太阳能电站方案详解

10 兆瓦的太阳能光伏并网发电系统，推荐采用分块发电、集中并网方案，将系统分成10个1兆瓦的光伏并网发电单元，分别经过0.4KV/35KV变压配电装置并入电网，最终实现将整个光伏并网系统接入35KV中压交流电网进行并网发电的方案。

本系统按照10个1 兆瓦的光伏并网发电单元进行设计，并且每个1兆瓦发电单元采用4台250KW并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵防雷汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入0.4KV/35KV变压配电装置。 （一）太阳能电池阵列设计 1、太阳能光伏组件选型

（1）单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较

单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高，每瓦售价约36-40元。

多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%-15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低，每瓦售价约34-36元。

两种组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15％。

（2）根据性价比本方案推荐采用165WP太阳能光伏组件，全部为国内封装组件，其主要技术参数见下表：

2、并网光伏系统效率计算

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。

（1）光伏阵列效率η1：光伏阵列在1000W/m太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。

(2)逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率95%计算。

（3）交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取变压器效率95%计算。

（4）系统总效率为：η总＝η1×η2×η3＝85%×95%×95%=77% 3、倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算

从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D

式中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量

S ——水平面上太阳直接辐射量

2

D ——散射辐射量

α——中午时分的太阳高度角 β——光伏阵列倾角

根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式计算 不同倾斜面的太阳辐射量，具体数据见下表：

表10 不同倾斜面各月的太阳辐射量（KWH/m）

倾角β 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 全年 30° 136.5 146.7 193.1 180.4 247.8 241.6 230.7 226.2 196.3 181.9 142.3 127.4 34° 140.5 149.8 194.7 180.2 245.6 238.5 228.1 225.2 197.6 185.5 146.6 131.7 36° 142.3 151.1 195.3 179.9 244.3 236.7 226.5 224.5 198 187.1 148.5 133.7 38° 144 152.3 195.8 179.4 242.7 234.7 224.7 223.5 198.2 188.4 150.3 135.5 2270 40° 145.6 153.4 196.1 178.9 240.9 232.5 222.7 222.3 198.2 1.6 151.9 137.2 2270 42° 147 1.3 196.2 178.9 239 230.1 220.5 220.9 198.1 190.6 153.4 138.8 2268 44° 148.3 155.1 196.1 178.2 236.9 227.5 218.1 219.3 197.7 191.4 1.7 140.3 2263 46° 149.4 155.7 196 177.4 234.5 224.8 215.5 217.5 197.2 192 155.9 141.6 2257 50° 151.4 156.5 195.1 176.4 229.3 218.7 209.8 213.3 195.5 192.6 157.8 143.8 2239 2

2251.3 22.7 2268.4 4、太阳能光伏组件串并联方案

太阳能光伏组件串联的组件数量Ns=560/23.5±0.5=24（块），这里考虑温度变化系数,取太阳能电池组件18块串联,单列串联功率P= 18×165Wp=2970Wp；

单台250KW逆变器需要配置太阳能电池组件串联的数量Np=250000÷2970≈85列， 1 兆瓦太阳能光伏电伏阵列单元设计为340列支路并联，共计6120块太阳能电池组件，实际功率达到1009.8KWp。

整个10 兆瓦系统所需165Wp电池组件的数量M1=10×6120=61200（块），实际功率达到10.098 兆瓦。

该工程光伏并网发电系统需要165Wp的多晶硅太阳能电池组件61200块,18块串联,3400列支路并联的阵列。 5、太阳能光伏阵列的布置

（1）光伏电池组件阵列间距设计

为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于D: D=0.707H/tan〔arcsin(0.8cosΦ-0.399sinΦ)〕

式中Φ为当地地理纬度(在北半球为正，南半球为负)，H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差）。

根据上式计算，求得：D=5025㎜。 取光伏电池组件前后排阵列间距5.5米。

5500550017351735

1735002700270027（2）太阳能光伏组件阵列单列排列面布置见下图：

992100270013166819556

（三）直流配电柜设计

每台直流配电柜按照250KWp的直流配电单元进行设计，1 兆瓦光伏并网单元需要4台直流配电柜。每个直流配电单元可接入10路光伏方阵防雷汇流箱，10 兆瓦光伏并网系统共需配置40台直流配电

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

1 2 器1 9 单元 10 柜。每台直流配电柜分别接入1台250KW逆变器，如下图所示：

直流配电柜

每个1MW并网单元可另配备一套群控器（选配件），其功能如下： （1） 群控功能的解释：这种网络拓朴结构和控制方式适合大功 率光伏阵列在多台逆变器公用可分断直流母线时使用，可以有效增加系统的总发电效率。

（2） 当太阳升起时，群控器控制所有的群控用直流接触器 KM1～KM3闭合，并指定一台逆变器INV1首先工作，而其他逆变器处于待机状态。随着光伏阵列输出能量的不断增大，当INV1的功率达到80%以上时，控制直流接触器KM2断开，同时控制INV3进行工作。随着日照继续增大，将按上述顺序依次投入逆变器运行；太阳落山时，则按相反顺序依次断开逆变器。从而最大限度地减少每台逆变器在低负载、低效率状态下的运行时间，提高系统的整体发电效率。 （3） 群控器可以通过RS485总线获取各个逆变器的运行参数、 故障状态和发电参数，以作出运行方式判断。

