兆瓦的太阳能解析

格尔木格尔木 1010 兆瓦光伏并网电站的设计兆瓦光伏并网电站的设计 设计人 设计人 1 1 电站地理位置及太阳能资源调查 电站地理位置及太阳能资源调查 青海省将在柴达木盆地建立太阳能资源普查评估体系 为有效利用这一地区丰富的太阳能 资源提供科学依据 据了解 这一项目研究主要是基于地理信息系统制作相关文件 在此 基础上 利用统计分析方法对太阳能资源数据进行加工处理 建立柴达木盆地的太阳能辐 射总量 直接辐射量 散射量的统计模型和太阳能资源评估数据库 全面开展盆地太阳能 资源的普查和评估 地理信息系统是在计算机硬件 软件系统支持下 对整个或部分地球 表层空间中的有关地理分布数据进行采集 储存 管理 运算 分析 显示和描述的技术 系统 柴达木盆地海拔高 空气稀薄 天气晴朗 水汽含量少 大气透明度好 加上这里 地势平坦 无山峦遮挡 日照时数长 太阳辐射强 其太阳能资源十分丰富 盆地内年均 日照时数在 3000 小时左右 太阳辐射和日照仅次于西藏 居全国第二位 是我国光能资源 丰富的地区 这一体系的建立将为科学合理开发利用柴达木盆地太阳能 保护生态环境和 提高农牧民群众生活水平提供依据 1 1 太阳能光伏发电系统的分类及构成太阳能光伏发电系统按与电力系统关系分类 通常 分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统 并网太阳能光伏发电系统是与 电力系统连接在一起的光伏发电系统 一般分为集中式和分散式两种 集中式并网电站一 般容量较大 通常在几百千瓦到兆瓦级以上 而分散式并网系统一般容量较小 在几千瓦 到几十千瓦 本工程属于集中式大型并网光伏电站 并网太阳能光伏发电系统不设蓄电池 减少了蓄电池的投资与损耗 也间接减少了处理废旧蓄电池产生的污染 降低了系统运行 成本 提高了系统运行和供电的稳定性 是太阳能发电发展的最合理和最经济的方向 在 集中式并网光伏电站中 太阳能通过太阳电池组成的光伏阵列转换成直流电 经过三相逆 变器 DC AC 转换成电压较低的三相交流电 再通过升压变压器转换成符合公共电网电压 要求的交流电 并直接接入公共电网 供公共电网用电设备使用和远程调配 本工程光伏 发电系统主要由太阳电池阵列 逆变器及升压系统三大部分组成 其中太阳电池阵列及逆 变器组合为发电单元部分 1 2 太阳电池组件选择 太阳电池组件的选择应综合考虑目前已商业化的各种太阳电池组件的产业形势 技术 成熟度 运行可靠性 未来技术发展趋势等 并结合电站周围的自然环境 施工条件 交 通运输的状况 经技术经济综合比较选用适合集中式大型并网光伏电站使用的太阳电池组 件类型 1 2 1 1 太阳电池分类 目前太阳电池按基体材料主要分为 1 硅太阳电池 主要包括单晶硅 Single Crystaline Si 电池 多晶硅 Polycrystaline Si 电池 非晶硅 Amorphous Si 电池 微晶硅 c Si 电池以及 HIT 电池等 2 化合物半导体太阳电池 主要包括单晶化合物电池如砷化镓 GaAs 电池 多晶化合 物电池如铜铟镓硒 CIGS 电池 碲化镉 CdTe 电池等 氧化物半导体电池如 Cr2O3 和 Fe2O3 等 3 有机半导体太阳电池 其中有机半导体主要有分子晶体 电荷转移络合物 高聚物三 类 4 薄膜太阳电池 主要有非晶硅薄膜电池 Si 多晶硅薄膜太阳电池 化合物半 导体薄膜太阳电池 纳米晶薄膜电池等 目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制造的 随着晶体硅太阳电 池生产能力和建设投资力度的不断增长 一些大型新建 扩建的项目也陆续启动 我国的 太阳能光伏发电产业发展迅猛 目前我国共有 500 多家光伏企业和研发单位 年生产太阳 能光伏电池组件已达 3000MWp 左右 1 2 1 2 太阳电池性能技术比较 结合目前国内太阳电池市场的的产业现状和产能情况 选取目前市场上主流太阳电池 即晶体硅电池和非晶硅薄膜电池 进行性能技术比较 1 晶体硅太阳电池 单晶硅电池太阳电池是发展最早 工艺技术也最为成熟的太阳电池 也是大规模生产 的硅基太阳电池中 效率最高的电池 目前规模化生产的商用电池效率在 14 20 曾经 长期占领最大的市场份额 规模化生产的商用多晶硅电池的转换效率目前在 13 15 略 低于单晶硅电池的水平 和单晶硅电池相比 多晶硅电池虽然效率有所降低 但是生产成 本也较单晶硅太阳电池低 具有节约能源 节省硅原料的特点 易达到工艺成本和效率的 平衡 目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电池 晶体硅类太阳电池在二十一世纪的 前 20 年内仍将是居主导地位的光伏器件 并将不断向效率更高 成本更低的方向发展 2 非晶硅薄膜电池 Si 薄膜类太阳电池由沉积在玻璃 不锈钢 塑料 陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微 米厚的半导体膜构成 由于其半导体层很薄 可大为节省电池材料 降低生产成本 因而 是最有前景的新型太阳电池 已成为当今世界光伏技术研究开发的重点项目 热点课题 在薄膜类电池中非晶硅薄膜电池所占市场份额最大 其主要具有如下特点 a 材料用量少 制造工艺简单 可连续大面积自动化批量生产 制造成本低 b 制造过程消耗电力少 能量偿还时间短 c 基板种类可选择 d 弱光效应好 温度系数低 发电量多 e 售价低 目前约比晶体硅电池售价低 1 3 1 2 薄膜类太阳电池中碲化镉 铜铟硒电池则由于原材料剧毒或原材料稀缺性 其规模化生产 受到限制 目前仍在进一步研究中 紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标 世界各国均在进行各种新型太 阳电池的研究开发工作 目前 晶体硅高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳 电池研究开发的两大热点和重点 已进行商业化应用的单晶太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅薄膜太阳电池 碲化镉薄膜太阳电池 铜铟硒 晶硅类电池中单晶硅电池和多晶硅电池最大的差别是单晶硅电池的光电转化效率略高 于多晶硅电池 也就是相同功率的电池组件 单晶硅电池组件的面积小于多晶硅电池组件 的面积 两种电池组件的电性能 寿命等重要指标相差不大 若仅考虑技术性能 在工程 实际应用过程中 无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用 晶硅类太阳电池由于产量充足 制造技术成熟 产品性能稳定 使用寿命长 光电转化效率相对较高的特点 被广泛应用 于大型并网光伏电站项目 