光伏系统设计技术方案.docx

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光伏系统设计技术方案

某公司

新建厂房办公楼

160KW光伏并网发电系统

技术方案

某有限公司

2009-03

1总体设计方案

1.1某公司新建厂房概况

某公司科技工业园区坐落在开发区。

建设用地面积为80583平方米；总建筑面积为46473平方米。

本方案由新建厂房和办公大楼，厂前南广场，中心广场以及已建厂房组成。

厂房整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。

屋顶呈平台型。

女儿墙高1.5米。

计划在新建的厂房前端办公楼的屋顶装设太阳能光伏电池组件板，并在办公楼南立面装设光伏玻璃幕墙，建设太阳能光伏发电示范系统。

厂房办公楼目前处于设计在建状态。

1.2设计要求

1）该项目有一定的公众影响力，作为太阳能光伏发电示范系统，美观非常重要，要求光伏系统的安装应保持屋顶的风格和美观，并与厂区整体环境相协调。

2）该光伏系统主要提供新建厂房办公楼的照明用电。

包括：

照明？

？

KW。

要求在阴雨天气时，应能使用城市电网为负荷供电。

3）光伏系统建设费用计入新建厂房开发成本，建设后一起移交业主某公司电动汽车管理，要求节省投资，维护管理方便。

1.3光伏发电系统运行方式

太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类，即独立运行和并网运行。

独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。

由于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。

但这种太阳能光伏发电系统发出的电能独立供给负载，不与公共电网连接，也就不会对公共电网发生任何干扰。

在有公共电网的地区，光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。

并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。

由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，蓄电池的使用寿命通常仅为5-8年。

报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。

通过逆变器变换产生的交流电，或者向公共电网输送电能，或者与公共电网同时端接输出到低压负载。

这两种方式都是当时发电当时使用，太阳能发出的电量直接与公共电网并接。

只是根据并网光伏系统是否允许通过供电区的变压器向主电网馈电，分为可逆流和不可逆流的并网光伏发电系统。

目前，美国、德国等西方先进国家大多采取可逆流的并网供电方式。

综合考虑，该光伏发电系统拟采用不可逆流的并网运行方式，在厂房内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网。

采取局部并网运行方式提高了上级城市电网的安全性。

预留可逆流并网运行功能。

1.4设计依据

该系统的设计依据有：

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C：

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

GB/T21086-2007建筑幕墙

GB50057-94建筑物防雷设计规范

JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范

JGJT139-2001玻璃幕墙工程质量检验标准

当地气象资料。

光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

建设方提供的相关资料及要求等。

1.5设计原则

太阳能光伏发电系统的安装不能破坏建筑造型，不能破坏装饰性艺术风格，不能造成结构的重新返工。

太阳能工程必须保证建筑物的安全。

太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。

必须考虑安装条件、安装方式和安装强度。

包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题，特别是太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。

其中，太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。

特别是需要屋面承受空气层流所产生的巨大风力。

光伏发电系统应当在可靠地满足负载需要的前提下，进行合理的配置，尽量减少系统规模，降低投资费用。

光伏发电系统设计必须要求其高可靠性能，保证在较恶劣条件下的正常使用；同时要求系统的易操作和易维护性，便于用户的操作和日常维护。

整套光伏发电系统设计、制造和施工的低成本，设备的标准化、模块化设计，提高备件的通用互换性，要求系统预留扩展接口便于以后规模容量的扩大。

具体实施时，太阳光伏发电组件板要用适当的方位角和倾斜角安装，确保太阳电池组件得到最优化的性能；安装地点的选择应能够满足组件在当地一年中光照时间最少天内，太阳光从上午9：

00到下午3：

00能够照射到组件。

组件安装结构要经得住风雪等环境应力，安装孔位要能保证容易安装和机械的受力，推荐使用正确的安装结构材料可以使得组件框架、安装结构和材料的腐蚀减至最小。

1.6光伏发电系统组成

针对太阳能光伏并网发电系统，建议采用分块发电、集中并网方案，将系统分成几个发电单元，最终实现整个并网发电系统并入负载系统。

经过计算，整个并网发电系统需配置304块170Wp单晶硅组件，108块190Wp单晶硅组件，105块220Wp单晶硅组件，270块230Wp多晶硅组件，66块160Wp双玻光电幕墙组件，共计组件853块，实际功率约为167.96KWp。

考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，建议在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接安装在电池支架上，每个汇流箱可接入6路光伏阵列，整个并网系统需配置14台光伏阵列防雷汇流箱。