（4） 群控器同时提供友好的人机界面。用户可以直接通过LCD 和按键实现运行参数察看、运行模式设定等功能。 （5） 用户可以通过手动方式解除群控运行模式。

（6）群控器支持至少20台逆变器按照群控模式并联运行。

（四）太阳能光伏并网逆变器的选择

此太阳能光伏并网发电系统设计为10个1 兆瓦的光伏并网发电单元，每个并网发电单元需要4台功率为250KW的逆变器，整个系统配置40台此种型号的光伏并网逆变器，组成10 兆瓦并网发电系统。

选用性能可靠、效率高、可进行多机并联的逆变设备，本方案选用额定容量为250KW的逆变器，主要技术参数列于下表：

表13 250KW并网逆变器性能参数表

容 量 隔离方式 最大太阳电池阵列功率 最大阵列开路电压 太阳电池最大功率点跟踪（MPPT）范围 最大阵列输入电流 MPPT精度 额定交流输出功率 总电流波形畸变率 功率因数 效率 允许电网电压范围（三相） 允许电网频率范围 夜间自耗电 保护功能 通讯接口（选配） 使用环境温度 使用环境湿度 尺寸（深×宽×高）mm 噪音 防护等级 250KW 工频变压器 275KWp 900Vdc 450Vdc～880Vdc 560A >99％ 250KW <4%（额定功率时） >0.99 94% 320V～440AC 47～51.5Hz <50W 极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护、欠压及过压保护等 RS485或以太网 －20℃～＋40℃ 0～95% 800×1200×2260 ≤50dB IP20（室内） 电网监控 电磁兼容性 电网干扰 按照 UL1741标准 EN50081,part1；EN50082,part1 EN61000-3-4 1、性能特点

选用光伏并网逆变器采用32位专用DSP(LF2407A)控制芯片，主电路采用智能功率IPM模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，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技术性能特点如下：

（1）采用32位DSP芯片进行控制； （2）采用智能功率模块（IPM）；

（3）太阳电池组件最大功率跟踪技术(MPPT)；

（4）50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔 离；

（5）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。

（6） 有先进的孤岛效应检测方案；

（7） 有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能； （8） 直流输入电压范围(450V～880V)，整机效率高达94%； （9）人性化的LCD液晶界面，通过按键操作，液晶显示屏(LCD) 可清晰显示实时各项运行数据，实时故障数据，历史故障数据（大于50条），总发电量数据，历史发电量（按月、按年查询）数据。 （10）逆变器支持按照群控模式运行，并具有完善的监控功能；

（11）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；

（12）逆变器具有CE认证资质部门出具的CE安全证书。 2、电路结构

三相半桥YAB光伏阵列MPPTCNPEDSP 控制板电网检测

250KW并网逆变器主电路的拓扑结构如上图所示，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。

（五）交流防雷配电柜设计

按照2个250KWp的并网单元配置1台交流防雷配电柜进行设计，即每台交流配电柜可接入2台250KW逆变器的交流防雷配电及计量装置，系统共需配置20台交流防雷配电柜。

每台逆变器的交流输出接入交流配电柜，经交流断路器接入升压

变压器的0.4KV侧，并配有逆变器的发电计量表。每台交流配电柜装有交流电网电压表和输出电流表，可以直观地显示电网侧电压及发电电流。

（六）交流升压变压器

并网逆变器输出为三相0.4KV电压，考虑到当地电网情况，需要采用35KV电压并网。由于低压侧电流大，考虑线路的综合排部，选用5台S9系列（0.4）KV/（35-38.5）KV,额定容量2500KVA升压变压器分支路升压，变压器技术参数如下：

表14 变压器技术参数表

项目 额定容量 额定电压 高压 低压 损耗 空载 负载 空载电流 短路阻抗 重量 油 变压器身 总重 外形尺寸 轨距 KVA KV KV KW KW % % T T T 长×宽×高（mm） mm 单位 2000 35±5% 0.4 3.2 20.7 0.8 6.5 1.81 4.1 7.95 2850×1820×3100 1070 参数

（七）系统组成方案原理框图

1000KWp接线DC逆变器AC5台35KV/0.4KV变压器高压合闸及防雷1000KWp接线逆变器1000KWp接线逆变器0.4KV低压配电箱1000KWp接线逆变器

（八）系统接入电网设计

本系统由10个1 兆瓦的光伏单元组成，总装机10 兆瓦，太阳能光伏并网发电系统接入35KV/50Hz的中压交流电网，按照2 兆瓦并网单元配置1套35KV/0.4KV的变压及配电系统进行设计，即系统需要配置5套35KV/0.4KV的变压及配电系统。每套35KV中压交流电网接入方案描述如下： 1、系统概述 2、重要单元的选择

