智能光伏电站可研报告光伏阵列

光伏发电系统设计及发电量计算100MW光伏网发电项目一期工程总规划装机规模50MWp，采用分块发电、集中并网方案。本工程共50个Wp发电单元。每10台20kV升压变压器在高压侧并联为1个联合单元，5个联合单元分别接入20kV开关站汇流母线，再由2回20kV出线送入附近10kV变电站。本工程光伏发电系统主要由光伏发电系统及并网系统组成。1系统方案选择方案选择应综合考虑：运行可靠性技术成熟度未来技术发展趋势等并结合电站区域的气象条件地理环境施工条件交通运输等实际因素经技术经济综合比较选用适合大型并网光伏电站使用的解决方案。光伏发电系统方案类型智能光伏电站解决方案组网示意图：传统方案组网示意图：初始投资分析智能光伏电站传统方案对比无直流汇流箱；无逆变器房、无集装箱及土建基础；减少线缆用量；无通讯管理机；简化系统结构，降低施工难度，周期短；低成本逆变器；需要逆变器房或集装箱；结构复杂，设备接线复杂，施工难度大，周期长；持平或略低技术分析类型智能光伏电站解决方案传统方案系统效率83%79%技术趋势“硅进铜退”、“全数字电站”“智能化”/可靠性IP65密封设计，自然散热；无风扇、熔丝等易损部件；系统单点故障对整体电站影响小；IP54防护，风冷，系统需要直流汇流箱、熔丝；工程施工与维护性系统简单，部件少，逆变器仅48Kg，施工简单，维护方便；成套复杂，需要逆变器房或者集装箱，施工周期长；维护技术要求高，需要专业人员维修；环境友好性噪声29dB，无辐射逆变器机房、集装箱散热噪声大系统组成简单复杂综合上述技术经济比较智能光伏电站发电量高、长期可靠性高，电网友好，环境友好，且与传统方案初始投资持平，国内外均有大规模应用案例。综合考虑以上各种因素，本项目推荐选用智能光伏电站解决方案。2太阳能电池组件选择太阳能电池组件的选择应综合考虑目前已商业化的各种太阳能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区域的气象条件地理环境施工条件交通运输等实际因素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能电池组件类型。21太阳能电池组件类型21.1太阳能电池性能技术比较结合目前国内太阳能电池市场的产业现状和产能情况选取目前市场上主流太阳电池进行技术比较，各类型电池主要性能如下表所示。表1 光伏电池分类汇表种类类型商用效率实验效率使用寿命能力偿还时间生产成本优点目前用围晶硅电池单晶硅1517%24%25年2~3年高效率高技术熟中央电统独立源民用费市场多晶硅1315%20%25年2~3年较高效率高技术熟中央电统独立源民用费市场薄膜电池硅基5~7%13%20年2~3年较低弱光应好成本对低民用费市场中央电统碲化镉5~8%16%20年2~3年相对较低弱光应好成本对低民用费市场铜铟镓硒5~8%20%20年2~3年相对较低弱光应好成本对低民用费市场独立源由上表可见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电池还是多晶硅电池都可以选用晶硅类太阳能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。非晶硅薄膜太阳能电池尽管有转化效率相对较低占地面积较大稳性有待进一步提高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能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。2.1.2太阳能电池性能经济性比较随着光伏产业技术进步及市场的发展各类电池市场价格不断下降根据目前光伏市场电池设备等最新报价情况以固定式安装50MWp装容量为基准，对全部采用多晶硅太阳能电池组件（方案一、全部采用非晶硅薄膜太阳能电池组件（方案二）进行比较。由于多晶硅组件价格较非晶硅组件价格昂贵方案一总投资较高方案二的总投资较低两种方案中逆变系统升压系统通信监控系统变电工程房屋建筑工程等公共系统工程造价基本相同土地电池组件汇流电缆电池组件基础及支架等费用由于选用电池类型不同而有较大差别。