湿度
0-95%，无冷凝
海拔高度
3000米（>3000米需降额使用）
显示与通讯
显示
LCD（触摸屏）
标准通讯方式
RS485
可选通讯方式
以太网/USB
机械参数
尺寸（宽×高×深）
1200×2000×800mm+800×2000×800mm
净重
500Kg+800Kg
2.5系统并网设计
2.5.1系统并网接入
光伏系统交流侧并网的开关柜及电气接线方式设计如下图所示。
图8并网配电设计
在靠近电网侧也加装了三相防雷器，进一步保障了用电设备的安全。
具体接入方式以供电部门审核为准。
2.5.2系统防逆流控制
防逆流采用并网柜防逆流柜检测电能流向，当逆流情况出现，监控系统向逆变器发出信号，逐步降低逆变器功率（每步约总功率5%，可沟通出厂设置），不断降低功率直到逆流情况消失。
控制原理如下图：
通过实时监测用户入户总线电流信号来调节系统的发电功率，对光伏电源进行必要的控制。
一旦发现向电网输入能量，逆变器通过计算控制，降低其输出电流，减小光伏系统发电功率；当出现通讯故障或其它系统故障时，防逆流装置会控制逆变器与电网连接，从而彻底停止向电网供电。
系统只需将入户侧接入电流互感器，并将互感器信号接入并网逆变器即可，逆变器可自动进行逆流检测与控制。
具体接入方式以供电部门审核为准。
2.6系统监控设计
图9系统通讯监控原理框图
如上图所示，对于屋顶光伏系统的通讯及监控设计，将逆变器通讯接口通过RS485通讯总线连接至中控室的监控主机，实现集中监控光伏系统的运行状态。
通过我公司开发的监控软件，可以方便直观地监控当前逆变器的运行数据和工作状态，以及历史数据记录和故障信息。
2.7系统方案设计图
图13系统原理图
三.系统安装及施工组织
3.1光伏阵列的布置和安装
根据设计方案，本250KWp光伏系统共需5个10路汇流箱共计50个串列，每个串列为20块，共需250Wp光伏组件1000块。
全部采用固定倾角安装，
3.2系统接线
光伏电池板安装完成后，根据设计方案中的电气设计，逐步安装如下器件。
其中，汇流箱为16路输入，一路输出，输出接入光伏逆变器。
防护等级为IP65，可户外安装，但考虑安装方便，装于室内合适地点悬挂安装
光伏并网逆变器EA250KL-M/T防护等级为IP20，故只能安装在室内，届时通过实地考察可选择在原配电房附近合适的安装空间。
3.3土建
本工程建筑物屋面均为水泥屋面，光伏组件采用固定式安装方式，保证组件与支架连接牢固可靠，并能很方便地更换太阳能电池组件。
光伏系统中单块组件重量19.5Kg/块，水泥基础20Kg/个，每块组件平均一个水泥基础，每块组件下平均光伏支架8Kg，每块组件占地约2平方米，折算该光伏系统约为：
（19.5+20+8）/2=23.75Kg/平方米，
而建筑物屋顶承重150Kg/平方米，可以承受重量远大于光伏系统每平方米所需承受的重量，本屋顶光伏工程的可安装屋顶面积1100平方米，完全足以满足光伏系统安装需求。
建筑结构荷载如下表显示：
3.4用户侧负载
本光伏电站为用户侧并网，自发自用，余电上网，以0.4KV接入所建设光伏电站建设大楼的教学楼的用户侧低压电网。
安装该系统所需配电房面积约为25平方米，主要采用原有配电室空间安装。
本项目所涉及用户全年电力负荷基本稳定，用户用电量较大，年用电负荷大于年发电量。
本项目光伏发电系统所发电量能够被就地消耗，光伏不足供电部分电量由电网获取。
3.5电气设计
本工程为用户侧并网，自发自用，余电上网。
以单个屋顶为一个并网单元，根据该单位所装容量，确定所用并网逆变器容量，就地以0.4KV接入相应单位的用户侧低压电网。
逆变器交流侧输出接入并网低压开关柜（或配电箱）。
光伏智能汇流箱均采用壁挂式，壁挂于原有建筑物屋顶。
3.6接入电力系统方案
根据国家电网公司发布的《光伏电站接入电网技术规定》（Q/GDW617-2011），对光伏电站接入系统一般原则有以下规定，南方电网公司接入方式也同样处理：
①光伏电站分类
根据光伏电站接入电网的电压等级，可分为小型、中型或大型光伏电站。
a）小型光伏电站---通过380V电压等级接入电网的光伏电站。
b）中型光伏电站---通过10kV～35kV电压等级接入电网的光伏电站。
c）大型光伏电站---通过66kV及以上电压等级接入电网的光伏电站。
本项目属于a类小型光伏电站，就地以0.4KV接入相应园区的用户侧低压电网，实现并网发电功能。
②接入方式
光伏电站接入公用电网的连接方式为专线接入公用电网、T接于公用电网以及通过用户内部电网接入公用电网的三种方式。
本项目采取通过用户内部电网接入公用电网，T接于用户内部网络，实现并网发电功能。
③接入容量
a）小型光伏电站总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25%。
b）T接于公用电网的中型光伏电站总容量宜控制在所接入的公用电网线路最大输送容量的30%内。
本项目属于小型光伏电站，光伏装机容量设计不超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25%。
3.7电缆敷设及防火
电缆敷设采用桥架和电缆沟两种方式；
配电室至光伏方阵及光伏方阵内电缆主要采用桥架敷设方式；
新增交流柜至原有低压母线段采用电缆沟敷设方式。
电力电缆选用交联聚乙烯或聚氯乙烯绝缘电缆；连接微机设备的控制电缆选用聚氯乙烯绝缘屏蔽控制电缆。
电缆设施遵循《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）的要求。
电缆防火按照根据《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）的要求设计，在电缆从室外进入室内的入口处、电缆接头处、长度超过100m的电缆沟、电缆通过的孔洞，均应进行防火封堵。
安装方式：
本光伏电站采用固定式安装方式，保证组件与支架连接牢固可靠，并能很方便地更换太阳能电池组件。
相邻组件左右间隙设计：
为保证组件安装方便、安装误差，每排阵列的相邻组件左右间隙为0.5m。
3.8消防
本工程消防总体设计采用综合消防技术措施，根据消防系统的功能要求，从防火、灭火、排烟、救生等方面作完善的设计，力争做到防患于未然，减少火灾发生的可能，一旦发生也能在短时间内予以扑灭，使火灾损失减少到最低程度，同时确保火灾时人员的安全疏散.
