（控制科学与工程专业论文）小型风光蓄微网系统设计与研究.pdf

学术论文的主要创新点 一、小型风光蓄微网系统与公共电网并接，实现了在系统及蓄电池电力不足时有 公共电网供电，同时阻止系统多余电量向公共电网输送能量。 二、对系统进行实时监控，并可以通过网络进行无线传输。 三、对微网系统各部分的选型及匹配做了具体要求，实现了比较经济的投资配置。 摘要 能源危机的到来，使得风能、太阳能、潮汐能等可再生能源得到大力发展。 可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作 用。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是利用比较广泛的两种。 太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，综合考虑太阳能和 风能在多方面的互补特性而建立起来的风光发电系统是一种经济合理的供电方 式，该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。关于风光 发电的推广应用，系统的优化设计和运行控制是两个研究重点，前者根据系统应 用地点的资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理的选型以达到最小投资 配置；后者通过对系统的动态运行分析，提出切实可行的运行控制策略，而后采 取相应的技术手段实现系统可靠、高效的运行。 本文分析了风光蓄微网系统的基本原理，介绍了实际微网系统设计问题与原 则，并提出了具体实施方案，具体来说本文的主要工作如下： ( 1 ) 对小型风光蓄微网系统各组成部分发电原理做了简要介绍与说明。 f 2 ) 对微网系统设计依据及相关原则进行了具体说明，为相关系统设计提供一 定的借鉴意义。 ( 3 ) 提出了微网系统总体设计方案，包括光伏、风机和蓄电池等组成部分，保 证微网系统安全有效地运行。 ( 4 ) 对微网系统进行调试工作，并做一定的系统仿真，为研究微网系统运行与 控制特性打下基础。 由于风光蓄微网系统结构复杂，影响运行控制的因素很多，本文着重在系统 设计方案等方面进行研究，在运行及控制等方面有待于进一步完善。 关键词：风光蓄：微网；选型；调试 a b s t r a c t n o w a d a y s ，r e n e w a b l ee n e r g ys u c ha sw i n d ，s o l a ra n dt i d a le n e r g yh a v eb e e n d e v e l o p i n gg r e a t l yb e c a u s eo fe n e r g yc r i s i s t h ec o m p o u n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l e e n e r g yr e s o u r c e si sa l le f f e c t i v ew a yt op r a c t i c es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yi n o u rc o u n t r y s o l a ra n dw i n da r et w ok i n d so f w i d e l yu s e dr e n e w a b l er e s o u r c e s t h e r e a r ec o m p l e m e n t a r yr e s o u r c e s i nr e g i o n sf a ra w a yf r o mp o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ， w i n d s o l a rg e n e r a t i o nm a k e sa f f e c t i v ee f f e c t i no r d e rt op r o m o t ea p p l i c a t i o n so f w i n d s o l a rh y b r i dg e n e r a t i o n ，t w op r o b l e m sm u s tb ew e l lr e s o l v e d o n ei so p t i m a l u n i ts i z i n g ，a n o t h e ri so p e r a t i o n a lc o n t r 0 1 t h ed e s t i n a t i o ni st oa s s u r et h eh y b r i d g e n e r a t i o ns y s t e mr u n n i n gn o r m a l l yi t s e l f t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fw i n d - s o l a r - b a t t e r ym i c r o g r i ds y s t e m s , i n t r o d u c e d t h ed e s i g np r o b l e m sa n dp r i n c i p l e so fm i c r o g i r ds y s t e m s ，a n dm a d e s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o np l a n t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b r i e fi n t r o d u c t i o na n dd e s c r i p t i o na b o u tc o m p o n e n t so fm i c r o g r i ds y s t e m s a r em a d e ( 2 ) s p e c i f i ci n s t r u c t i o n so fm i c r o g r i ds y s t e md e s i g na n dp r i n c i p l ea r em a d e w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n ( 3 ) m i c r o g r i ds y s t e md e s i g n i s p r o p o s e d , i n c l u d i n ge v , w i n dt u r b i n ea n d b a t t e r i e s ，a n do t h e rc o m p o n e n t , t oe n s u r es a f ea n de f f e c t i v eo p e r a t i o no fs y s t e m s ( 4 ) d e b u g g i n ga n ds o m es i m u l a t i o n sa r em a d ef o rt h es t u d y i tl a y st h e f o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gt h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fs y s t e m s t h es t r u c t u r eo fw i n d - s o l a r - b a t t e r ym i c r o g r i ds y s t e mi sc o m p l e x a n dt h e r ea r e m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eo p e r m i o na n dc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf o c u s e so ns y s t e md e s i g n o p e r a t i o na n dc o n t r o ln e e dt ob ei m p r o v e di nt f i ef u t u r e k e yw o r d s ：w i n d - s o l a r - b a t t e r y , m i c r o g r i d ，s e l e c t i o n ，d e b u g 目录 第一章绪论1 1 。1 研究背景1 1 1 1 太阳能和风能发展1 1 1 2 研究现状。2 1 2 系统简介3 1 3 本文研究内容3 第二章微网系统组成5 2 - 1 太阳能发电系统s 2 2 风力发电系统6 2 3 蓄电池7 第三章方案设计依据及原则9 3 1 国际、国家标准技术规范9 3 2 光照资源条件1 0 3 2 1 我国太阳辐射年总量的地理分布1 0 3 2 2 天津太阳能资源特点1 l 3 3 光伏并网技术要求1 2 3 3 1 工作电压1 2 3 3 2 频率1 2 3 3 3 谐波。1 2 3 3 4 电压不平衡度1 2 3 4 总体设计原则。1 2 3 4 1 美观性1 2 3 4 2 稳定性1 2 3 4 3 先进性1 3 3 4 4 安全性1 3 第四章系统总体设计方案：1 s 4 1 方案简介1 s 4 2 组件选型1 6 4 3 太阳能光伏供电设计1 6 4 3 1 太阳能电池结构图片1 7 4 3 2 太阳能电池组件的设计1 9 4 3 3 组件基本性能2 2 4 4 逆变器选型2 4 4 4 1 并网逆变器选型2 4 4 4 2 双向逆变器选型2 5 4 5 蓄电池组2 7 4 5 1 采用标准2 7 4 5 2 蓄电池组的选型2 7 4 6 电池方阵支架设计。2 8 4 6 1 采用标准2 8 4 6 2 设计条件。