多晶硅组件转化效率比非晶硅高方案一工程占地面积较小方案二工程占地面积较大，电缆线路及电缆用量较大，场内道路和防护林业相应增加。根据国内市场主流产品规格来看薄膜电池单块组件容量在25Wp~50Wp之间多晶硅电池单块组件容量在5Wp~300Wp之间在相同装机容量下薄膜电池要比多晶硅电池所需组件数量多并联路数汇流箱电池组件的基础及支架、混凝土、钢筋用量都会相应增加。2.1.3太阳能电池类型的确定综合上述技术经济比较方案一多晶硅电池成熟度较高效率稳定国内外均有较大规模应用的实例但是多晶硅电池相对价格较高工程投资较大但随着光伏产业的不断发展其硅片厚度和单位能耗持续降低其成本也在不断下降方案二非晶硅电池相对价格较低总体投资小但国内还未有大规模薄膜电池的应用实例，技术成熟度较低，稳定性较差。结合本工程的特点（1本工程区域位于海宁市海堤附近未利用土地土地费用低土地费用在整个工程造价中所占的比重较少而光伏电池组件的造价在工程造价中的比重相对较高（约60以上，所以有必要降低光伏电池组件价格以节省工程投资（2对于50MWp光伏电采用多晶硅光伏电池组件每瓦价格比采用单晶硅光伏电池组件能节省造价10%左右。综合考虑以上各种因素，本项目推荐选用多晶硅光伏电池组件。22太阳能电池组件选型光伏电池组件是光伏发电系统的核心部件其各项参数指标的优劣决定了整个光伏发电系统的发电性能表征光伏电池组件性能的各项参数为标准测试条件下组件峰值功率最佳工作电流最佳工作电压短路电流开电压最大系统电压组件效率短路电流温度系数开路电压温度系数峰值功率温度系数输出功率公差等光伏电池组件要求具有非常好的耐侯性能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，应是市场主流产品，且获得相关认证。多晶硅太阳能电池组件的功率规格较多从5Wp到300Wp国内均有产厂商生产，且产品应用也较为广泛。由于本工程装机容量为20MWp，件用量大，占地面积广组件安装量大所以应优先选用单位面积功率较大的电池组件以减少占地面积节省线缆降低组件安装量通过市场调查根据目前技术成熟的大容量电池组件规格，选定电池组件应优先选用单位面积容量大的电池组件，以减少占地面积降低组件安装量初选电池组件规格为250Wp255Wp260Wp，其各种技术参数比较见下表。表2 各种组件的技术数及性能比较电池件号峰功率Wp)250255260最佳作流A)8.248.328.41最佳作压V)38.438.738.9短路流A)8.798.888.98开路压V)30.430.630.9最大统压V)100010001000组件率13%16%19%短路流度数0.06K0.06K0.06K开路压度数0.33/K0.33/K0.33/K用初选电池组件建成单位1MWp光伏电站方案进行比较，见下表。表3 不同多晶硅电池件组成的1Wp方阵的案比较方案参数方案一方案二方案三组件值率Wp)250255260串联量块)4000392238471MP方并数量路)1.00001.00011.00021MP方组数量块)250255260电站际装量W)400039223847由以上两表可以看出：采用250Wp组件组成MWp光伏阵列所使组件数量最少可以减少组件间连接点加快施工进度且故障几率减少接触电阻小线缆用量少系统整体损耗相应降低。250Wp组件的最佳工作流、最佳工作电压、短路电流、开路电压的综合指标较高。综上所述选用250Wp多晶硅电池组件。本工程采用该容量等级的电池组件具体参数见下表。本工程拟建容量50MWp实际装机50MWp。表44 25W多晶硅光电池技术参数表峰值率W）250开路压oc）38.4短路流（s）8.79工作压Vpp）30.4工作流（pp）8.24最大险额值15A尺寸WH)1650990450重量kg)19.1最大统压V)1000VC额定池作度T）462℃工作度40C~85CPm温系数0.45Cc度数0.33Csc温度系数0.06C正面大载荷540Pa背面大载荷240Pa3电池阵列的安装方式设计31电池阵列的安装方式选择固定式安装方式有一定的倾角安装倾角的最佳选择取决于诸多因素如地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例和特定的场地条件等。