6100KW光伏扶贫电站电气系统设计.docx
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6100KW光伏扶贫电站电气系统设计
第一章绪论
1.1光伏发电系统分类
光伏发电系统是通过光伏电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统，可分为离网光伏发电系统与并网光伏发电系统。
离网光伏发电系统其主要组成结构由光伏组件（或方阵）、蓄电池（离网光伏发电系统需要蓄电池）、光伏控制器、逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）等设施构成，典型离网光伏发电系统如图1-1所示。
图1-1光伏发电系统结构图
光伏组件将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动负载工作；蓄电池用来存储光伏组件产生的电能，并可随时向负载供电；光伏控制器的作用是控制光伏组件对蓄电池充电以及蓄电池对负载的放电，防止蓄电池过充、过放；交流逆变器是把光伏组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载。
图1-2光伏并网电站结构图
并网型光伏电站结构如图1-2所示，一般由光伏阵列、直流配电柜、逆变器、交流配电柜、监控系统等组成，高压侧光伏并网系统还包括升压变压器；对于光伏扶贫项目而言，均为并网光伏发电系统。
1.2完成本设计方案的整体思路
本项目设计主要分为项目勘察、直流侧设计、交流侧设计、二次系统设计；具体内容如下：
1.项目勘察
勘察项目所在地现场，了解项目所在地的光照资源、气候条件、光伏产业资助政策，与并网点距离，道路是否通畅等情况。
2.直流侧设计
从电气设计的角度出发，根据项目勘察情况，完成基础设施、支架系统、光伏组件、组件倾斜角与方位角、组件串并联等相关直流侧系统的设计。
3.交流侧设计
根据直流侧设计相关参数，完成交流侧及高压侧系统设计，主要包括逆变器、配电柜、升压系统等。
4.二次电气系统设计
在项目勘察、直流侧与交流侧设计的基础上，完成二次电气系统的设计，主要包括监控系统、通信系统、环境监测系统等。
1.3项目概况
本工程100KW光伏扶贫项目安装地点位于邮亭圩镇新街村闲置荒地，位于东经东经E111°48′至E111°39′和北纬N26°21′至N26°39′之间。
该村，分为11个村民组。
总面积1.54平方公里，耕地69.47公顷，210户，8742人。
场区内水可以就近采用当地水源，施工用电电源引用自项目附近农网线路，对外交通以现有乡村公路为主。
气温为17.6～18.6℃，无霜期286～311天，日最低气温0℃以下的天数只有8～15天。
多年平均降雪日数为3～7天，极端最低气温在－4.9～－8.4℃之间。
日平均气温≥0℃的积温达6450—6800℃，≥10℃的积温为5530～5860℃。
多年平均日照时数为1300—1740小时，太阳总辐射量达101.5～113千卡∕平方厘米。
多年平均降水量1200～1900毫米，一般是山区多于平岗区，南部多于北部。
永州市位于湖南省南部三面环山、向东北开口的马蹄形盆地的南缘。
境内地貌复杂多样，河川溪涧纵横交错，山岗盆地相间分布。
永州山地面积大，主要山脉有越城岭-四明山系、都庞岭-阳明山系和萌渚岭-九疑山系。
根据NASA气象数据库中的数据以及PVSYS软件模拟，可以得到零陵区24°角为最佳倾角。
在最佳情况下永州市水平面的日照辐射量可以达到3.43度/平方米/日，属于中国太阳能资源三类地区，太阳能资源丰富，可以发展分布式光伏发电。
第二章光伏电站电气设计
本光伏电站的整体设主要要根据制造水平，运行的可靠性，技术的成熟度和价格，并结合光伏电站的具体情况进行初步布置，计算其在标准状况的理论发电量，最后通过技术比较确定技术方案。
