国家发改委PV培训课程-光伏发电技术C成

2021光伏发电技术进展和政策分析专项培训国家发改委能源研究所[2/2]光伏发电技术和系统设计关于数据采集和远程监测IEEE1547规定，功率超过250kW的分布式电源必须安装监测系统，以监视DR的接入状态、有功、无功输出和连接点的电压。

数据采集和远程监测系统工作界面宣传界面美国

Springevell5.0MW

光伏电站网站5与建筑结合的光伏系统BIPV和BAPV关键设备和技术难点：太阳电池、特殊BIPV组件、逆变器、数据采集和监控、与建筑结合的设计。什么地方可以安装太阳电池附加的特性：太阳电池与建筑结合后还具有最为重要的特性————发电。传统的建筑材料被太阳电池组件替代后还具有独特的光学效果。.安装方式

ona inaslopedona inaflatinfrontof cold/warmglazedsunshadeslopedroof roof flatroofroofthefacade facade roof7所需要的安装面积RequiredareaforPVgeneratorswithdifferentcelltypes不同朝向安装的太阳电池的发电量:假定向南倾斜纬度角安装的太阳电池发电量为100；其它朝向全年发电量均有不同程度的减少。8组件的遮挡和通风好的通风条件对于冷却太阳电池组件很重要：温度升高将减少发电量；组件温度取决于安装方式。Facadeintegration,

noventilationRoofintegration,noventil.ationOn/infacade,poorventil.On/infacade,

goodventilationOn/inroof,

poorventilationOn/inroof,goodventil.Onroof

withlargegapFreestanding应当尽量防止遮挡：对于晶体硅太阳电池，很小的遮挡就会引起很大的功率损失；遮挡对于薄膜电池的影响要小得多。9并网光伏建筑的电气方案1：“上网电价〞方式特点：1、电网公司以高电价收购PV电量；2、用户缴纳常规低价电费；3、PV电表接在用户电表之前〔电网一侧〕。10并网光伏建筑的电气方案2：“净电表计量〞方案特点：1、电力公司不用高价收购PV电量；2、允许抵消用电量〔自发自用〕；3、PV计量电表装在用户电表之后〔负载一侧〕。11“净电表计量〞三相电接线方案逆变器太阳电池用户缴费的电表计量PV电量的电表12数字式“防逆流〞保护装置电源电压：交流220V单相(－15%~＋10%)频率：50Hz1Hz装置额定数据交流电流：5A交流电压：100V频率：50Hz功耗：0.5VA／相测量精度交流电流：0.5%交流电压：0.5%有功功率：3%无功功率：3%频率：0.01Hz主要功能方向功率保护电量计量故障记录保护控制信号输出：常开或常闭触点3对。灵敏度：“逆向〞电流：200mA响应时间：0.2秒13“金太阳工程〞并网发电图解1、电力公司只同建筑业主结算；2、PV开发商同建筑业主结算；3、由电力公司确定并网点和电能计量装置。14“金太阳示范工程〞