水平单轴跟踪安装方式通过其在东西方向上的旋转以保证每一时刻太阳光与光伏电池板面的法线夹角为最小值，以此来获得较大的发电量。倾斜单轴跟踪安装方式是在固定太阳能电池面板倾角的基础围绕该倾斜的轴旋转追踪太阳方位角，以获取更大的发电量。双轴跟踪安装方式通过其对太阳光线的实时跟踪以保证每一时刻太阳光线都与太阳能电池板面垂直，以此来获得最大的发电量。根据已建工程调研数据结合本项目的实际工程条件以固定安装式为基准，对采用以上四种安装方式的优缺点比较如下表所示：表4 不同安装方式技经济参数表项目固定装水平轴踪倾斜轴踪双轴踪发电量10018131136利用时数1541181.32010.52087.6安装量20MW20MW20MW20MW安装架价0.7元瓦1.8元瓦2.5元瓦5元瓦单位程态投资（元W）10200以为估算准)15001350015000静态投资20400230002700030000资本内收益率12.71.810.3410.27经济性1234根据以上对比分析本工程选用固定式安装方式。由安装方式比较表可知，固定式安装方式在工程规模较大时综合成本最低，占地面积最小且抗风能力较好运行维护的工作量最小因此本工程选用固定式安装方式。32电池阵列的最佳倾角计算方阵安装倾角的最佳选择取决于诸多因素如地理位置全年太阳辐射分布直接辐射与散射辐射比例负载供电要求和特定的场地条件等对于固定轴式安装电池阵列，其最佳倾角即光伏发电系统全年发电量最大时的倾角。根据retscreen软件计算结果，可得不同角度倾斜面上各月日平均太阳辐射量。表5固定安装方式不同角度阵列面各月平均太阳辐射量kWh/m2d序号171819202122232425262728291月3.003.023.053.073.093.13.133.153.173.193.213.223.242月3.063.073.083.093.103.13.123.133.143.153.153.163.163月3.213.213.213.223.223.223.223.223.223.223.223.223.214月3.883.873.873.873.863.853.853.843.833.823.813.803.795月4.214.204.184.174.164.144.134.14.094.084.064.044.026月4.003.983.973.953.943.923.913.893.873.853.833.813.797月4.814.794.774.764.744.724.704.684.654.634.614.584.558月4.494.484.474.464.454.444.434.424.404.394.374.364.349月3.833.833.833.843.843.843.833.833.833.833.823.823.8110月3.543.553.563.583.593.603.613.623.633.633.643.653.6511月3.143.163.183.203.223.243.263.283.303.323.333.353.3612月3.153.183.213.243.273.293.323.353.373.403.423.443.46月均3.703.703.713.713.713.713.713.713.713.713.713.713.70从上表和上图可以看出，倾角等于19~28°时全年接受到的太阳能辐射能量最大但为方便人工安装后期维护及清理灰尘以及支架的稳定性角度考虑，将安装角度确定为9较为合适。安装角度为19时月均太阳辐射量为3.71kWh/2.d。当电池阵列采用19倾角安装时，倾斜面上的各月平均太阳辐射量见下表。表6 最佳倾角各月平太阳辐射量MJ2)1月2月3月4月5月6月339.95310.56358.64418.00466.84428.697月8月9月10月1月12月532.75499.30414.16397.80343.55358.32电池阵列安装方式如下图所示。