2.1光伏组件的选型与设计
光伏组件是光伏系统的主要发电来源。
光伏组件的种类有很多，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。
（1）转换效率分析
目前单晶硅光伏电池组件的光电转换效率能够达到17%；多晶硅光伏电池组件效率约16%，略低于单晶硅电池的水平，但价格较单晶便宜；非晶硅光伏电池组件光伏转换效率约10%，但弱光效益较好。
（2）光伏电池组件经济性分析
随着光伏产业技术进步及市场的发展，各类电池组件市场价格不断下降，根据目前光伏市场电池组件、设备等最新报价情况，单晶硅组件价格约3.1元/W、多晶硅组件约3元/W、非晶硅组件约3元/W。
（3）光伏电池组件类型的确定
随着技术水平的提高和生产工艺的完善，光伏组件的功率大为提高，其发电效率也明显提高。
目前，湖南主流商生产的光伏电池组件功率多数在150 Wp～300 Wp之间，尤以250Wp到260Wp之间居多。
综合上述技术、经济比较，本光伏电站选择400块255W多晶硅光伏组件，实际装机容量为102KW，光伏组件性能参数如表2-1所示：
表2-1光伏电池组件性能参数表
光伏组件种类
多晶硅
峰值功率（Wp）
255
开路电压（V）
37.7
短路电流（A）
8.89
额定电压（V）
30.4
额定电流（A）
8.37
额定光伏组件效率（%）
15.67
峰值功率温度系数（%/K）
-0.44（-0.423）
开路电压温度系数（%/K）
-0.34（-0.307）
短路电流温度系数（%/K）
+0.055（+0.039）
工作温度（℃）
-40～+85
安装尺寸（mm）
1640×992×45
重量（kg）
18.2
2.2光伏阵列设计
1.光伏阵列运行方式
光伏阵列的运行方式有简单的固定式、倾角可调固定式和复杂自动跟踪系统三种类型。
太阳能跟踪装置又包括“单轴跟踪”、“双轴跟踪”两种类型。
跟踪器是一种支撑光伏阵列的装置，它精确地移动以使太阳入射到方阵表面上的入射角最小，这样太阳入射辐射最大。
不同跟踪系统在当地条件下对发电量（与固定式相比）的影响不同。
根据有关研究表明，单轴跟踪比固定式发电量一般可提高20～30%，双轴跟踪比约固定式发电量提高30～40%。
对倾角固定可调式，阵列获得的太阳能与固定式相比一般可提高5%。
但单轴跟踪、双轴跟踪价格及运维成本较高，一般来说，发电量的提高比例低于成本的增加比例，性价比较差。
因此，本工程全部选用简单可靠的固定式方式。
2.最佳倾角及安装方位角
在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。
与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：
光伏电池组件倾角，光伏电池组件方位角。
（1）光伏阵列的倾斜角
光伏阵列受光面太阳能总辐射量可由NASA数据库和PVsyst软件计算出不同倾角条件下的总辐射量，经计算得出当倾角为32°时，阵列面上的太阳能年总辐射量相对较大，可以看出，倾斜面在0°～24°之间呈上升趋势。
综合考虑光伏电站光伏阵列倾角布置和运行数据来看，倾角24°发电量是理想的。
（2）光伏阵列的方位角
光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。
一般在北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池组件的发电量是最大的。
永州市位于北半球，光伏阵列应朝向赤道方向（即正南方）安装。
3.支架基础
本项目光伏阵列安装在闲置荒地，主要的支架基础为浇筑混凝土基础。
但是由于考虑到水土保持，农光结合，因此需要制作钢结构网架进行架高。
安装示意图如下所示：
两列柱斜顶支架农业种植示意图