2 8 4 6 3 强度计算2 8 4 6 4 组件安装倾角3 2 4 7 系统防雷接地设计3 2 4 7 1 防直击雷措施3 2 4 7 2 防感应雷措施3 3 4 8 监控及通信、显示装置3 3 4 9 小型微网系统配置清单3 5 章风力发电设备及施工安装3 7 5 1 风力发电机组3 7 5 2 控制器3 9 5 3 风能并网逆变器4 0 5 4 风力发电系统配置清单( 见表5 - 4 ) 4 3 5 5 风力发电系统施工方案。4 3 5 5 1 风力发电系统电气连接。4 3 5 5 2 风力发电机组的安装4 s 5 6 系统仿真与调试一4 9 第六章总结与展望i 5 1 参考文献5 3 发表论文和参加科研情况。s 5 致谢s 7 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 太阳能和风能发展 能源是现代社会存在和发展的基石，随着全球经济社会的不断发展，能源消 费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显，且这种 稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景 下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部 分。 太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对 的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经 济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。 开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展和提高 人民生活都有极为重要的意义。太阳能光伏发电由于资源无限、无污染和能把太 阳光直接转变为电能，系统无运动部件、运行可靠、少维护、寿命长，且电能有 宜于输送、储存的优点。所以光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。 随着城市工业化的快速发展和居民用电的增多，电力供应也会越来越紧张。 而且国家也在提倡“节能减排”。特别是2 0 0 7 年7 月，国家发改委颁布了可再生 能源中长期发展规划，其中明确要求在经济发达、现代化水平较高的大中城市中 要优先考虑应用绿色能源。 太阳能是当今发展速度居第二位的能源。太阳能光伏发电过去1 5 年平均年 增长为1 5 ，到上个世纪9 0 年代末期以3 0 以上的速度增长。购买相当于l 千 瓦发电能力太阳能电池的价格己从2 0 世纪7 0 年代的7 万美元下降到1 9 9 7 年的 4 0 0 0 美元，今后1 0 年有可能进一步降至1 0 0 0 美元。大约有4 0 万户居民许 多是尚未与电网相连的偏远地区的住户已经在利用太阳能发电。世界观察研 究所的研究表明，在现有建筑物的项部放置太阳能电池可以满足每年所需电量的 一半以上。目前，全世界太阳能电池的生产厂已不下几百家，已有1 2 0 万套光伏 系统在运转。预计到2 0 3 0 年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5 - 2 0 。 面对新世纪，许多国家十分重视风电发展，从可持续发展的角度制定了风电 发展规划。1 9 9 8 年公布的欧盟能源战略的白皮书宣布，到2 0 5 0 年可再生能源在 欧盟成员国能源供应结构中将达到5 0 。美国和日本也宣布2 1 世纪能源的增长 主要考虑清洁的可再生能源。到2 0 2 0 年风电占电力比重要达到1 0 的国家有： 风光蓄微网系统的应用，就目前来看，多作为独立的供电系统，用于远离电 网的地区。如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质 勘探和野外考察的工作站、偏远山区及海岛，风光蓄微网并网发电还不多见。 风光蓄微网系统的研究一方面主要是利用飞速发展的电力电子技术和微计 算机控制技术提高系统的供电高效性和运行稳定性。通过电力电子技术来实现风 力发电和光伏发电的最大输出功率追踪捕捉以及负载端的交流直流逆变输出。 在这方面的技术创新层出不穷。另一方面的研究主要集中在系统的计算机仿真和 优化设计，在国内香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作 提出了整套利用c a d 进行风光发电系统优化设计的方法。该方法采用了精确的 表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运 行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统 配置。中科院电工所、西安交通大学在风光发电系统的设计上也有各自的优化方 法，其目的都是寻求满足用户要求的最小投资配置。