技术经济分析光伏发电在用户侧并网的一些根本概念“上网电价〞〔Feed-inTariff〕政策和并网方式何谓“净电量计量法〞？〔NetMetering)“光电建筑〞工程和“金太阳工程〞执行的是什么政策？何谓“逆流〞、“逆功率〞？如何实现“逆功率保护〞？一些根本概念的澄清并网光伏建筑的电气方案1：“上网电价〞方式特点：1、电网公司以高电价收购PV电量；2、用户缴纳常规低价电费；3、PV电表接在用户电表之前〔电网一侧〕。18并网方案2：“净电量〞方式“Net-Metering〞Model特点：1、不给特殊电价；2、允许抵消电量“自发自用〞；3、PV电表接在电表负载一侧。。1、NospecialFITforPV；2、ReducepowerconsumptionfromgridbyPV；3、PVconnectgridatloadside。19并网光伏建筑的电气方案2：“净电量计量〞方案特点：1、电力公司不用高价收购PV电量；2、允许抵消用电量〔自发自用〕；3、PV计量电表装在用户电表之后〔负载一侧〕。20美国的“净电量计量〞法1、什么是“净电量计量〞?“净电量计量〞是一种付费管理模式，具有自己发电能力的用户，当多余的自发电量反向流到电力配电网〔系统〕时，用户能够得到费用以减少电费支出。自己发电以减少电费支出包括2个方面：你自己发的电替代了你原来必须付费的电网的电量，以及你自己发的电反送到电网里，从而减少了你的电费。2、“净电量计量〞是如何实现的?如果你希望按照“净电量〞法付费，你自己的发电系统必须接到地方电网的配电系统。无论何时，只要你自己的发电系统的电力大于你的负荷，多余的电量就会反向流过你自家的电表，并使其倒转。电表的倒转就使得每个月的电表读数减少，于是就节省了你的电费。3、当电表倒转超过了正转又当如何?在这样的情况下，电表的月读数将会少于上一次〔收费时〕电表的读数，于是你的电费帐单上会显示电力公司应当向你付费。4、电力公司如何向你付费?应当向你支付的费用〔或多发的电量〕可以结转到下个月用于抵消你的电费。作为净电量计量用户，你也可以要求一年或12个月结算一次。21美国的“净电量计量〞法1、什么是“净电量计量〞?“净电量计量〞是一种简单计量发电电量和消耗电量的方式或者说是一种自己拥有可再生能源发电系统，如光伏发电系统，的商业模式。净电量计量条件下，光伏系统产生的多余电量将推着用户计费电表倒转，用户可以将这些充裕电量储存以备需要的时候使用。这就保证了发电用户发出的所有电量都具有零售电价的价值。2、按照联邦法案〔PURPA，210节〕，电力用户可以使用自己的光伏系统发出的电为自己的照明和其它电器设备供电，从而抵消如果自己不发电而必须以零售电价支付给电力公司的电量。但是如果用户发出了过剩的电量〔满足了自己的用电需求之外〕，是不允许采用“净电量计量〞模式运行的，此时电力公司将以“替代本钱〞趸购多余电量，这个趸购电价要远远低于零售电价。超出自用的电量应当另外计量，额外的电表的费用应由用户支付。(看来，美国的电力公司在一开始也是同样的顽固)3、“净电量计量〞法简化了上述模式，即允许自发电用户在付费周期内，将某时多发的电量抵消其它时间消费的电量。换句话讲，就是用户在付费时段内支付净消耗的电量。〔注：付费周期可以是月，也可以是年，在付费周期内，电表有时正转，有时反转，自己发出的总电量小于总用电量，用户按照净用电量付费。〕22关于实施金太阳示范工程的通知

财建〔2021〕397号2021年7月16日用户侧并网的光伏发电工程所发电量原那么上自发自用

，充裕电量及并入公共电网的大型光伏发电工程所发电量均按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价全额收购。自发自用：没有疑问，在负载侧并网，直接被负载消耗。充裕电量？电表是否可以双向计量？是否所有反向电流都属于“充裕电量〞？还是按照结算周期定义“充裕电量〞？23“金太阳工程〞并网发电图解1、电力公司只同建筑业主结算；2、PV开发商同建筑业主结算；3、由电力公司确定并网点和电能计量装置。防逆流24“金太阳工程〞并网发电计量方式25“金太阳工程〞并网点〔1〕多个建筑、多个业主，多点计量。注:

图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。

26“金太阳工程〞并网点〔2〕多个建筑、单一业主，单点计量。注:

图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。

27“金太阳工程〞并网点〔3〕多个建筑、单一业主，单点计量。注:

图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。

28关于最大接入容量关于适用于“净电量〞模式的可再生能源系统的规模：所有电力公司都应该为具有可再生能源发电系统的用户发电商提供〞净电量〞模式的效劳，即按照该州接入电网的标准允许可再生能源发电系统接入并并联运行。然而所接入的可再生能源发电系统的额定容量不得超过用户发电商的进户线路的容量。对于接入容量的限制，说明如下一些州并没有强制限制参与“净电量〞运行的可再生能源发电系统的容量。对于那些强制限制系统容量的州，限制规模小到25kW，大到80MW，然而，大局部的州将最大容量限定在2MW。3031光伏发电接入配电网的容量限制〔USA〕TheUnitedStatesdoesnothaveuniformregulationsforinterconnectionacrossjurisdictions(statesandutilities).