为了将光伏阵列防雷汇流箱的直流输出汇流后再接入逆变器，系统需要配置2个直流防雷配电柜（4个配电单元）。

并网逆变器采用三相五线制的输出方式。

整个并网发电系统按照8个并网发电单元进行设计，配置了1台SG50K3逆变器，3台SG30K3逆变器，4台SG10K3逆变器。

太阳能并网发电系统，将光伏系统的并网点选择在并网点的低压配电柜上。

逆变器的交流电输出，通过电缆分别接至交流配电柜的交流输入端，同时来自市电网低压配电柜的输入也接入交流配电柜，从交流配电柜向负载供电。

从而实现整个并网系统并入负载交流电网。

综上所述，本系统主要由太阳能组件、光伏阵列防雷汇流箱、直流防雷配电柜、光伏并网逆变器和交流配电柜所组成。

另外，系统应配置1套监控装置，用来监测系统的运行状态和工作参数。

某公司电动汽车光伏发电系统技术参数

地理位置：

浙江杭州

光伏系统型式：

屋顶支架系统，双层光电幕墙

安装面积：

屋顶1760平方米；幕墙109平方米

光伏系统峰值功率：

167.96kWp

组件规格：

125×125单晶硅；156×156多晶硅

组件类型：

普通平板组件，3.2mm钢化超白玻璃+EVA+电池片+EVA+绝缘背板材料；双玻组件，6mm钢化超白玻璃+EVA+电池片+EVA+6mm钢化超白玻璃。

组件数量：

普通平板组件787块；双玻幕墙组件66块。

共计853块。

系统类型：

不逆流并网光伏系统

输出电压：

不逆流并网三相380VAC

输出波型：

正弦波

预计投入使用时间：

2009年8月

并网光伏系统日发电量预计：

年平均日发电量：

580kWh

年发电量预计：

21万kWh

使用寿命：

25年

使用寿命内二氧化碳减排量：

5800吨

2光伏发电系统设计

2.1光伏发电系统容量设计

2.1.1并网光伏系统的最佳倾角、方位角

当地的纬度的影响。

并网光伏供电系统有着与独立光伏系统不同的特点，在有太阳光照射时，光伏供电系统向电网发电，而在阴雨天或夜晚光伏供电系统不能满足负载需要时又从电网买电。

这样就不存在因倾角的选择不当而造成夏季发电量浪费、冬季对负载供电不足的问题。

在并网光伏系统中需要关心的问题就是如何选择最佳的倾角使太阳电池组件全年的发电量最大。

通常该倾角值为当地的纬度值。

灰尘积累的影响。

最佳倾角的选择需要根据实际情况进行考虑的主要原因是灰尘积累的影响。

垂直安装的光伏组件比正南15°安装的自洁性好。

实际运行数据表明，垂直安装的光伏组件几乎没有灰尘积累，而正南15°安装的灰尘积累严重。

风压的影响。

根据气象资料，通过中国海平面的三十年一遇的１０分钟平均风速统计值，可以得到若干城市的风压系数，再结合陆上建筑不同高度的风压值与海平面风压之间的风压高度系数，就可以计算出单位面积建筑屋面的风压值。