图3 电池阵列安装方示意图4逆变器的选择41逆变器的技术指标逆变器也称逆变电源是将直流电能转换成交流电能的变流装置逆变器按输入直流电源性质分类，可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。本工程并网光伏发电系统中的逆变控制技术是有源逆变其运行条件需依赖强大的电网支撑为了获得更优的控制性能并网逆变器采用输出电流源的方式并网。对于逆变器的选型，通过以下几个方面的指标比较进行选择：1逆变器输出效率大功率逆变器在满载时效率必须在90或95%以上。中小功率的逆变器在满载时，效率必须在85或90以上。即使工作在逆变器额定功率10的情况下，也要保证90（大功率逆变器）以上的转换效率。2）逆变器输出波形：为使光伏阵列所产生的直流电源逆变后向公共电网并网供电就必须对逆变器的输出电压波形幅值及相位等于公共电网一致实现无扰动平滑电网供电。输出电流波形良好，波形畸变以及频率波动低于门槛值。3）逆变器输入直流电压的范围：要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳能光伏电池的端电压随负载和日照强度的变化范围比较大就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内正常工作，并保证交流输出电压稳定。4）可靠性和可恢复性：逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能，如：逆变器自然散热无外置风扇等。逆变器主要技术指标还有额定容量输出功率因数额定输入电压电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；总谐波畸变率；畸变因数；峰值子数等。4.2逆变器选型目前常用的逆变器有组串式逆变器集中型逆变器和微型逆变器从全球市场来看，组串式逆变器已占了光伏逆变器行业的主导地位。组串式逆变器组串式并网逆变器是基于模块化的概念，即把光伏方阵中每个光伏组串输入到一台指定的逆变器中，多个光伏组串和逆变器又模块化地组合在一起，所有逆变器在交流输出端并联，并网组串式逆变器应用于地面电站，具有高发电量、高可靠性、安全性高、易安装维护等优点，已成为现在国际市场上最流行的逆变器。目前许多大型光伏电站使用组串式逆变器。主要优点是不受组串间光伏电池组件性能差异和局部遮影的影响，可以处理不同朝向和不同型号的光伏组件，也可以避免部分光伏组件上有阴影时造成巨大的电量损失，提高了发电系统的整体效率。随着电站的运行时间越长，组件不适配、衰减、虚接等原因，组件个体差异不断增大，组件的精细化管理优势越发明显，组串式发电量提升将会更加明显。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增强了系统的可靠性。例如对集中式电站来说，直流保护是永远但是又几乎是无解的难题，有的电站采取了在汇流箱加防反二极管措施以解决故障扩大化问题，但随之带来系统效率降低、汇流箱成本大幅上升问题，而组串式电站已在逆变器有强大的保护功能，并且天然的规避某一串直流短路能量倒灌问题，集中式最为头痛的直流故障问题对组串式而言自然消失。另外施工成本方面，传统的集中式地面电站不仅涉及PV组件、支架、逆变器、箱变、汇流及配电设备施工，还包含大量土建活动，如地基制作，砖瓦逆变器房建造，整个项目建造成本较高，由于组串式逆变器没有需要较大人力以及较长工期的逆变房等土建建设，也减少了直流柜、集中式逆变器等需要专门车辆工具搬运的大中型设备，电站工程施工难度降低、工期更短。集中式逆变器对环境适应性要求高需要达到设备防尘和良好的通风散热条件实际运维过程出现的产品故障率高同时对于工程维护技能要求高问题定位及解决周期长、难度大导致电站运维成本高。组串式电站利用逆变器本身的智能故障监测直流保护等功能可以方便地实现智能运维功能有异常时逆变器上报故障告警到中控室并且借助网管系统可精确定位到故障组串及其物理位置实现故障精确定位及快速排查能力在占用60％的直流故障排查上工作量可以降低到1/3以下。2）集中式逆变器集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使他非常接近于正弦波电流。