深圳国际花卉博览园1MWP.doc

深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站系统描述及效益分析摘 要：由深圳市政府投资、中科院北京科诺伟业公司承建的1兆瓦太阳能光伏电站于2004年8月在深圳国际园林花卉博览园内建成发电。电站安装于园内综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡，采用与市电直接并网的运行方式，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站。该电站总容量1000.322kWp，年发电能力约为100万kWh。关键词：光伏；并网；孤岛效应0.引 言太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“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。太阳能光伏发电的能量来源于取之不尽，用之不竭的太阳能，且在太阳能光伏发电的过程中，不会给空气带来污染，不破坏生态，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成、并有规律得到补充的特点，所以称得上可再生的清洁能源。太阳能光伏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。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，其系统结构如图1所示。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，所以整个系统的造价很高。图1 独立运行的光伏发电系统框图Fig.1 Diagram of stand-alone photovoltaic power system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，这要求逆变器具有同电网连接的功能，其结构框图如图2所示。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，而且，蓄电池的使用寿命通常仅为58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以大幅度降低造价，还可以具有更高的发电效率和更好的环保性能。图2 并网运行的光伏发电系统框图Fig.2 Diagram of grid-tied photovoltaic power system1.设计依据及总体设计原则1.1 深圳国际园林花卉博览园概况深圳国际园林花卉博览园位于深圳市福田区竹子林西，占地面积为0.66平方公里。2004年9月23日至2005年3月23日期间，将在深圳国际园林花卉博览园内举办中国第五届国际园林花卉博览会。1.2 环境及资源情况深圳市地处广东省南部沿海，位于北回归线以南，东经11346至11437，北纬2227至2252之间。深圳市属于亚热带海洋性气候，雨量丰沛，日照时间长，气候温和。春季平均气温在20C左右，夏季平均气温为28C，秋季平均气温25C，冬季平均气温12C。常年平均温度为22.4C，最高为36.6C。常年主导风向为东南风，年平均日照时数为2120.5小时，太阳年辐射量5404.9兆焦耳 /平方米。据统计10分钟最大平均风速为30米/秒，瞬时最大风速44.9米/秒。1.3 总体设计原则在进行深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站设计时，需要考虑如下几个主要因素： 1）美观性由于本项目的公众影响力，美观与否非常重要。电池板安装在综合展馆、花卉展馆、游客服务管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡上，除北区东山坡光伏组件的安装倾角与坡面基本一致，为23外，其余四个建筑物屋顶的光伏组件的安装均与屋顶结构密切配合，保持屋顶的风格和美观，布局宜采用对称方案。2）太阳辐照量为了增加光伏阵列的输出能量，尽可能地将更多的光伏组件普照在阳光下，且避免光伏组件之间互相遮光，以及被高塔、屋顶边缘及其他障碍物遮挡阳光。对于边缘区域，在一年中某些时间或者一天中的某些时段会受到局部遮挡的光伏组件，为了获取更多的能量输出，将这部分光伏组件接入串式逆变器（String Inverter）（注：逆变器为将直流电能转换成交流电能的电力设备），以将阴影遮蔽的影响降低到最小。