非晶硅薄膜太阳电池尽管有转化效率相对较低 占地面积较大 稳定性不佳等缺点 但 随着技术和市场的发展 由于制造工艺相对简单 成本低 不需要高温过程 在弱光条件 下性能好于晶硅类太阳电池等突出的优点 非晶硅薄膜电池所占的市场分额逐渐增加 二二 太阳能电池阵列设计太阳能电池阵列设计 1 1 太阳能光伏组件选型 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 2 2 并网光伏系统效率计算 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 1 光伏阵列在 1000W 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 2 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 3 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 总 1 2 3 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 R S sin sin D 式中 R 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 D 散射辐射量 中午时分的太阳高度角 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 不同倾斜面各月的太阳辐射量 KWH m2 从表 5 5 中可以得出各月太阳辐射变化趋势 当电池组件倾角为 36 时 全年日平均 太阳总辐射量最大 并满足灰尘雨雪滑落要求及倾斜支架较好稳定性的角度范围 因此确 定本工程电池方阵的最佳固定倾角为 36 4 4 太阳能光伏组件串并联方案 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 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 太阳能阵列必须考虑前 后排的阴影遮挡问题 并通过计算确定阵列间的距离或太阳电池 阵列与建筑物的距离 一般的确定原则是 冬至日当天早晨 9 00 至下午 15 00 真太阳时 的时间段内 太阳电池阵列不应被遮挡 计算公式如下 光伏阵列间距或可能遮挡物与阵列底边的垂直距离应不小于 D D cosA H tan sin 1 sin sind cos cosd cosh 式中 D 遮挡物与阵列的间距 m H 遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差 m 当地纬度 deg A 太阳方位角 deg d 太阳赤纬角 deg h 时角 deg 经计算可得 本工程多晶硅电池阵列行间最小距离为 4 77m 由于地形坡度的影响 每两个太阳电 池组件单元之间留出 1 5m 的空间 既可作为纵向交通使用 又可使两个太阳电池组件单元 相互之间不产生影响 2 太阳能光伏组件阵列单列排列面布置见下图 2 三 直流配电柜设计 3 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 4 1 性能特点 5 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 6 1 采用 32 位 DSP 芯片进行控制 7 2 采用智能功率模块 IPM 8 3 太阳电池组件最大功率跟踪技术 MPPT 9 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 10 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 11 6 有先进的孤岛效应检测方案 12 7 有过载 短路 电网异常等故障保护及告警功能 13 8 直流输入电压范围 450V 880V 整机效率高达 94 14 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 15 10 逆变器支持按照群控模式运行 并具有完善的监控功能 16 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 17 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 18 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 五五 交流防雷配电柜设计交流防雷配电柜设计 19 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 20 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 六六 交流升压变压器交流升压变压器 21 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 22 表 变压器技术参数表 七七 系统组成方案原理框图系统组成方案原理框图 八八 系统接入电网设计系统接入电网设计 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 系统概述系统概述 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 2 重要单元的选择 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 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 高遮断容量后备式限流熔断器的选择 2 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 可有效限制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限制作用 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 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 WINDOWS2000 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 4 环境监测装置 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 5 系统防雷接地装置 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