2.3逆变器的设计与选型
逆变器也称逆变电源，是将直流电能转换成交流电能的变流装置。
逆变器按输入直流电源性质分类，可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。
对于逆变器的选型，通过逆变器输出效率、逆变器输出波形、输入直流电压范围等方面的指标比较进行选择。
目前常用的逆变器有组串式逆变器、集中型逆变器和微型逆变器，从全球市场来看，智能逆变器已占了光伏逆变器行业的主导地位。
本工程安装容量100kW不考虑微型逆变器。
本工程场地为闲置荒地，组件分布相对分散，从系统容量上考虑，不适宜采用集中式逆变器，相比较而言，组串式逆变器配置比较灵活，占地面积小，相对于集中式逆变器，在电站20年生命周期内不仅能带来发电量高，更能有效解决光伏电站售后交付和运维中长期存在的烦恼，组串式逆变器解决方案无论在初期运维还是后期运维上，都有着明显优势。
因此本工程综合考虑国内外光伏并网逆变器各种型号产品和各屋顶安装组件容量，选用的逆变器主要技术参数如表2-2所示：
表4-5逆变器主要技术参数
GW50K-MT
直流输入
最大接入组串功率（W）
60000
额定直流功率（W）
51500
MPPT电压范围（V）
260~850
启动电压（V）
250
最大直流电流（A）
28/28/19/19
输入路数
10
MPPT路数
4
交流输出
额定交流功率（W）
50000
最大交流功率（W）
55000
最大交流电流（A）
80
额定输出
50/60Hz;400Vac
输出范围
45~55Hz/55~65Hz;310~480Vac
电流总谐波失真
<3%
功率因素
0.8超前~0.8滞后
电网类型
3W/N/PE
效率
最大效率
98.70%
欧洲效率
98.30%
MPPT效率
99.90%
保护
残余电流保护
集成
孤岛保护
集成
组串故障检测
集成（可选）
直流保险丝
集成
直流开关
集成（可选）
直流浪涌保护
TypeII
交流浪涌保护
TypeII
浪涌保护失效检测
集成
输出过流保护
集成
绝缘阻抗侦测
集成
常规参数
尺寸（宽x高x厚）
586*915*263mm
重量（kg）
66kg
安装方式
壁挂
环境温度范围
-25~60°C
相对湿度
0~95%
最高工作海拔
4000m
防护等级
IP65
拓扑结构
无变压器
冷却方式
强制风冷
显示
LCD
通信方式
USB;RS485;WiFi/GPRS
2.4光伏阵列设计
光伏系统根据实际需要，将若干光伏电池组件经串、并联，排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压和电流的需要。
光伏电池组件串联，要求所串联组件具有相同的电流容量，串联后的阵列输出电压为各光伏电池输出电压之和，相同电流容量光伏电池串联后其阵列输出电流不变；光伏电池组件并联，要求所并联的所有光伏电池具有相同的输出电压等级，并联后的阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变。
组件连接及安装方式
本光伏电站100kWp电池组件采用255Wp多晶硅电池组件，均采用最佳倾角为24°固定安装在支架上。
100KWp太阳电池阵列由10个多晶硅电池方阵组成。
将系统分成10个10KWp并网光伏发电单元，采用汇流箱通过与2台50kw逆变器逆变为交流电，然后通过变器输出的交流电经交流配电柜汇流后经变压器升至10kV接入电网。
根据拟建项目选用的光伏组件、汇流箱、直流配电柜及逆变器的性能参数，并考虑光伏组件工作条件下的极限温度、光伏组件的开路电压温度系数的影响，对拟建项目的光伏组件的串并联关系进行分析，经计算得出本项目的光伏组件串最大串联数及并联数。
组件串联数应保证满足逆变器的直流MPPT电压和最大电流允许电压的要求。