3.9施工组织
项目所在地区宜宾五粮液厂区交通条件非常便利，主要安装材料可交通运输过来，施工用电、用水就近引接自用户内已有给水系统。
施工区拟布置宜宾五粮液厂区内屋顶，主要包括现场施工和材料堆场。
3.10工程管理
光伏电站的自动化程度较高，管理机构的设置根据生产经营需要，本着高效、精简的原则，实行现代化的企业管理。
在完成光伏电站建设后，项目公司将在建设期的基础上作出一定的调整。
光伏组件设计寿命25年，组件达到使用寿命后由专业公司回收。
组件采用夹具固定方式，拆除方便。
3.11安全与保护
光伏电站在并网点设总开关。
低压交流柜（箱）内低压开关选用热磁型脱扣器，以实现对低压线路的短路、过载保护。
光伏电站具备快速检测孤岛且立即断开与电网连接的能力。
光伏电站配置逆功率保护设备，当检测到逆向电流超过额定输出的5%时，光伏电站在0.5S-2S内停止向电网线路送电。
电网发生扰动后，在电网电压和频率恢复正常之前光伏电站不并网，且在电网电压和频率恢复正常后，经过20S-5min可调的延时后才能重新并网。
系统符合《光伏电站接入电网技术规定》的所有要求与规范，光伏电站的建设与运行不对电网安全造成任何影响。
四、效益分析
位于南京，地约处东经119°，北纬32°，地处江苏省南部，南京市太阳能辐射量年均总太阳能辐射量约为5500MJ／m2（水平条件下），年均日照时数为近2100h。
。
可估算出此屋顶光伏发电系统的前8年平均年发电量约为：
270万度，前25年平均年发电量约为：
31.52万度，前25年总发电量为：
788万度。
具体数值如下表三。
符号
名称
单位
数值
W
装机总量
MWP
0.25
H
年峰值日照小时数
h
1800
η
光伏电站系统总效率
1
0.77
Ih
倾斜面年总太阳辐射量
kWh/㎡
1800
倾斜面年总太阳辐射量
MJ/㎡
6480
I
水平面年总辐射量
kWh/㎡
1500
水平面年总辐射量
MJ/㎡
5400
a
地区实际工程实践经验值
1.2
I0
标准太阳辐射强度
kW/㎡
1
L
年发电量
万kWh
34.65
b
年衰减率
0.80%
年数
年衰减率
1
0
万kWh
34.65
2
0.008
万kWh
34.3728
3
0.008
万kWh
34.0978176
4
0.008
万kWh
33.82503506
5
0.008
万kWh
33.55443478
6
0.008
万kWh
33.2859993
7
0.008
万kWh
33.01971131
8
0.008
万kWh
32.75555362
9
0.008
万kWh
32.49350919
10
0.008
万kWh
32.23356111
11
0.008
万kWh
31.97569262
12
0.008
万kWh
31.71988708
13
0.008
万kWh
31.46612799
14
0.008
万kWh
31.21439896
15
0.008
万kWh
30.96468377
16
0.008
万kWh
30.7169663
17
0.008
万kWh
30.47123057
18
0.008
万kWh
30.22746073
19
0.008
万kWh
29.98564104
20
0.008
万kWh
29.74575591
21
0.008
万kWh
29.50778986
22
0.008
万kWh
29.27172755
23
0.008
万kWh
29.03755373
24
0.008
万kWh
28.8052533
25
0.008
万kWh
28.57481127
总数
25年总发电量
万kWh
787.9734026
L
25年年平均发电量
万kWh
31.51893611
L1
前5年总发电量
万kWh
170.5000874
L2
前8年总发电量
万kWh
269.5613517
L3
前10年总发电量
万kWh
334.288422
L4
前15年总发电量
万kWh
491.6292124
L5
前20年总发电量
万kWh
642.7762669
总数
25年总发电量
万kWh
787.9734026
表三：
250KWp光伏系统25年发电量计算
现从以下几方面对该屋顶光伏
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