Ingeneral,small(under2MW)solarsysteminterconnectionruleshavethefollowingcharacteristics:1.Astreamlinedinterconnectionapplicationprocessthatensuresthatthedistributioncircuithasnomorethan15percentofitscapacityasdistributedgeneration.2.AninverterthatcompliedwithUL/IEEE1574standards,whichensures"anti-islanding."3.AlockableACdisconnecttoallowutilitypersonneltolockoutthegeneration.(Althoughthesemaynolongerberequiredinsomejurisdictions).ThesesimpleruleshaveworkedwellfortheUStodate,withalmostnodocumentedproblemsduetodistributedgeneration.The15percentrulehasbeenadoptedatthefederallevel,andaleadingutility(SouthernCaliforniaEdison)isusingthisrulewhendevelopingitsowndistributionsystemconnectedsolarsystems.分布式发电系统的容量不能超过配电线路额定容量的15%。32按照传统经验，分布式发电系统的容量不能超过峰值负荷的15%。33关于“逆功率〞和“防逆流〞“逆功率〞的概念IEEE1547分布式发电系统接入电网的技术标准1、并入输电网的光伏系统类似于大型风电场和大型光伏电站，没有逆流的问题，只能向中压电网送电，也没有双向计量的问题。2、在负载侧并网的光伏系统复杂，既有管理模式的问题也有“逆流〞技术问题。35不同的配电网结构—二次网络结构〔点供电网络〕一个负荷区由多台配电变压器供电〔在次级测并联〕。优点：供电可靠性高，缺点：造价高，必须防“逆流〞。有分布式发电系统的情况下必须防止误动作。36不同的配电网结构—放射型配电网

中国绝大局部都是属于放射型配电网结构，每个供电区域由一台配电变压器供电。优点：互不干扰，缺点：支路发生问题后不能及时恢复，必须等到修复。37“净电表计量〞三相电接线方案逆变器太阳电池用户缴费的电表计量PV电量的电表在变压器次级并网，有放逆流功能时，不需要加装逆流计量电度表。38数字式“防逆流〞保护装置电源电压：交流220V单相(－15%~＋10%)频率：50Hz1Hz装置额定数据交流电流：5A交流电压：100V频率：50Hz功耗：0.5VA／相测量精度交流电流：0.5%交流电压：0.5%有功功率：3%无功功率：3%频率：0.01Hz主要功能方向功率保护电量计量故障记录保护控制信号输出：常开或常闭触点3对。灵敏度：“逆向〞电流：200mA响应时间：0.2秒39“逆流〞的发生1HighvoltageduetoDG:Highvoltagesmaybecausedbyreversepowerflow.Underlight

loadforalocationwheretheprimaryvoltageisalreadyhigh,thevoltagerisecanbeenough

topushthevoltageabovenominallimits.ThiscanevenhappenforasmallDGlocatedon

thesecondarybecauseofthevoltagedropalongtheservicedrop,thesecondarywiring,and

thedistributiontransformer.分布式发电系统引起的高电压：反向功率流可能引起高电压。当负载很轻的时候，此时初级电压已经很高了，这个高电压足以超过电压的上限。当次级侧的分布式发电功率很小的时候，也有可能引起高电压，这是由于架空线路、次级线包和配电变压器上的电压降引起的。40“逆流〞的发生2“StudyonD-UPFCintheClusteredPVSystemwithGrid〞Reversepowerflowfromthegrid-connectedphotovoltaic(PV)systemsincreasesthevoltageofpowerdistributionline.InthecasethatlargenumbersofresidentialPVsystemsareconnectedtothepowergridwithinasmallarea,thissituationcalled“clustered〞.并网“集群光伏系统〞功率流控制器的研究一文指出：光伏系统的反向功率流将引起配电线路电压的上升，尤其是当众多户用光伏系统集中在一个小区域内并网，这被称作“集群〞。这个控制器在发生“逆功率流〞情况下也能稳定配电网的电压。41“防逆流〞的措施KeepthePVsystemsizedlowerthantheminimumdaytimeloadatthecustomermeter.Indoingso,thesystemisdesignedtoensurethatthesiteloadisalwaysdrawingsomepowerfromtheutilitygridwithessentiallynochanceofexportingenergyfromthePVsystemtothenetwork.将光伏输出设计成在白天总是小于负荷。Installaminimumimportrelay(MIR)orareversepowerrelay(RPR).〔IEEE1547〕安装最小正向电流断路器或逆向功率断路器。Installadynamicallycontrolledinverter(DCI).ThisinvertercontrolstheoutputofthePVsysteminverter(s).ThistypeofsystemmonitorsthelevelofenergycomingintothecustomerlocationandwillrampdownthePVenergyproductioniftheloaddropsbelowaspecificthreshold.安装动态功率可调逆变器。当负荷小到一定，逐级断开光伏。AllowsmallerPVsystemstoconnecttoanetwork.MostsmallPVsystems,of30kilowatts(kW)orless.减少光伏系统的安装功率〔30kW或更小〕。42允许“逆流〞的情况下Usenon-unitypowerfactoroperationtogivePVinvertersvoltagecontrolcapability.Inverterscanphase-shifttheiroutputtosupplyvolt-amperesreactive(VArs)to(ordrawthemfrom)theutility.However,tosignificantlyreducevoltageincrease,thePVinverterwouldneedtobedesignedforadditionalapparentpowercapability(e.g.,a5-kilowattinvertermightneeda6-to7-kilovolt-ampererating).要求逆变器必须具有无功补偿功能，以防止“逆流〞情况下网压升高。目前国内电网要求：对于大型光伏电站，功率因数调节范围在超前或滞后0.98，对于小型电站要求功率因数接近1，且不调整。StudyonD-UPFCintheClusteredPVSystemwithGridKyungsooLee,KosukeKurokawaTokyoUniversityofAgriculture&Technology,2-24-16Naka-cho,Koganei-shi,Tokyo184-8588,JapanAbstract:Reversepowerflowfromthegrid-connectedphotovoltaic(PV)systemsincreasesthevoltageofpowerdistributionline.ThispaperproposesD-UPFC(Distribution-UnifiedPowerFlowController)tosolvetheover-voltageconditionwhentheclusteredPVsystemisinjectedtothedistributionsystem.为防止“逆流〞情况下配电网电压升高，已有很多公司开发了稳定电压的控制装置。43光伏电站接入中压输电网并入中压电网〔10kV-110kV〕的光伏系统一般属于类似大型荒漠光伏电站和风电场的光伏发电站。光伏发电站的功率潮流是单向的，不存在“逆功率流〞的问题，“净电量计量〞法也不适用，管理方法与大型电站一样，只能以“上网电价〞将电量卖给电网公司，不可能“自发自用〞。