最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配（特别是组件因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时），采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低和电性能的下降。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制以及开发信的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高效率。3）微型逆变器在传统的PV系统中，每一路组串型逆变器的直流输入端，会由10块左右光伏电池板串联接入。当10块串联的电池中，若有一块不能良好工作，则这一串都会受到影响若逆变器多路输入使用同一个MPPT那么各输入也都会受到影响大幅降低发电效率在实际应用中云彩树木烟囱动物灰，冰雪等各种遮挡因素都会引起上述因素，情况非常普遍。而在微型逆变器的PV系统中每一块电池板分别接入一台微型逆变器当电池板中有一块不能良好工作则只有这一块都会受到影响其他光伏板都将在最佳工作状态运行使得系统总体效率更高发电量更大在实际应用中若组串型逆变器出现故障则会引起几千瓦的电池板不能发挥作用，而微型逆变器故障造成的影响相当之小。本工程安装容量50mwp，可不考虑微型逆变器。本工程场址地形狭长，组件分布相对分散采用集中式逆变器时系统主要包括光伏组件直流电缆直流汇流箱直流配电柜逆变器交流线缆逆变器房升压变压器电网而采用组串式逆变器时系统包括组件直流电缆逆变器交流线交流汇流箱升压变压器和电网系统更加简单系统效率更高组串式相对于集中式在电站25年生命周期不仅能带来发电量高，更能有效解决光伏电站售后交付和运维中长期存在的烦恼组串式解决方案无论在初期运维还是后期运维上都有着明显优势组串式解决方案通过精细化管理和智能化管理显著提高了电站建设和运维水平因此本工程综合考虑国内外光伏并网逆变器各种型号产品经比较，逆变器选择28KW组串式逆变器。28kW逆变器的主要术参数如下表所示。表7 逆变器主要技术数技术参数SUN2000-28KTL效率最高效率98.7%欧洲效率98.4%输入最大输入功率28200W最大输入电压1000V最大输入电流（每路MPPT）18A最低工作电压200VMPP电压范围480V~800V额定输入电压680V最大输入路数6MPPT数量3输出输出功率27500VA额定输出电压3×277V/480V+PE输出电压频率50Hz/60Hz最大输出电流33.5A功率因数0.8超前...0.8滞后最大总谐波失真＜3%保护输入直流开关支持防孤岛保护支持输出过流保护支持输入反接保护支持组串故障检测支持直流浪涌保护类型Ⅱ交流浪涌保护类型Ⅱ绝缘阻抗检测支持RCD检测支持显示与通信显示图形化LCDRS485支持USB支持常规参数尺寸（宽×高×厚）520×610×255mm重量48kg工作温度-25°C~60°C冷却方式自然对流最高工作海拔3000m相对湿度（无冷凝）0~100%输入端子AmphenolH4输出端子AmphenolC16/3防护等级IP65夜间自耗电<1W拓扑无变压器噪音指数29dB质保5年标准10/15/20/25年可选满足的标准安规/EMCEN61000-6-2,EN61000-6-3,EN61000-3-2,EN61000-3-3,EN61000-3-11,EN61000-3-12,EN/IEC62109-1,EN/IEC62109-2并网标准VDE0126-1-1,BDEW2008,CGC/GF004:2011,GB/T19964-2012,G59/3,UTEC1712-15太阳能电池阵列设计5.1并网光伏发电系统分层结构1）太阳能电池组串由几个到几十个数量不等的太阳能电池组件串联起来其输出电压在逆变器允许工作电压范围之内的太阳能电池组件串联的最小单元称为太阳能电池组串。2）太阳能电池组串单元布置在一个固定支架上的所有太阳能电池组串形成一个太阳能电池组串单元。3）陈列逆变器组由若干个太阳能电池组串与一台并网逆变器及相应汇流设备构成一个阵列逆变器组，也称光伏发电单元。