3）电缆长度为了实现以下目的，从光伏组件到接线箱、接线箱到逆变器以及从逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能保持在最短距离：减小线路的压降损失，提高系统的输出能量；减小电缆尺寸以降低成本，同时减轻屋顶负荷并增加其灵活性。由于连接电缆的长度较长，应尽可能按最短距离布置电缆。通常，在进行太阳能光伏电站设计时，需要将直流部分的线路损耗控制在3-4%以内。2.系统组成2.1 方案描述并网型太阳能光伏电站是利用光伏组件将太阳能转换成直流电能，再通过逆变器将直流电逆变成50赫兹、230/400伏的三相或230V的单相交流电。逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端 （230/400伏）并联，对负载供电，并将多余的电能通过变压器送入电网。本电站无蓄电池储能设备，当阴雨天无太阳时，由电网供电给负载。2.2 主要部件说明1MWp并网光伏电站的主要部件包括光伏组件和并网逆变器，均采用了国际上先进而又成熟的技术，这些技术已通过十多年的成功运行的考验。共采用了三种型号的光伏组件，分别是：BP太阳能公司生产的单晶硅光伏组件BP4170S（标准测试条件下，开路电压=44.4V，短路电流=5.1A，最大功率点电压=35.6V，最大功率点电流=4.78A，最大功率=170Wp）、多晶硅光伏组件BP3160S（标准测试条件下，开路电压=44.2V，短路电流=4.8A，最大功率点电压=35.1V，最大功率点电流=4.55A，最大功率=160Wp）以及日本京瓷公司生产的多晶硅光伏组件KC167G（标准测试条件下，开路电压=28.9V，短路电流=8.00A，最大功率点电压=23.3V，最大功率点电流=7.20A，最大功率=167Wp）。BP太阳能和日本京瓷公司均为世界上光伏组件产量前五位的大公司。所采用的并网逆变器也分为三种型号：SC125LV（额定功率为125kW）、SC90（额定功率为90kW）以及SB2500（额定功率为2.5kW）。其中，SC125LV、SC90为集中型逆变器（Central Inverter），SB2500为串式逆变器（String Inverter）。上述三种型号的并网逆变器均由德国SMA公司生产。2.3 电站组成深圳国际园林花卉博览园的1MWp并网光伏电站分为五个子系统，分别安装在四个场馆（综合展馆、花卉展馆、游客服务管理中心和南区游客服务中心）及北区东山坡，电站总容量为1000.322kWp。2.3.1 综合展馆子系统综合展馆子系统容量为168.64kWp，共安装了992块BP4170S光伏组件、2台SC90逆变器。将布置在综合展馆屋顶的992块光伏组件，按每16块串联成一串，组成62个SMU光伏组件串；62个SMU光伏组件串的直流输出按10、10、11、11、11、9的组合，分别汇集入一个SMU直流接线箱，共6个SMU接线箱（安装在屋顶）；每3个SMU接线箱的直流输出汇集入一台Sunny Central逆变器，共2台SC90逆变器（安装在二楼控制室）。2台SC90逆变器的三相交流输出汇集入控制室内的交流配电柜，通过综合展馆一楼的KTAP配电柜，并入安装在半地下车库配电室的1250KVA变压器的380V低压母线。2.3.2 花卉展馆子系统花卉展馆子系统容量为276.28kWp，共安装了76块BP4170S、1646块BP3160S光伏组件和2台SC90逆变器、10台SB2500逆变器。将布置在花卉展馆屋顶不受阴影遮蔽区域的1536块BP3160S光伏组件，按每16块串联成一串，组成96个SMU光伏组件串；每16个SMU光伏组件串的直流输出汇集入1个SMU直流接线箱，共6个SMU接线箱（安装在屋顶）；每3个SMU接线箱的直流输出汇集入一台Sunny Central逆变器，共2台SC90逆变器（安装在一楼控制室）。将布置在受玻璃圆锥阴影遮蔽区域的76块BP4170S和110块BP3160S光伏组件，按每8、9或10块串联成一串，组成20个SPB光伏组件串；每两个串联组件类型和数量相同的SPB组件串接入一台Sunny Boy逆变器，共10台SB2500逆变器（安装在屋顶）。System technology engineer10台SB2500逆变器的交流输出按照3、3、4的组合，分为基本平衡的三相，与2台SC90逆变器的交流输出汇集入控制室内的交流配电柜，并入安装在花卉展馆配电室的800KVA变压器的380V低压母线。2.3.3 游客服务管理中心子系统游客服务管理中心子系统容量为144.16kWp，共安装了848块BP4170S光伏组件和1台SC90、9台SB2500逆变器。