另外，合肥工业大学能源研 究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型，用户可以重构多种结构的风光复合 发电系统并进行计算机仿真计算，从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性 以及系统运行的效率等等。 第一章绪论 1 2 系统简介 l o k w p 风光发电系统是一种并网、独立相结合使用的发电系统，其电池方阵 及风机安装在天津大学第2 6 教学楼西区楼顶。电池方阵的直流输出，通过多台 并网逆变器逆变组合输出三相交流电，通过交流母线，向负荷输送电量的同时将 多余电量经双向逆变器的管理向蓄电池充电。双向逆变器这个“管理者 与蓄电 池组使交流母线始终带电，以保证系统的正常运行。系统可以与公共电网并接， 通过自身系统设置阻止多余电量向公共电网或发电机输送电能。系统的工作状 态、工作环境可由数据采集显示系统搜集并显示出来。 数据采集系统由混合电站关键数据采集系统和气象数据采集系统构成。混合 电站关键数据由并网逆变器、独立逆变器的采集存储，电站关键数据采集系统主 要采集两种逆变器工作电压、电流，每日发电量、总发电量等系统的工作状态； 气象数据则由专门采集系统进行采集存储，气象数据采集包括辐照度、环境温度、 组件温度等相关工作环境。 一套数据采集系统通过r s 4 8 5 总线，与电力监控室的上位p c 机进行通信， 实时显示系统的工作状态以及进行集中监控，并实现故障自动记录、用电评价指 标的记录计算等，也可以通过网络进行远程数据传输和查看，系统可以有选择地 显示系统输出功率、发电量、系统电压等信息参数。 1 3 本文研究内容 本文首先根据“天津大学微网发电系统项目”的要求，对其主要部分进行设 计，满足使用方所提出的技术规范、相关的规则以及标准所要求的有关设备的性 能、安全性以及维护方面的要求。对微网系统设计所遵循的原理与原则进行了分 析总结，提出了满足需求的微网设计方案。 最后本文基于对风光蓄微网系统的设计，在实验室对该系统进行仿真，并实 地对该系统进行调试，使其运行。 天津工业大学硕士学位论文 第二章微网系统组成 2 1 太阳能发电系统 第二章微网系统组成 太阳能发电原理是利用半导体材料的“光伏效应”将太阳光辐射能直接转换 为电能的一种新型发电系统。 太阳能发电系统的运行方式基本上可分为两类，即：独立运行和并网运行。 独立运行的太阳能发电系统需要有蓄电池作为储能装置，它主要用于无电网 的边远地区及人口分散地区。由于必须配置蓄电池储能装置，整个系统的造价很 高。 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。 太阳能并网发电系统是利用太阳能电池方阵产生的直流电能，经并网逆变器逆变 产生三相3 8 0 v 5 0 h z 的电能输送给电网。 小型风光蓄微网发电系统是将太阳能并网方式与独立方式相结合的更为复 杂、功能更全的一种发电模式。 太阳能微网发电系统的运行原理：双向运行逆变器s u n n yi s l a n d 与蓄电池 一起，构成独立的标准交流电网；双向运行逆变器s u n n yi s l a n d 与蓄电池组使 交流母线始终带电，以保证系统的正常运行。光伏并网型逆变器s u n n yb o y 或 s u n n ym i n ic e n t r a l 以及风能并网逆变器w i n d yb o y 跟踪独立电网的电能参数 ( 电压、频率、相位) 将太阳能电池方阵、风机的直流电逆变成标准三相交流电， 给负荷供电的同时将多余电量经过s u n n yi s l a n d 管理系统给蓄电池充电。系统 也可通过双向运行逆变器s u n n yi s l a n d 与公共电网并接，在系统及蓄电池电力 不足时有公共电网补充，同时通过自身参数设置阻止系统多余电量向公共电网输 送电能，保证该系统仅对大楼内部负荷输送电量。系统通过s u n n yb o yc o n t r o l 提供实时在线监控功能，实时监控并显示发电系统运行状态、工作环境等；同时 可以通过网络进行无线传输。 太阳能发电系统如图2 - 1 天津工业大学硕士学位论文 直恐￥h 并同逆变器h ii t 电网或柴油发电机p 纠双向逆变嚣 黜h 数据采集系统 图2 - 1 太阳能发电系统图 统控制功能： ( 1 ) “中心功能 ：双向运行逆变器s u n n yi s l a n d 5 0 4 8 与蓄电池一起组成“系 中心 ，3 台s 1 5 0 4 8 通过通信线连接，不仅实现了数据的传输，更重要的是实 了幅值相等、频率相等、相位互差1 2 0 。电势的符合国家电网标准的三相交流电 交流母线系统。外部电源进入系统必须以交流母线的三相电为基准，输出符合 流母线系统的三相电。 ( 2 ) 实时控制：双向逆变器s 1 5 0 4 8 ( m a s t e r ) 实时检测系统工作状态、负载用电 况，保证蓄电池的优化使用、系统的合理使用，并自我保护。 ( 3 ) 并网逆变器s b 3 3 0 0 、w b 2 5 0 0 实现最大功率跟踪功能，保证将太阳能、风 转化成的电能最大效率的输出。同时，可通过s u n n yb o yc o n t r o l 察看电池方阵 作情况、工作环境等。 ( 4 ) 光伏系统与外部电网系统完全隔离，有可靠的操作和雷电过电压防护。具 过压保护、对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的 护功能。 ( 5 ) 扩容性：双向运行逆变器s u n n yi s l a n d 5 0 4 8 组成交流母线并接系统，可以 将各种类型的发电设备或负载连接到母线系统上，保证系统的随意扩容。 2 2 风力发电系统 风力发电机组进行发电时，要求输出电频率保持恒定，这不论对风力并网发 电还是风光互补运行都是必要的。要保证风电的频率恒定，就要采取相应的措施。 一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因为发电机由风 力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这肯 紫 第二章微网系统组成 定会影响到风能的转换效率：另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它 的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。风力机风能利用系数( 该系 数跟叶尖速比( 叶轮尖的线速与风速的比值) 有关) 根据贝兹极限口，存在某一确定 的叶尖速比使风能利用系数达到最大值。因此，在变速恒频的运行方式下，风力 机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率，这就给我们提 供出条件来采取适当的措施使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而更大限度地利 用风能。 可用于风力变速恒频的发电方式有多种。如交流直流交流系统、磁场调 制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机 系统、开关磁阶发电系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装 置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。 这些方式的实现都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。 在风光蓄微网发电系统中，风电机组采用交流直流交流的运行方式同光 伏方阵联合运行。风电机组发出的电能经整流器将交流变换为直流，而后再通过 逆变器变换为频率恒定的交流电供负载使用【- 3 1 。 2 3 蓄电池 在风光蓄发电系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件下， 可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。 因此，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池 中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、 性能可靠、安全性高，而技术上又不断进步和完善，得到广泛的应用。本文讨论 的风光蓄发电系统也选用铅酸蓄电池作为储能装置。 蓄电池具有三种主要的工作状态：放电状态、充电状态和浮充状态。处于放 电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载；充电状态是在蓄电池放 电之后进行能量储蓄的状态，此种状态下电能转化为化学能存储起来；浮充状态 则是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的 储能不会因为自放电而损失。放电、充电、浮充电三个状态构成蓄电池的一个完 整的工作循环。开始时满荷电状态的蓄电池以恒定的电流进行放电，开始放电时， 蓄电池电压陡降，而后电压回升( 这是满荷电蓄电池刚接上负载时的正常响应， 主要是内部电化学反应及传质引起的) ，到一定电压后，随着继续放电，蓄电池 的电压也继续降低。这个过程是一个复杂的过程，它受一系列放电工作条件的影 响，其中包括放电率、环境温度和蓄电池初始荷电状态，同时也与蓄电池的类型 天津工业大学硕士学位论文 有关。随着放电的深入，蓄电池压降下降速度会不断增加。当电压下降到一定值 后会急速降低，这表明蓄电池接近终止放电状态，当达到终止电压，蓄电池应终 止放电。终止电压视负载需要而定。蓄电池达到终止电压后，负载断开，此时蓄 电池电压明显回升。此时若外加一个大于蓄电池开路电压的电压，蓄电池便进入 充电状态。充电过程中开始以恒定的电流给蓄电池充电，此时蓄电池电压会逐渐 升高，待到电压升到浮充电压，充电电流按照指数规律递减( 若不然，则导致电 解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电效率) ，直到蓄电池充足， 而后保持蓄电池满荷电状态所需的电流。