德国已经公布了BDEW标准“发电站接入中压电网的技术规定〞〔Generatingplantsconnectedtothemedium-voltagenetwork〕，对于接入中压电网〔1kV-60kV〕的发电站〔包括风力发电、水电站、生物质发电、燃气轮机和光伏发电〕做出了技术规定，包括电压、频率等电能质量，有功无功调节能力，低电压穿越能力等。低电压穿越能力〔Low-voltageRideThrough〕第二类发电装置〔PV〕的电网连接点46有功功率调节〔ActivePowerControl〕47无功功率调节〔ReactivePowerControl〕48并网点的最大允许短路电流〔Max.AdmissibleShort-CircuitCurrent〕并网点的最大允许短路电流由于光伏电站的接入增加了，这有可能超过线路允许的短路电流值，需要重新计算和核实。一般同步发电机的短路电流是额定电流的8倍左右，而光伏电站的短路电流那么根本与额定工作电流相当，因此一般情况下，对于光伏电站不需要增设限制短路电流的装置。494、特殊设计

〔遮挡和占地计算、抗风能力设计、系统的防雷接地〕太阳电池方阵间距计算计算当太阳电池子阵前后安装时的最小间距D。一般确定原那么：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。按照国家标准公式计算间距：当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高达建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。一般确定原那么：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。计算公式如下：太阳高度角的公式：sin=sinsin+coscoscos太阳方位角的公式：sinβ=cossin/cos式中：为当地纬度；为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5度；为时角，上午9:00的时角为45度。D=cosβ×L，L=H/tan，=arcsin(sinsin+coscoscos)52太阳电池方阵抗风能力设计