本项目逆变器的MPPT电压跟踪范围为260～850V，最大输入电压为1000V。
按照实际情况，每个组件串的组件数目统一，对于本工程，组件串中组件数20块。
同一个支架方阵单元中光伏电池组件的排列方式有多种，需要考虑线缆用量、施工复杂程度及生产期维护等综合因素，最终确定光伏组件的组串排列布置。
本工程峰值功率为255Wp多晶硅光伏组件，推荐固定式支架光伏电池组件的串、并联布置方案，即2串峰值功率为255Wp多晶硅光伏组件（每串20块），呈2行20列布置，组成一个支架方阵单元。
2.支架方阵单元行、列间距的设计
（1）支架方阵单元行间距的设计
光伏阵列的行间距与日照和阴影有关，场址考虑光伏阵列之间的阴影影响。
阴影长度因安装场所的纬度、季节、时间的不同而异。
在设计时通常考虑在阴影达到最长的时间，即冬至从上午9时至午后3时之间，影子对阵列不能有遮挡。
光伏阵列行间距不小于D：
D=cosβ×H/tan[arcsin（0.648cosf-0.399sinf）]
其中β——太阳方位角，
β=arcsin[0.648/cos[arcsin（0.648cosf-0.399sinf）]]；
f——当地纬度；
通过计算可得出，峰值功率为255WP光伏组件每排之间的间距取为2.2m。
（2）支架方阵单元列间距的设计
根据实地情况，使单元固定支架两方阵之间阴影不受遮挡，同时安装、维护、接线方便。
2.5方阵接线方案设计
1.汇流箱接线方式及逆变器单元接线方案
本工程采用的是组串式逆变器GW50K-MT（输入路数为10路），因此不需要额外的汇流箱，只需将逆变器交流输出通过交流配电箱汇流后接入到主变压器低压侧
2.逆变器电气设备布置
逆变器布置于太阳能电池板支架下，共需要2台50kW的组串式逆变器。
3.升压变配置方式及光伏方阵接线方式
本工程采用农网自带的变压器，不需要额外配置升压变。
2.6电气一次设计
1.光伏电站接入系统方案
本项目位于湖南省零陵区邮亭圩镇新街村，本项目建设规模为100kWp。
根据本项目规划，光伏电站经过并网柜后经升压变压器接入10kV系统。
2.电气主接线设计原则
（1）接线应安全可靠、简单清晰和满足所有运行工况要求；
（2）技术先进、经济合理；
（3）运行灵活、维护方便和便于管理；
3.光伏电站集电线路方案的确定
（1）逆变器与升压变压器的组合方式
本期光伏电站总共100kW，采用组串式逆变器，全额上网，逆变器交流输出直接经并网柜接至升压变压器。
（2）光伏电站升压方式选择
需配置升压变压器升至10kV。
4.无功补偿装置
本项目采用的逆变器自带无功补偿功能，将可以根据实时功率因数自动调节。
5.主要电气设备选择
户外配电装置污秽等级按Ⅳ级考虑，配电装置外绝缘泄漏比距≥3.1 cm/kV（以设备最高运行电压为基准）；所有电气设备的绝缘均按照国家标准选择确定。
（1）直击雷保护
在光伏阵列区内铺设地网设置避雷带进行直击雷保护。
该避雷带的网格为8～10 m，每隔10～20m设引下线与接地网连接。
（2）侵入雷电波保护
为防止线路侵入的雷电波过电压，在10kV进线装设氧化锌避雷器保护。
在每一面开关柜内都装设过电压保护器，用以吸收操作过电压。
并且露天布置的光伏电站设备外壳须可靠接地。
防雷保护及接地按《电力设备过电压保护设计技术规程》及《电力设备接地设计规程》进行设计。
（3）接地装置及设备接地，按《交流电气装置的接地》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的有关规定进行设计。
变电站接地装置采用以水平接地体为主的复合接地装置。
首先充分利用各设备基础内的钢筋作为自然接地体，再敷设必要的人工接地网，以满足接地网的接地电阻经实测应≤4Ω值的要求。
（4）光伏发电系统支架及基础，利用支架基础做自然接地体，再敷设人工接地网，接地电阻不大于10Ω。
6.电缆设施及防火