蓄电池的温度在进入充电状态后开始升 高，温升程度跟充电电流及蓄电池本身的散热能力有关，一般情况下会有卜1 0 的温升。 蓄电池在使用时根据所需电压和电流的要求，进行串联、并联或串并联组成 电池组投入运行。蓄电池组一般有三种运行方式：充放电制、浮充制、带有循环 成份的浮充方式。充放电制也称为循环制，该工作方式下蓄电池通常是完全放电， 然后充电，再完全放电、再充电如此循环哺1 。 第三章方案设计依据及原则 第三章方案设计依据及原则 本章主要探讨太阳能发电系统相关依据与原则。太阳能发电系统设计主要依 据是：相关国际、国家标准和气象地理等数据，以及系统太阳能供电技术要求。 3 1 国际、国家标准技术规范 g b t 1 9 9 3 9 2 0 0 5光伏系统并网技术要求 g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3电能质量供电电压允许偏差 g b t 4 5 4 9 1 9 9 3电能质量公用电网谐波 g b 1 5 5 4 3 1 9 9 5电能质量三相电压允许不平衡度 g b t 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 g b t 2 2 9 7太阳光伏能源系统术语 g b t 6 4 9 5 卜1 0 ( i e c 6 0 9 0 4 卜1 0 )光伏器件第1 部分一第l o 部分 g b t 9 5 3 5 ( i e c 6 1 2 1 5 )地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型 g b t 1 1 0 1 2太阳电池电性能测试设备检验方法 g b t 1 2 6 3 2单晶硅太阳电池总规范 g b t 1 8 2 1 0 ( i e c 6 1 8 2 9 )晶体硅光伏( p v ) 方阵i - v 特性的现场测量 g b t 1 8 4 7 9 ( i e c 6 1 2 7 7 )地面用光伏( p v ) 发电系统概述和导则 g b t 1 9 0 6 4 2 0 0 3家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法 g b t 6 1 7 2 7 ： 1 9 9 5 光伏( p v ) 系统电网接口特性 g b t 4 9 4 2 2 1 9 9 3低压电器外壳防护等级 g b t 3 8 5 9 1 9 9 3半导体变流器应用导则 g b t 1 4 5 9 8 9辐射电磁场干扰试验 g b t 1 4 5 9 8 1 4静电放电试验 g b t 17 6 2 6 8工频磁场抗扰度试验 g b t 1 4 4 5 9 8 3 9 36 0 绝缘试验 j b - t 7 0 6 4 1 9 9 3半导体通用技术条件 b t 6 0 9 0 4 1 0光伏器件线形特性测量方法 o 3 2 01 g y d y 0 2 2 0 0 2 太阳能电源控制器 s j t l l l 2 7 ( i e c 6 1 1 7 3 )光伏发电系统过电压保护导则 y d t 1 0 7 3 通信用太阳能供电组合电源 d l t 7 2 4 2 0 0 0 电力系统用直流电源装置运行与维护技术规程 i e c 6 1 7 2 4 光伏系统性能监测、测量、数据交换以及分析导则 图3 - 1 我国太阳辐射年总量分布 第三章方案设计依据及原则 3 2 2 天津太阳能资源特点 天津市位于北纬3 8 0 3 4 - 4 0 01 5 之间，东经1 1 6 0 4 3 - 1 1 8 0 0 4 之间，属大陆 性气候，主要气候特征是，四季分明，春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集 中；秋季气爽，冷暖适中；冬季寒冷，干燥少雪。天津年平均气温在1 1 4 - 1 2 9 ，市区平均气温最高为1 2 9 。1 月最冷，平均气温在一3 _ 5 ；7 月最热， 平均气温在2 6 - 2 7 。天津季风盛行，冬、春季风速最大，夏、秋季风速最小。 年平均风速为2 - 4 米秒，多为西南风。天津平均无霜期为1 9 6 - 2 4 6 天，最长无 霜期为2 6 7 天，最短无霜期为1 7 1 天。在四季中，冬季最长，有1 5 6 - 1 6 7 天；夏 季次之，有8 7 1 0 3 天；春季5 6 6 l 天；秋季最短，仅为5 0 5 6 天。天津年平均 降水量为5 2 0 6 6 0 毫米，降水日数为6 3 7 0 天。天津日照时间较长，年日照时数 为2 5 0 0 - 2 9 0 0 小时。表3 - 1 是天津近1 0 年的气象统计数据： 表3 - 1 天津近1 0 年气象数据统计 日平均峰值日照时数 月份空气温度相对湿度大气压 ( 水平面) 。