〔依据：GB50009-2006建筑结构荷载标准、GB50017-2003?钢结构设计标准?〕

1、需要计算受风梁在受风条件下的弯曲应力和弯曲度；2、需要计算支撑臂在顺风条件下的压曲强度和逆风条件下的拉伸强度；3、需要计算在受风条件下螺栓的剪切力〔折断力〕的耐受强度。太阳电池支架抗风能力的设计1、受风梁弯曲强度和弯曲度的计算弯曲力矩M：M=WL2/8〔Nm〕W：单位长度上的风压〔N/m〕L：跨距长度〔m〕弯曲应力P：P=M/Z〔N/cm2〕Z：角钢的截面系数弯曲度A：A=〔5WtL3〕/〔384EIm〕〔cm〕Wt：受风梁上的总风压〔N〕L：跨距长度〔m〕E：材料的纵向弹性系数〔N/cm2〕Im：横截面二次力矩(cm4)2、支撑臂的压曲荷载〔顺风时〕欧拉公式计算支架所能承受的压曲荷载：Pk=n2〔EIm〕/L2(N)n：有支撑条件决定的系数，紧密无松动为1；Im：截面轴向二次力矩(cm4)；E：材料的纵向弹性系数〔N/cm2〕L：轴长〔cm〕总荷重〔W+G〕/2应小于Pk。3、支撑臂的拉伸强度〔逆风时〕拉伸张力B〔N/cm2〕:B=W/AW：每根支撑梁所承受的风压〔N〕A：支撑臂的截面积〔cm2〕4、安装螺栓的强度〔逆风时〕虽然有4只螺栓，但受理最大的是后面2根。所以有：螺栓最大折断力：=1/2W/A〔N/cm2〕W：总的逆向风压〔N〕A：螺栓截面积〔cm2〕Q：设计用风压〔N/m2〕Aw：受风面积〔m2〕设计用风压Q：Q=QoHIQo：基准风压H：高度修正系数I：环境系数I环境系数：对风无遮挡的空旷地带：1.15对风有少量遮挡：0.9对风有较大遮挡：0.7H高度修正系数：太阳电池支架抗风能力的设计风压荷载太阳电池方阵支架结构的设计要考虑风压荷载，防止因强风导致普破坏。作用于太阳电池阵列的风压荷载由下式计算：W=CwQAwW：风压荷载〔N〕Cw：风荷载体型系数风荷载体型系数顺风方阵倾角逆风0.79150.940.87301.181.06451.43风压高度修正系数距离地面高度地面粗糙度类别（m）ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84Qo基准风压：基准高度为10米Qo=1/2Vo2：空气密度〔NS2/m4〕冬季空气密度取：1.274〔NS2/m4〕Vo：地面10米处50年最大风速〔m/S〕取：42〔m/S〕BAPV的安装方式生根不生根BAPV的安装方式G:GravityofPVArrayG=mg(N)m=水泥墩+光伏组件+光伏支架g=9.8m/s2

方阵面积：Aw=2.63

6=15.78预制混凝土敦：0.37×0.37×

0.6×2.5=0.205吨=205kgG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N太阳电池支架抗风能力的设计最大风速：30米/s(12级风〕体型系数Cw：逆风25度取：1.1环境系数I：无遮挡取：1.15高度系数：20米，粗糙度B，取：1.25：空气密度〔冬季〕1.27〔NS2/m4〕Qo=1/2Vo2=572N/m2方阵面积：Aw=2.636=15.78m2Q=QoHI=5721.251.15=821.5N/m2W=CwQAw=1.1821.515.78=14260NG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N不生根方阵水泥墩重量计算支点W=CwQAw=1.1821.515.78=14260NG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N力矩平衡：W×动力臂=14260×1.75=24955NmG×阻力臂=20894×1.4=29251.6Nm风力矩：1.75米〔三分之二处〕阻力炬：1.2米方阵中心点设备的防雷和接地措施1：架设避雷针防止低空直击雷措施2:太阳电池方阵支架可靠接地；措施3：太阳电池方阵接线箱内，输入、输出处加装防雷器，各机壳均可靠接地；措施4：机房设备需可靠接地。措施5：控制室进、出线处均增设防雷隔离箱，内装防雷保安器，防止感应雷；60雷击对电路板的损坏61防雷措施可恢复的防雷器不可恢复的防雷器保护半径：r=1.5h62根本概念接闪器：直接截受雷击的避雷针、避雷线、避雷网等，架空安装。引下线〔建筑〕：连接接闪器和接地体的金属导体。1、2、3类建筑的引下线均不得少于2根。接地体：埋入土壤中或混凝土根底中作为散流作用的导体。接地线：连接引下线和接地体的导体。过电压保护器：避雷器、放电间隙、压敏电阻等。防雷装置：接闪器、接地体、接地线、引下线、过电压保护器的总合。接地：将接闪器、被保护装置、设备或过电压保护器用接地线与接地体连接，称为接地。接地包括：工作接地、保护接地和过电压保护接地。63设备接地和系统接地SJ/T11127-1997光伏〔PV〕发电系统过电压保护-导那么64与建筑结合的光伏系统的防雷和接地依据：?建筑物防雷设计标准GB50057-94?建筑物的防雷和接地已经有标准，也已经很完善。因此，在建筑物上安装的光伏系统一般不单独安装避雷装置。GB50057-94中规定：突出屋面的金属物体可不装接闪器，但应和屋面防雷装置相连；需要保护的突出屋面的飞金属物体那么需要装接闪器。建筑物等级：一类建筑：储存爆炸物、易燃物和其它受雷击易造成巨