（1）35KV/0.4KV配电变压器的保护

35KV/0.4KV配电变压器的保护配置采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护配电变压器。

系统中采用的负荷开关, 通常为具有接通、隔断和接地功能的三工位负荷开关。变压器馈线间隔还增加高遮断容量后备式限流熔断器

来提供保护。这是一种简单、可靠而又经济的配电方式。 （2）高遮断容量后备式限流熔断器的选择

由于光伏并网发电系统的造价昂贵，在发生线路故障时，要求线路切断时间短，以保护设备。

熔断器的特性要求具有精确的时间-电流特性（可提供精确的始熔曲线和熔断曲线）；有良好的抗老化能力；达到熔断值时能够快速熔断；要有良好的切断故障电流能力，可有效切断故障电流。

根据以上特性，可以把该熔断器作为线路保护，和并网逆变器以及整个光伏并网系统的保护使用，并通过选择合适的熔丝曲线和配合，实现上级熔断器与下级熔断器及熔断器与变电站保护之间的配合。

对于35kV线路保护，《3-110kV电网继电保护装置运行整定规程》要求：除极少数有稳定问题的线路外，线路保护动作时间以保护电力设备的安全和满足规程要求的选择性为主要依据，不必要求速动保护快速切除故障。

通过选用性能优良的熔断器，能够大大提高线路在故障时的反应速度，降低事故跳闸率，更好地保护整个光伏并网发电系统。 （3）中压防雷保护单元

该中压防雷保护单元选用复合式过电压保护器，可有效大气过电压及各种真空断路器引起的操作过电压，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的作用。

该复合式过电压保护器不但能保护截流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压，而且能保护雷电过电压。

过电压保护器采用硅橡胶复合外套整体模压一次成形，外形美观，引出线采用硅橡胶高压电缆，除四个线鼻子为裸导体外，其他部分被绝缘体封闭，故用户在安装时，无需考虑它的相间距离和对地距离。该产品可直接安装在高压开关柜的底盘或互感器室内。安装时，只需将标有接地符号单元的电缆接地外，其余分别接A、B、C三相即可。

设置自控接入装置对消除谐振过电压也具有一定作用。当谐振过电压幅值高至危害电气设备时，该防雷模块接入电网，电容器增大主回路电容，有利于破坏谐振条件，电阻阻尼震荡，有利于降低谐振过电压幅值。所以可以在高次谐波含量较高的电网中工作，适应的电网运行环境更广。

另外，该防雷单元可增设自动控制设备，如放电记录器，清晰掌控工作动作状况。可以配置自动脱离装置，当设备过压或处于故障时，脱离开电网，确保正常运行。 （4）中压电能计量表

中压电能计量表是真正反应整个光伏并网发电系统发电量的计量装置，其准确度和稳定性十分重要。采用性能优良的高精度电能计量表至关重要。

为保证发电数据的安全，建议在高压计量回路同时装一块机械式计量表，作为IC式电能表的备用或参考。

该电表不仅要有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。同时，该电表还可以提供灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显示损耗（ZV）、状态信息、警报、参数等。 此外，显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改。通过光电通讯口，还可以处理报警信号，读取电表数据和参数。 3、监控装置

系统采用高性能工业控制PC机作为系统的监控主机，可以每天24小时不间断对所有的并网逆变器进行运行数据的监测。

光伏并网系统的监测软件使用本公司开发的大型光伏并网系统专用网络版监测软件SPS-PVNET（Ver2.0）。该软件可连续记录运行数据和故障数据：

（1） 要求提供多机通讯软件，采用RS485或Ethernet（以太网） 远程通讯方式，实时采集电站设备运行状态及工作参数并上传到监控主机。

（2） 要求监控主机至少可以显示下列信息：

 可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 I、功率因数 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因包括以下内容：

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、直流电压过低； G、逆变器过载； H、逆变器过热； I、逆变器短路；

J、散热器过热； K、逆变器孤岛； L、DSP故障； M、通讯失败；

（3） 要求监控软件集成环境监测功能，主要包括日照强度、风 速、风向、室外温度、室内温度和电池板温度等参量。 （4） 要求最短每隔5分钟存储一次电站所有运行数据，包括环 境数据。故障数据需要实时存储。

（5） 要求至少可以连续存储20年以上的电站所有的运行数据 和所有的故障纪录。

（6） 要求至少提供中文和英文两种语言版本。

（7） 要求可以长期24小时不间断运行在中文WINDOWS 2000， XP 操作系统

（8） 要求使用高可靠性工业PC作为监控主机

（9） 要求提供多种远端故障报警方式，至少包括： SMS（短信） 方式，E_MAIL方式，FAX方式。

（10）监控器在电网需要停电的时候应能接收电网的调度指令。 4、环境监测装置

在太阳能光伏发电场内配置1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，其通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。

5、系统防雷接地装置

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。

（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖1～2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。

（2）直流侧防雷措施：电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。

（3）交流侧防雷措施：每台逆变器的交流输出经交流防雷柜（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。