c k w h m 2 dk p a 1 月 一5 13 9 5 2 8 11 0 0 9 2 月 - 1 44 0 3 3 7 l1 0 0 7 3 月 5 53 8 2 4 7 51 0 0 2 4 月 1 4 93 3 7 5 7 89 9 5 5 月 2 1 2 3 8 1 6 2 69 9 1 6 月 2 4 7 5 2 8 5 7 69 8 7 7 月2 5 56 9 0 9 65 1 29 8 5 8 月 2 4 56 9 1 4 7 69 9 0 9 月 2 1 15 3 3 4 4 39 9 6 1 0 月 1 4 34 3 4 3 7 21 0 0 2 1 1 月 4 64 3 8 9 62 8 21 0 0 6 1 2 月 - 2 44 1 9 9 62 4 71 0 1 0 平均 1 2 34 6 9 4 3 79 9 8 天津工业大学硕士学位论文 3 3 光伏并网技术要求 3 3 1 工作电压 为了使当地交流负载正常工作，光伏系统的电压应与电网相匹配。电网额定 电压，三相为4 0 0 v ，单相为2 3 0 v 。 3 3 2 频率 光伏系统应与电网同步运行。电网额定频率为5 0 h z ，光伏系统的频率允许偏 差应符合g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 的规定，即允许偏差0 5h z 。频率工作范围在4 9 5 5 0 5h z 之间。 3 3 3 谐波 光伏系统在运行时不应造成电网电压波形过度的畸变，或导致注入电网过度 的谐波电流。光伏系统在额定输出时，电流总谐波畸变率不大于3 。 3 3 4 电压不平衡度 太阳能系统( 仅对三相输出) 的运行不应引起由g b t 1 5 5 4 3 一1 9 9 5 规定的电 网三相电压允许不平衡度。即电网公共连接点( p c c ) 处的三相电压不平衡度允 许值为2 ，短时不得超过4 。 3 4 总体设计原则 在进行本项目并网光伏电站设计时，需要考虑以下设计原则： 3 4 1 美观性 将太阳能发电应用于建筑，并与建筑一体化的新型太阳能建筑已在国际引起 强烈反响。安装在楼顶的太阳能电池组件颜色尽量与四周建材颜色保持一致，密 切配合，保持屋顶的原设计风格和美观。单晶硅电池组件颜色统一，保证建筑整 体效果。 3 4 2 稳定性 太阳能电站的稳定性主要取决于电池组件、逆变器的稳定性和使用寿命。本 项目选用的太阳能电池组件、逆变器都至少可运行2 0 年。 第三章方案设计依据及原则 3 4 3 先进性 组件：采用力诺公司生产的高效率电池片封装而成，高效率的太阳能电池组 件大大减少了安装所需的区域面积，也减少了安装和制造的成本。 逆变器：选用国际知名品牌s m a 逆变器，通过使用具有沟槽栅结构的i g b t ( 绝 缘栅双极型晶体管) ，以及通过使用铁粉扼流圈和损耗低于1 的高质量变压器， 逆变器效率高达9 8 。交流谐波小于2 ，输入电网电流更干净，对电网影响更小， 有效的维护了外部电网的稳定。 3 4 4 安全性 力诺太阳能电池组件符合c e 、t u v 、v d e 等国际标准及安全规范。 s m a 并网逆变器符合所有的安全规范和c e 标准。在并网方面，s m a 并网逆变 器具有极大的灵活性。确保在各种电网情况下能够顺利安装和运行，即使在最恶 劣的电网条件下也不会受到影响。 电站选用国际先进的配电保护，电力系统采用t n s 三相五线制接地系统， 保证了系统的高安全性。 另外，系统采用全天候监控系统，发现故障及时报告，及时解决。 天津工业大学硕士学位论文 第四章系统总体设计方案 4 1 方案简介 第四章系统总体设计方案 风光蓄微网系统由光伏阵列及光伏并网逆变器，蓄电池及双向逆变器，防雷 保护系统、电池方阵支架、电缆、电站监控接口等组成，同时该系统并入三相 3 8 0 v 交流线路。 图4 1 为该微网系统结构图。 d c 4 册 图4 1 微网系统结构 公共蛹 本系统太阳能电池组件总功率为1 0 2 k w p ，选用力诺公司生产的 l n p v - 1 7 0 w p 高效单晶硅电池组件6 0 块。电池组件经过串、并联方式连接， 接入3 台德国进口的s u n n yb o y 3 3 0 0 ( 光伏容量3 8 2 0 w p ) 并网逆变器、3 台 s u n n yi s l a n d5 0 4 8 双向逆变器。系统输出三相交流电，为楼内部分负荷供 电。发电系统数据采集系统主要采集直流侧电压、电流、电网各相电压、电 流、每日发电量、总发电量等，以及气象数据采集包括辐照度、环境温度、 组件温度等有关数据。 天津工业大学硕：上学位论文 4 2 组件选型 组件采用标准 g b 2 2 9 7 - - 1 9 8 9 太阳光伏能源系统术语 g b 6 4 9 7 1 9 8 6 地面用太阳能电池标定的一般规定 g b 6 4 9 5 - - 8 6 地面用太阳能电池电性能测试方法 i e e e1 2 6 2 - 1 9 9 5 光伏电池组件的测试认证规范 g b t1 4 0 0 7 - 9 2 陆地用太阳能电池组件总规范 g b t1 2 6 3 2 - 1 9 9 0 单晶硅太阳电池总规范 g b t1 4 0 0 9 - - 9 2 太阳能电池组件参数测量方法 g b t 6 4 9 5 1 1 9 9 6 光伏器件第l 部分：光伏电流一电压特性的测量 g b t 6 4 9 5 3 1 9 9 6 光伏器件3 