配电室电缆采用电缆沟敷设，控制室电缆采用电缆沟、活动板下、穿管和直埋的敷设方式；太阳能电池板至逆变器电缆主要采用太阳能板下敷设电缆槽盒的方式；逆变器的电缆采用电缆槽盒和电缆沟相结合的敷设方式；至配电装置的电缆主要采用电缆沟的方式敷设。
本光伏电站本期建设容量为100KW，采用升压变压变压后介入接入10kV电网。
在光伏电站中控室设置计算机工作站，通过工作站向监控部门传输远动信息，并接受监控部门的远方监视。
光伏发电系统采用计算机监控，光伏发电系统的计算机监控系统由家配套提供，专供光伏发电系统的自动监视和控制。
2.7电气二次设计
1.监控系统
本光伏发电系统拟采用微机监控。
监控系统采用开放式分层分布系统结构，由站控层、间隔层和网络层三部分组成。
站控层为整个光伏电站设备监视、测量、控制、管理的中心，安装在现场主控室内，留有与升压变电站计算机监控系统的通讯接口。
站控层主要包括光伏监控主机，安装于主控制室。
网络层是系统数据采集通讯和网络部分，通过环网将监控主机和间隔层设备互联，网络层设备主要包括屏蔽双绞线、通讯管理机、以太网交换机等。
间隔层设备主要包括光伏数据采集器、温度及日照辐射传感器等，光伏数据采集器安装于各分站房通讯屏内，向上通过光纤环网和站控层监控系统连接，向下通过RS485接口和所有的智能装置连接，智能设备主要包括：
逆变器装置、智能交流配电柜测控单元装置等。
整个监控系统的主要功能如下：
（1）控制功能。
运行人员经键盘或鼠标可对逆变器、断路器等电气设备进行远方操作。
（2）遥测功能。
能监测每组电池串的电流；每组逆变器交直流电压、电流、有功功率、无功功率及电度量。
2.电流电压互感器配置
电流电压互感器配置参照有关设计规范进行设置，变比选择按照各回路的额定电流及额定电压进行选择。
对于电流互感器保护用二次线圈准确级选择用5P级，测量用二次线圈准确级选择0.5级，计量用二次线圈准确级选择0.2 S级；电压互感器保护用二次线圈准确级选择3P级；电压互感器测量用二次线圈准确级选择0.2级。
3.二次接线
逆变器房采用无人值班（少人值守）的运行方式，所有监控数据可通过网络实现远程观测。
4.监控自动化
由于本工程的接入系统设计工作尚未开展，分布式小型光伏电站暂按无监控设计，最终的监控组织关系应以接入系统设计及审查意见为准。
5.远方电能量计量系统
（1）关口点设置
按照现行的电量计量关口点设置原则，场区0.4kV出口为计量端口，而光伏电站的交流配电柜也会单独安装计量装置。
计费关口点关口电表应采用专用计量CT、PT二次线圈，准确级为电压互感器0.2级、电流互感器0.2S级。
电压、电流互感器的计量线圈的实际二次负荷应在0-100 %额定二次负荷内，其误差也应在0-100%额定二次负荷范围内满足铭牌标称的准确度要求。
（2）电能量计量信息的传输
光伏电站至网调电能量计量信息的传输采用网络传输和电话拨号两种互为备用的方式。
（3）电能量计量设备配置
配置1台电能量远方终端用于向网调传送关口电量数据。
配置2块0.2 s级高精度智能关口电表。
配置失压计时器及防雷组件。
6.监控数据网接入设备及二次系统安全防护
（1）监控数据网接入方案
为满足远动系统、电量计费系统等应用系统通过数据网传输、交换信息的需要，光伏电站应配备路由器、交换机等数据网接入设备。
（2）二次系统安全防护
根据国家电力监控通信中心下发的《电力监控系统安全防护工作实施意见》、《电力二次系统安全防护总体方案》的规定要求，确保电量计费系统等内各个过程控制子系统的安全。
7.电能质量在线监测装置
配置1套电能质量在线监测装置，实现对光伏电站电能质量连续监测并全面掌握谐波污染情况，以确保电网安全运行。
8.环境监测系统
在太阳能光伏发电场内配置一套环境监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。
