白晶谷住宅公共区光伏照明系统设计

白晶谷住宅公共区光伏照明系统设计日用电量（KW.h）378196491610090681225803光伏电池板根据构成材料的不同，可分为多晶板和单晶板，多晶光伏电板价格较单晶光伏电板低，但是转换效率却不如单晶的。设计采用型号为TSM-DE05A（Ⅱ）、单块输出峰值功率为300W光伏电板，则光伏电池组件容量计算公式为：（3-1）式中：Pmax为光伏电池组件峰值功率，单位Wp;P为负载的功率，单位W；t为日工作时长，单位h；为系统的效率，取经验值为0.85；T为当地日平均峰值日照时数，单位h；d为连续阴雨天富裕系数，贵阳地区取为1.2。根据公式计算，带入数值，得：由此可得离网供电的发电量约为14MW。3.2并网供电并网光伏发电是目前光伏系统发展最为迅速、应用最为广泛的太阳能光伏发电应用方式，它与常规电网相连，在电量满足负荷后将剩余的电像电网传输，在自身发电量低于负荷需求时，从电网获取电能补充。这样的方式使得供电的可靠性提升了很多，相比于离网的光伏发电，它省掉了大部分储能蓄电池，经济效益也高得多。3.2.1电压等级在并网中，电压等级大部分和离网类似，但是在接入电网点，是离网发电不具备的。设计中采用10KV高压多点接入电网的方式，并网系统通过升压变压器接入10KV高压电网，设计的系统中电压等级如表3-3所示：表3-3系统电压等级负荷类型次干路照明(V)支路照明(V)人行道照明(V)公园景观照明(V)小球训练中心(V)高尔夫球场(V)逆变器(V)电缆(KV)接入点(KV)电压等级220AC220AC220AC220AC220AC220AC600DC10AC10AC3.2.2光伏发电容量通过查询相关资料可得到贵阳地区的经纬度以及太阳年平均辐射量，统计如下表3-4所示：表3-4辐射量统计表城市纬度ø/（°）最佳倾角/（°）日辐射量Ht/(KJ/㎡)斜面日均辐射量/（KJ/㎡）贵阳26.57ø+8°1032710235将斜面辐射量转换为标准光强下的平均日辐射小时数H，即：（3-2）已知负载每天的用电量，根据峰值日照小时数计算光伏组件容量：（3-3）由此可知并网供电的发电量约为9MW。本节分别对光伏离网发电和并网发电的发电容量、发电系统设备容量进行了计算并确定发电系统的设备选型。从计算结果来看，离网的发电容量约为14MW，而并网发电的发电容量仅为9MW，在满足负载每日的用电量情况下，并网发电容量更小，能节省更多的电池板安装空间和安装成本；此外并网发电不需要控制器和蓄电池，总的投资成本比离网低。综上考虑，设计的供电方案采用并网供电方式。3.3光伏发电板的选择但是设计中不考虑成本等问题，所以本次光伏发电系统采用型号为PVM-250的250W单晶光伏电池，规格参数同表3-5所示：表3-5光伏电池板参数规格PVM-250最大功率（Wp）250最大功率点的工作电压（V）30最大功率点的工电流（A）8.33开路电压（V）36短路电流（A）9.2功率公差（W）0~±5组件效率(%)18.3NOCT（额定电池工作温度）44℃（2℃）最大系统电压（V）1000V（DC）/600V（DC）组件尺寸1642x992x40mm3.4逆变器的选择逆变器额定容量计算公式为：（3-4）式中：Pn为逆变器容量，单位VA；P为负载功率，单位W；为逆变器的功率因素，取0.8；Q为逆变器所考虑的裕量系数，取1.2~5。带入数据得：设计中考虑每个单元接3台逆变器，九个单元需要27台，则每台要求容量：（3-5）选择标称容量为500KW，即选用型号为SSI500K3G-A的逆变器，具体参数同表3-6所示:表3-6逆变器参数型号SSI500K3G-A额定容量（KW）500最大峰值容量（KW）550功率因素≧0.99直流最大输入电压（V/DC）1000MPPT电压范围（V/AC）450~820V额定交流电压（V/AC）270额定交流电流（A/AC）1070额定交流范围-15%~+10%交流电压频率（Hz）50±0.5逆变效率>90%输入路数8波形失真率（线性负载时）<3%冷却方式强迫风冷防护等级IP20尺寸：深x宽x高（mm）850x2000x21503.5光伏方阵串并连数设计系统发电量为9085564W，设计中将其分为九个单元，每个单元1MW，这样设计只需要考虑一个单元的情况，最后总和起来就可以了。