将布置在游客服务管理中心屋顶不受阴影遮蔽区域的688块光伏组件，按每16块串联成一串，组成43个SMU光伏组件串；43个SMU光伏组件串的直流输出按15、14、14的组合，分别汇集入一个SMU直流接线箱，共3个SMU接线箱（安装在屋顶）；3个SMU接线箱的直流输出汇集入一台SC90逆变器（安装在一楼配电室）。将布置在受阴影遮蔽区域的160块光伏组件，按每8或9块串联成一串，组成18个SPB组件串；每两个串联组件数量相同的SPB组件串接入一台Sunny Boy逆变器，共9台SB2500逆变器（安装在屋顶）。9台SB2500逆变器的交流输出按照3、3、3的组合，分为基本平衡的三相，与SC90逆变器的交流输出汇集入交流配电柜，并入安装在游客服务管理中心配电室的500KVA变压器的380V低压母线。2.3.4 南区游客服务中心子系统南区游客服务中心子系统容量为89.6kWp，共安装了560块BP3160S光伏组件和1台SC90逆变器。将布置在南区游客服务中心屋顶的560块光伏组件，按每16块串联成一串，组成35个SMU光伏组件串；35个SMU光伏组件串的直流输出按12、12、11的组合，分别汇集入一个SMU直流接线箱，共3个SMU接线箱（安装在屋顶）；3个SMU接线箱的直流输出汇集入1台SC90逆变器（安装在一楼控制室）。SC90逆变器的交流输出通过交流配电柜，并入安装在游客服务管理中心配电室的500KVA变压器的380V低压母线。2.3.5 北区东山坡子系统5816*464/6北区东山坡子系统容量为321.642kWp，共安装了1926块KC167G光伏组件和2台SC125LV、18台SB2500逆变器。将布置在北区东山坡不受阴影遮蔽区域的1620块光伏组件，按每18块串联成一串，组成90个SMU光伏组件串；90个SMU光伏组件串按8、8、8、8、8、5、8、8、8、8、8、5的组合，分别汇集入一个SMU直流接线箱，共12个SMU接线箱（安装在坡面）；6个SMU接线箱的直流输出汇集入一台Sunny Central逆变器，共2台SC125LV逆变器（安装在山坡控制室）。将布置在受阴影遮蔽区域的306块光伏组件，按每17块串联成一串，组成18个SPB光伏组件串；每个SPB组件串接入一台Sunny Boy逆变器，共18台SB2500逆变器（安装在坡面）。18台SB2500逆变器的交流输出按照6、6、6的组合，分为基本平衡的三相，与2台SC125LV逆变器的交流输出汇集入控制室内的交流配电柜，并入安装在半地下车库配电室的1250KVA变压器的380V低压母线。3.在保证电网质量和安全方面的措施3.1 高品质的电能输出SMA公司所生产的集中型和串式逆变器均配置有高性能滤波电路，使得逆变器交流输出的电能质量很高，不会对电网质量造成污染。在输出功率50%额定功率，电网波动5%情况下，SC125LV和SC90逆变器的交流输出电流总谐波分量（THD）3%，SB2500逆变器的交流输出电流总谐波分量（THD）4%。SC125LV、SC90和SB2500逆变器均为并网型逆变器，在运行过程中，需要实时采集交流电网的电压信号，通过闭环控制，使得逆变器的交流输出电流与电网电压的相位保持一致，所以功率因数能保持在1.0附近。3.2 “孤岛效应”防护手段“孤岛效应”指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象。“孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患，体现在以下两方面：一方面是当检修人员停止电网的供电，并对电力线路和电力设备进行检修时，若并网光伏电站的逆变器仍继续供电，会造成检修人员伤亡事故；另一方面，当因电网故障造成停电时，若并网逆变器仍继续供电，一旦电网恢复供电，电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异，会在这一瞬间产生很大的冲击电流，导致设备损坏。SC125LV、SC90和SB2500逆变器均采用了两种“孤岛效应”检测方法，包括被动式和主动式两种检测方法。被动式检测方法指实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电；主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所产生的谐波电压值，通过计算电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电网阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。