部分：地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐 照度数据 g b t 6 4 9 5 4 1 9 9 6 晶体硅光伏器件的i - - v 实测特性的温度和辐照度修正方法 g b t6 4 9 5 8 - 2 0 0 2 光伏器件第8 部分：光伏器件光谱响应的测量 g b t 6 4 9 5 5 - 1 9 9 7 光伏器件第5 部分：开路电压法确定p v 器件等效电池温度 g b t1 7 6 8 3 1 - 1 9 9 9 在地面不同接收条件下的太阳光谱辐照度标准 i e c6 0 9 0 4 - 6 - 1 9 9 4 光电器件第6 部分：标准太阳能量参数要求 i e c 6 1 2 1 5 地面用晶体硅光伏电池组件设计鉴定和定型 g b t 1 8 2 1 0 一2 0 0 0 晶体硅光伏( p v ) 方阵i - v 特性的现场测量 g b t 1 8 4 7 9 2 0 0 1 地面用光伏( p v ) 发电系统概述和导则 g b t1 8 9 1 2 - 2 0 0 2 光伏组件盐雾腐蚀试验 g b t1 9 3 9 4 - 2 0 0 3 光伏( p v ) 组件紫外试验等 i e c 6 1 7 3 0 - i 光伏系统安全鉴定一第一部分结构要求 i e c6 1 7 3 0 - 2 光伏系统安全鉴定一第二部分测试要求 同时还必须满足i e c 6 1 7 3 0 及i e c 6 1 2 1 5 对于光伏组件及产品的安全规范要 求，因此，选用l n p v - 1 7 0 w p 型高效单晶硅太阳电池组件，其转换效率1 5 。 l n p v 1 7 0 w p 高效单晶硅太阳电池组件已通过c e 认证、t u v 认证、v d e 认证，为 一级品。 4 3 太阳能光伏供电设计 太阳能光伏组件是供电系统的核心设备，它的作用是将太阳能转变为电能， 从而为负载提供电压或将电能贮存在蓄电池中。太阳能光伏组件分为单晶硅太阳 第四章系统总体设计方案 能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。目前单晶硅太阳能电池的光电 转换效率为1 7 左右，是所有太阳能电池中转换效率最高的，并且具有坚固耐 用、使用寿命长( 一般可达2 0 年) 等优点，故在本系统中采用力诺公司的 l n p v - 1 7 0 w p 高效单晶硅电池为系统供电。 4 3 1 太阳能电池结构图片 1 、1 7 0 w p 单晶硅电池组件图片 图4 2 为单晶硅电池组件外观图。 图4 - 2 单晶硅电池组件 2 、17 0 w p 单晶硅电池背一正图、切面图 图4 - 3 为单晶硅电池背一正图和切面图。 天津工业大学硕士学位论文 图4 - 3 单晶硅电池背一正图、切面图 3 、17 0 w p 单晶硅电池正面、背面结构图 图4 - 4 单晶硅电池正面、背面结构图，图4 5 为电池接线盒图。 第四章系统总体设计方案 图4 - 4 单晶硅电池正面、背面结构图 图4 - 5 电池接线盒 注r 电池片：汇流条；框架；玻璃；接线盒；标签；电缆；连接器； 漏水孔；安装孔。 4 3 2 太阳能电池组件的设计 太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是太 阳能电池组件的串联数必须适当。串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对 蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有 明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时， 才能达到最佳的充电状态。太阳能电池组件的输出特性曲线如图4 - 6 所示： 天津工业大学硕士学位论文 i t i i 图4 6 太阳能电池输出特性曲线 在本系统中采用单块1 7 0 w 光伏组件，太阳能电池组件串联数n s 计算方法如 下： n 。= ( u f + u 。+ u 。) u 。 ( 4 1 ) 其中：u f 为蓄电池浮充电压； u d 为二极管压降，一般取0 7 v ： u 。为其它因数引起的压降； 比为太阳能电池组件的最佳工作电压。 经计算，本系统中的n 。= 1 2 。 太阳能电池组件并联数n d 。 在确定n p 之前，我们先确定其相关量的计算方法。 ( 1 ) 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量h 。，转换成在标准光强下 的平均日辐射时数h ：h - h t 2 7 7 8 1 0 0 0 0 h( 4 - 2 ) 式中：2 7 7 8 1 0 0 0 0 ( h d k j ) 为将日辐射量换算为标准光强( 1 0 0 0 w d ) 下的 平均日辐射时数的系数。 经计算，本系统中的h = 1 4 3 5 6 2 7 7 8 1 0 0 0 0 = 3 9 8 8 h 。 表4 - 1 为我国主要城市辐射参考表： 2 0 第四章系统总体设计方案 表4 一我国主要城市辐射