4）太阳能电池子方阵一个或若干阵列逆变器组组合形成一个太阳能电池子方（光伏发电分系统。5）太阳能电池阵列由一个或若干个太阳能电池子方阵组合形成一个太阳能电池阵列。5.2系统方案总布置本工程共100个500kp发电单元每个发电单元采用1台20kV升压变压器升压至20kV，每10台20kV升压变压器在高压侧并联为1个联合单元，5个联合单元分别接入20kV开关站汇流母线，再由2回20kV出线送附近10kV变电站。5.3光伏电站电池阵列设计5.3.1太阳能电池组件的串、并联设计太阳能电池组件串联的数量由逆变器的最高输入电压和最低工作电压以及太阳电池组件允许的最大系统电压所确定太阳能电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定在条件允许时应尽可能的提高直流电压以降低直流部分线路的损耗，同时还可减少汇流设备和电缆的用量。本工程所选28kW逆器的最高允许输入电压Vdmax为1000V输入电压MPPT工作范围为48V800V250Wp多晶硅电池组件开路电压38.4V最佳工作点电压30.4V、开路电压温度系数0.33/K。经计算得出：串联多晶硅太阳能电池数量N为：16≤N≤24。综合考虑支架承重抗风能力光伏组件整体布置以及50kW逆变的允许串联组件数量，本工程N取20。则固定式安装每一路多晶硅组件串联的额定功率容量计算如下：P（N）＝250Wp×205000Wp；对应于所选28kW逆器的额定功率计算，需要并联的路数：N＝27.5/5＝5路。5.3.2太阳能电池组串单元的排列方式一个太阳能电池组串单元中太阳能电池组件的排列方式有多种以接线简单线缆用量少、施工复杂程度低及运行期维护方便为原则。将20块组件分成10份每份2块将每份中2块组件叠加后串接然后将10份组件顺次连接单块组件顺次连接。5.3.3太阳能电池阵列行间距的计算本工程太阳能晶体硅电池方阵系统采用固定轴支架系统，需要考虑行间距，行间距按照按太阳高度角最低时的冬至日仍保证组件上有足够的日照时间同时相邻两行支架不会在组件上产生阴影所需要的最小行间距根据上述计算本项目整体系统采用南北方向固定倾角19排布根据项目当地的情况建立支架系统模型，模拟实时的光照及阴影状况。当光伏电站进行前后排布太阳能电池方阵时需要计算前排方阵的阴影以确定方阵间的距离一般确定原则冬至当天9:00~15:00太阳能电池方阵不应被遮挡。光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离应不小于D。D0.707H/tan〔arsin(0.648osΦ0.399sinΦ)〕其中H为光伏板斜面最高点距地面长度；D为两排方阵之间的距离；Φ为纬度。计算得出D2m。6年上网电量预测61太阳能光伏发电系统效率分析1）光伏温度因子光伏电池的效率会随着其工作时的温度变化而变化。当它们的温度升高时，不同类型的大多数光电池效率呈现出降低趋势。折减因子取96。2）光伏阵列的灰尘损耗由于光伏组件上有灰尘或积水造成的污染经统计经常受雨水冲洗的光伏组件其影响平均在2~4%之间无雨水冲洗较脏的光伏组件其影响平均在8~10之间。本项目考虑雾霾、沙尘影响，污染的折减因子取95。3）逆变器的平均效率目前28kA容量的并网光伏逆变器的平均效率为97.5左右。4）光伏电站内用电、线损等能量损失初步估算光伏阵列直流配电损耗约为1.5%；20kV升压变压器平均损耗1.2；其他损耗0.3%。其配电综合损耗系数为97。5）机组的可利用率虽然太阳能电池的故障率极低但定期检修及电网故障依然造成的损失固定安装方式其系数取1，光伏发电系统的可利用率为99。6）太阳能电池板差异性损耗3，利用率97。7）早晚不可利用辐射损失3，利用率97%。综合以上各折减系数，固定式多晶硅电池阵列系统的综合效率约为80。62年理论发电量计算根据所选工程代表年最佳倾斜面上各月平均太阳总辐射量可得出本工程月及年峰值日照小时数将太阳能电池组件所在平面上某段时间中能接收到的太阳辐射量转换为1000W/2条件下的等效小时数称峰值日照小时数。若太阳能电池组件在1h中接收到的太阳辐射量为1MJm由以上峰日照小是定义，可得：故若太阳能电池组件在1h中