此外，在并网逆变器检测到电网失电后，会立即停止工作，当电网恢复供电时，并网逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时间（如90秒钟）内完全正常，才重新投入运行。需要指出的是，任何一种“孤岛效应”的检测方法均具有其局限性，需要同时从电站管理上来杜绝检修人员伤亡事故的发生，当停电对设备和线路进行检修时，需要先断开并网逆变器。3.3 光伏电站交直流侧的电气隔离SC125LV、SC90和SB2500逆变器均带有隔离变压器，使得逆变器的直流输入和交流输出之间电气隔离开来。直流侧的光伏组件阵列为“浮地”，正负极与地之间都没有电气连接，且逆变器在运行过程中，随时检测直流正负极的对地阻抗，从而保证了逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。3.4 完善的监测手段深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站共提供了三种监测手段：第一种手段是可由安装在集中型逆变器和SBC面板上的LCD液晶显示屏上分别观察到集中型逆变器和串式逆变器的运行参数（包括直流输入电压和电流、交流输出电压和电流、功率、电网频率等）及故障代码和信息。（注：SBC全称为Sunny Boy Control Plus，具有测量环境参数（如辐照度、环境温度等）、收集串式逆变器运行信息的功能，同时还具有与PC机通讯的功能）；第二种手段是可通过安装在五个子系统太阳能控制室的PC机上观察到就地的运行数据，其中，安装在综合展馆太阳能控制室的PC机还作为中央监测计算机，实时采集其余四个安装地点的运行数据，并可将整个深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站的数据在综合展馆序厅入口的LED室内显示屏上集中显示出来；此外，还可以将并网光伏电站的运行参数发布到Internet网上，并实时刷新。4.电站效益分析2002年9月3日，朱镕基总理在世界首脑会议上发表题为“坚定不移地走可持续发展之路”的讲话。讲话中指出，可持续发展是里约环发大会确立的新的发展观，其实质是改变传统的发展思维和模式；经济发展必须有利于资源的永久持续利用，有利于生态系统的良性循环，绝不能以浪费资源和破坏生态环境为代价。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网太阳能发电工程正体现了这样一种世界上正在倡导的观念。本文从以下几方面对1MWp电站的效益进行分析。4.1 环保效益由温室气体排放引起的全球气候变暖问题越来越受到全球的高度重视。气候变暖已使全球自然灾害发生的频率和烈度不断增加，像厄尔尼诺和拉尼娜现象就与气候变暖有密切关系。有的科学家认为，即使马上采取切实行动减少温室气体排放，全球气候变暖的趋势也不会很快改变，这就使采取行动成为更加迫切的事。京都议定书中规定削减排放的6种温室气体是二氧化碳、甲烷、氮氧化物以及其他3种用于取代含氯氟烃的卤烃。议定书规定，到2010年，所有发达国家排放的6种温室气体的数量，要比1990年减少5.2%，其中美国减少7%，欧盟减少8%，日本减少6%。包括中国和印度在内的发展中国家依照“共同但有区别的责任”的原则，制定自愿削减温室气体排放目标。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站的年发电能力约为100万千瓦时，相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约4.8吨，减排灰渣约101吨，减排二氧化碳约170余吨，减排二氧化硫约7.68吨，是真正的无污染的绿色能源，与深圳国际园林花卉博览园所具有的环保功能相得益彰，必将为第五届中国国际园林花卉博览会增添光彩。4.2 社会效益近年来，太阳能光伏建筑集成与并网发电得到快速发展。将建筑物与光伏集成并网发电具有多方面的优点，如： 无污染、不需占用昂贵的土地、降低施工成本、不需要能量储存设备、在用电地点发电避免或减少了输配电损失等等，好的集成设计会使建筑物更加洁净、美观，容易被建筑师、用户和公众所接受，所以发展很快。由于太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例，国际社会十分重视，许多国家相续制定了本国的屋顶光伏计划。如美国和欧盟都制定了百万屋顶光伏计划，即到2010年美国和欧盟都将有百万屋顶装有光伏组件并网发电。日本通产省也宣布到2010年光伏发电装机容量达到5GW，主要用于屋顶光伏并网系统。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一