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。
可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入计算机监控系统，实时记录环境数据。
9.通信
光伏电站的通信以RS485通信为主，发电单元通过通信线缆串行连接。
中控室接收各个发电单元的实时信息并转发运行人员的命令。
第三章结论
1.社会影响评价
100kw分布式光伏扶贫电站项目的建设，可以缓解当地电网不断增长的电力需求。
同时整个项目建设及后期的看管需要一定的劳动力，间接的解决了部分群众增收就业，具有明显的产业带动和社会效益。
此外，电站在财务评价计算年限内，缴纳所得税，交纳销售税金和附加，这些将为国家和地方财政收入的增加做出贡献。
由于太阳能资源是一种不消耗矿物燃料的可再生能源，光伏发电的使用，相当于节省相同数量电能所需的矿物燃料，这样不但可以减少开发一次能源如煤、石油、天然气的数量，同时节约大量的水资源。
此外，太阳能电站的生产过程是将当地的太阳能转变为电能的过程，在整个工艺流程中，不产生大气、水体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。
因此，太阳能光伏发电项目不仅可以带来可观的经济效益，而且能够带来社会和环境效益；再加上国家对可再生资源发展的大力扶持和政策优惠，太阳能利用产业潜力巨大、发展前景乐观。
2.项目节能减排效益
本期工程装机容量为100kW，年上网电量11.088万kWh。
与目前发电规模相当的燃煤火电相比，节能减排计算如表3-1所示。
表3-1本项目节能减排计算表
光伏系统节能减排计算表
项目
数值
单位
装机容量
100
KW
系统年均发电量
110880
KWh
每年节约原煤
62.39
吨
每年节约标准煤
35.65
吨
每年减少C02排放量
111.08
吨
每年减少S02排放量
3.34
吨
每年减少氮氧化合物排放量
1.67
吨
每年减少排“碳”
30.30
吨
建设100kW光伏发电项目是可行的，符合国家电力产业资源优化配置政策，符合国家分布式光伏发电战略，响应发改能源[2016]621号文件精神。
项目建成投产后，可以降低对常规能源的依靠，增加绿电的供给量。
为湖南省今后继续发展大规模分布式太阳能发电积累经验和技术数据，本工程定位为扶贫工程，符合国家相关的扶贫政策，顺应扶贫工作的新形势。
因地制宜，利用贫困地区荒山荒坡建设光伏电站，可直接增加当地贫困人口的收入。
有利于人民群众生活方式的变革，具有明显的产业带动和社会效益。
3.主要设备清单
根据电气系统设计，本光伏项目设备清单如表3-2所示。
表3-2主要设备材料表
序号
设备名称
型号及规格
单位
数量
备注
1
光伏电池组件
ZKX-24-255Wp
块
400
2
逆变器
50KW
台
2
3
低压配电柜
100kW
台
1
5
监控系统
套
1
6
光伏支架
U型钢
套
1
8
钢结构基础
矩形钢
套
1
致谢
感谢我的亲人、老师、战友及一切关心我的人，是您引导我、促进我、激励我成长，让我在三年的学习过程中博览群书、在两年的军人生涯中强健体魄，无论是求学与从军，均是我人生中最为难得的财富，在此，在此说声感恩有您！
在本文撰写的过程中，感谢湖南兴业太阳能科技有限公司项目管理部给予一个这么好的实习机会，也得到了很多同事的大力支持，他们为本文提供了众多素材及技术方案。
更要感谢本文的指导老师黄建华，在本文编写工作的过程中悉数指导。
由于本人能力和知识有限，谬误之处在所难免，恳请提出宝贵意见和建议。
参考文献
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化学工业出版社，2013.
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