杭州陆上风压系数1.54，风速60kg/m2。

当然，不同的建筑屋面形态和结构所产生的空气层流作用是各不相同的。

斜顶式建筑物屋顶的风压与屋顶的倾斜角度有关，角度大时，受压面与迎风面墙相同，压力为正压力；角度小时，压力为负压力，屋顶或其他安装于屋顶的部件可能会被掀翻。

为降低屋顶的空气层流产生的压力差，应取一个合适的角度。

根据以上情况，及实际安装地点情况，采取以下设计：

支架倾角30°，两侧部分方位角各偏15°，其它正南方位角。

光伏幕墙安装于南立面，垂直于地面。

2.1.2容量设计

光伏组件规格的选择。

光伏系统屋顶部分选用单晶硅、多晶硅光伏组件，光伏幕墙部分选用160Wp双玻光伏组件。

技术参数如下：

型号

170S

190S

220S

230P

南玻

电池类型

单晶硅125-72

单晶硅125-78

单晶硅125-91

多晶硅156-60

多晶硅156-48

外形尺寸

1580*808*40

1705*798*50

1704*942*50

1642*991*45

1410*1165*30

重量

15.5Kg

17Kg

20.5Kg

19Kg

60Kg

标称功率

170Wp

190Wp

220Wp

230Wp

160Wp

开路电压

43.20V

47.97

55.33

36.6V

29.28V

短路电流

5.4A

5.34

4.99

7.98A

7.56A

峰值点电压

35.41V

39.78

45.86

30.6

23.76V

峰值点电流

4.8A

4.78

4.58

7.51A

6.73A

屋顶光伏组件的布置。

根据建设方提供的厂房办公楼屋面图、立面图，女儿墙高度1.5m，以及实际情况，应考虑女儿墙及周边建筑物的遮挡、维护通道、参观通道设置，光伏组件布置如下：

西侧：

左下角平台，采用平行方阵，方阵倾角30°，正南方位，共安装5排，每排27行，每行上下2块组件板，共计270块组件。

功率为270*230Wp=62100Wp。

东侧：

右下角平台，采用平行方阵，方阵倾角30°，正南方位，共安装6排，其中3排每排24行，另3排每排16行，每行上下2块组件板，共计240块组件。

另有32块组件组成其他部分阵列。

功率为（240+32）*170Wp=46240Wp。

西侧：

左上角平台，采用斜向平行方阵，方阵倾角30°，南偏西15°方位角，共安装14排，其中13排每排4行，另1排每排2行，每行上下2块组件板，共计108块组件。

功率为108*190Wp=20520Wp。

东侧：

右上角平台，采用斜向平行方阵，方阵倾角30°，南偏东15°方位角，共安装14排，其中13排每排4行，另1排每排2行，每行上下2块组件板，共计105块组件。

功率为105*220Wp=23100Wp。

中央：

采用平行方阵，方阵倾角30°，正南方位，共安装1排，每排16行，每行上下2块组件板，共计32块组件。

功率为32*170Wp=5440Wp。

此32块170Wp组件，与东侧右下角部分的32块170Wp一起组成一个整体。

屋顶平台共安装组件787块，总功率157400Wp。

光伏幕墙的布置。

共安装6串，每串11块，共计66块双玻幕墙组件。

功率为66*160Wp=10560Wp。

以上合计：

167960Wp。

2.2电气设计

2.2.1直流防雷汇流箱

为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线，方便日后维护，本系统在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接安装在支架上。

光伏阵列直流防雷汇流箱（型号SPVCB-6）的性能特点如下：

1）户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，满足室外安装使用要求；

2）可同时接入6路光伏阵列，每路光伏阵列的最大允许电流为10A；

3）光伏阵列的最大开路电压值为DC900V；

4）每路光伏阵列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为DC1000V；

5）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高压防雷器，防雷器采用菲尼克斯品牌；

6）直流输出母线端配有可分断的直流断路器，断路器采用ABB品牌。

整个160KWp并网系统需配置14台光伏阵列防雷汇流箱。

其中屋顶部分配置13台汇流箱，光伏幕墙部分配置1台汇流箱。

详细汇流箱接线见附图。

直流防雷汇流箱直流防雷配电柜

直流防雷汇流箱技术参数：

性能

参数

光伏阵列电压范围

200-900V

最大光伏阵列并联输入路数

每路光伏阵列的最大电流

10A

直流总输出空开

是

光伏专用防雷模块

是

输出端子大小

M10

防护等级

IP65

每路光伏阵列电流监控（选配）

是

通讯接口（选配）

RS485

环境温度

-25-+60℃

环境湿度

0-95%

宽/高/深mm

400×500×180

重量

16Kg

2.2.2直流防雷配电柜

光伏组件阵列通过直流防雷汇流箱在室外进行汇流后，通过电缆接至配电房的直流防雷配电柜再进行一次总汇流。

160KWp并网系统配置的14台光伏阵列防雷汇流箱，其中的13个光伏阵列直流汇流箱位于屋顶部分，接入4个直流防雷配电柜，详细配电柜单元接线见附图。

直流防雷配电柜的每个配电单元都具有可分断的直流断路器、防反二极管和防雷器。

断路器选用ABB品牌，防雷器选用菲尼克斯品牌。

直流防雷配电柜的电气原理接线图如图所示。

2.2.3并网逆变器

此次光伏并网发电系统设计，配置1台型号为SG50K3并网逆变器，3台SG30K3逆变器，4台SG10K3逆变器，组成160KWp并网发电系统。

详细接线见附图。

2.2.3.1并网逆变器性能特点

该SG50K3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；

1）采用日本三菱公司第五代智能功率模块（IPM）；

2）太阳电池组件最大功率点跟踪技术（MPPT）；

3）50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔离；

4）具有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关，紧急停机操作开关；

5）具有先进的孤岛效应检测方案及具有完善的监控功能；

6）具有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能；

7）宽直流输入电压范围（450V～880V），整机效率高达95%；

8）人性化的LCD液晶界面，中英文菜单，通过按键操作，液晶显示屏可显示实时各项运行数据、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。

9）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；

10）逆变器具有CE认证资质部门出具的CE安全证书。

2.2.3.2SG50K3并网逆变器主电路

SG50K3并网逆变器主电路的拓扑结构如图所示。

并网逆变电源通过三相半桥变换器，将光伏阵列的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三相变压器隔离升压后并入电网发电。

为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧加入了先进的MPPT算法。

2.2.3.3并网逆变器技术参数

型号

SG50K3

SG30K3

SG10K3

隔离方式

工频变压器

最大太阳电池阵列功率

60KWp

33KWp

11KWp

最大阵列开路电压

880V

450V

太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围

450V～820V

220-380V

可接入阵列串联数

最大阵列输入电流

130A

150A

50A

额定交流输出功率

50KW

30KW

10KW

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%

94.5%

欧洲效率

93.5%

允许电网电压范围

330V～450AC三相

330-450AC三相

允许电网频率范围

47.5～51.5Hz

夜间自耗电

<30W

通讯接口

RS485

防护等级

IP20（室内）

使用环境温度

－20℃～＋40℃

噪音

≤50dB

冷却方式

风冷

尺寸（宽×高×深）

820×1964×646mm

530*900*500

重量

700Kg

400Kg

150

执行标准

IEEE929,EN61000

认证

2.2.3.4液晶显示

SG50K3光伏并网逆变电源智能化程度高，每天自动启停工作，无需人为控制。

在逆变电源的最上端有状态显示LED灯，LCD面板上有5个LED灯和6个按键，通过这些指示灯和按键可知道逆变电源的工作状态并对逆变器进行控制。

2.2.4交流配电柜

交流配电柜主要满足以下功能需求：

1）满足160KWp光伏发电系统的输入输出功率要求。

2）能够在光伏发电系统与市电网之间切换，在出现光伏发电系统输出功率不足、输出电压过低等条件时自动切换到市电网线路。

3）交流配电柜应适应于三相低压交流电网（AC380V/50Hz），应配置相应电气保护装置；同时配置防雷装置，以防市电网雷击串入。

2.2.5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）监控主机的照片和系统特点如下：

✧嵌入式低功耗Eden处理器；

✧带LCD/CRTVGA；

✧以太网口；

✧RS232/RS485通讯接口；

✧USB2.0；

✧256M内存（可升级）；

✧40G笔记本硬盘（可升级）；

✧工控机和所有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，下图是本公司的并网逆变器的监控界面：

2.2.6环境监测仪

本系统配置1套环境监测仪，用来监测现场的环境情况：

该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，适用于气象、军事、船空、海港、环保、工业、农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。

可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其RS485通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。

2.2.7光伏系统连接电缆线及防护材料

光伏系统中电缆的选择主要考虑如下因素：

1）电缆的绝缘性能；

2）电缆的耐热阻燃性能；

3）电缆的防潮，防光；

4）电缆的敷设方式；

5）电缆芯的类型（铜芯，铝芯）；

6）电缆的大小规格。

光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。

以下分别列出不同连接部分的技术要求：

1）组件与组件之间的连接：

必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。

电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。

2）方阵内部和方阵之间的连接：

可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝晒。

建议穿管安装，导管必须耐热90℃。

3）方阵和逆变器之间的接线：

必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。

电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。

电缆大小规格设计，必须遵循以下原则：

1）交流负载的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。

逆变器的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。

方阵内部和方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。

3）考虑温度对电缆的性能的影响。

4）考虑电压降不要超过2％。

5）适当的电缆尺径选取基于两个因素，电流强度与电路电压损失。

完整的计算公式为：

线损=电流×电路总线长×线缆电压因子。

SG50K3部分电缆：

组件至直流防雷汇流箱为组件配置电缆，直流防雷汇流箱至直流配电柜的电缆为25平方，直流配电柜至逆变器为35平方，逆变器至交流配电柜为50平方。

SG30K3部分电缆：

组件至直流防雷汇流箱为组件配置电缆，直流防雷汇流箱至直流配电柜的电缆为25平方，直流配电柜至逆变器为35平方，逆变器至交流配电柜为50平方。

SG10K3部分电缆：

组件至直流防雷汇流箱为组件配置电缆，直流防雷汇流箱至逆变器的电缆为16平方，逆变器至交流配电柜为35平

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