1MW的发电单元需要光伏电池数N=1000000/2500=4000（台），电池板的工作电压为30V，系统工作电压为600V，故采取20串200并的方阵连接方式。3.6光伏汇流箱为减少逆变器与发电板之间的连接线路和日后维护量，设计采用防雷汇流箱将多个组串的光伏阵列连接到汇流箱，再从汇流箱输入逆变器。根据实际情况，采用型号APV-M8XX的汇流箱，其具体参数如表3-7所示：表3-7汇流箱参数型号APV-M12XX输入路数12输入范围DC±15A直流最大输入电压（V/DC）1000反应时间1s3.7交流低压配电柜太阳电池阵列经过逆变器逆变后，输出电压为400V的交流，1MW单元采用了三台逆变器，在接入升压变压器之前需要将三台逆变器的输出汇总；此外，采用配电柜将变压器和逆变器进行隔离，能保证在一侧发生电气故障的时候配电柜能对另一侧起隔离保护作用。根据电气要求，选择的低压开关柜的具体参数如下表3-8所示：表3-8低压配电柜参数额定工作频率（Hz）50额定工作电压（V）400额定绝缘电压（V）660最大工作电流（A）水平母线4000垂直母线1200额定短时耐受电流有效值/峰值（KA）水平母线80/176垂直母线60/130防护等级IP403.8并网开关柜根据电气要求，选择的开关柜参数如下表3-9所示：表3-9并网开关柜参数额定电压（KV）12频率（Hz）50断路器额定电流（A）630开关柜额定电流（A）630额定热稳定电流（4sKA）25额定动稳定电流（峰值KA）63额定短路开断电流（KA）25额定绝缘水平1min工频耐受电压（KV）24雷电冲击耐受电压（KV）40防护等级IP4X本章节根据光伏系统并网要求，对光伏系统的主要设备进行选择。在选择过程中，如果采取光伏系统9MW集中一点并网，则对并网开关柜要求较高，导致在设备选择时无法找到合适的，因此设计中将9MW分为九个单元，分单元发电，多点并网，在降低系统电流的同时提高系统的安全性。3.9接入系统电压等级与接线方案3.9.1并网电压等级表3-10分布式电源接入电网的电压等级电源容量允许接入电压等级200KW以下380V200KW至8MW10KV5MW至30MW35KV30MW至50MW110KV本次将光伏发电组分为九个单元，每个单元容量为1MW，采取多点接入的并网方式，因此接入时按照1MW单元设计，对照表5-1，最终采用通过10KV等级并入配电网系统。3.9.21MW光伏方阵接线设计方案发电单元装机容量为1MW发电单元包含1台升压变压器和3台500KW逆变器，一个逆变器单元包含三部分汇流，一次汇流通过防雷汇流箱完成，每个汇流箱接入组串数为12串，每台逆变器共需6台汇流箱。每台逆变器输出接入交流低压配电柜，再通过一台容量为1250KVA、0.4/10KV升压变压器升压至10KV后接入公用电网。系统方案如图3-1所示：图3-1MW单元系统方案3.10并网导线选择输电线路有裸导线和电力电缆，裸导线适用于架空线路传输，电缆适用于地下通道铺设，考虑设计目标的特殊性，设计采用电力电缆作为系统电能输送线，包括电池板组件之间的串联线路、电池板阵列的汇流线路、低压配电柜进出线路、10KV高压线路。3.10.1导线截面积计算原则我国现行的经济电流密度如下表3-11所示：表3-11我国现行的经济电流密度A/mm2导体材料Tmax/h1000-30003000-50005000以上裸导体铜32.251.73铝1.651.150.90钢0.450.400.35铜芯纸绝缘电缆、橡皮绝缘电缆2.52.252铝芯电缆1.921.731.54考虑设计中最大负荷利用小时数Tmax=1500h,有导体的经济截面积SJ为：（3-6）其中Imax为导体所在回路中最大持续工作电流，单位A。3.10.2导线截面计算及选择电缆的导体主要分为铜芯和铝芯，铜芯电缆的使用寿命长、不易氧化、压降小、稳定性好，相较于铝芯电缆，在施工中更不易受到损坏产生变形，因此在设计中，直流电缆采用两芯、铜芯绝缘耐火电力电缆；交流低压配电柜进行出线采用单铜芯普通绝缘电缆；10KV高压线路采用铜芯绝缘钢带铠装电力电缆。（1）电池组件串联线路按照经济电流密度选择，已知直流系统电压为600V，每串组件的功率P=20×250=5000W，则持续工作电流；即电缆的经济截面选择标称截面积4mm2,即选择规格为PVF-F2×4mm2的太阳能光伏电力电缆。（2）汇流箱进出线路汇流箱进线采用的是单串线路汇流的方式，因此汇流箱的进线也采用与电池组件串联型号的电缆，即采用规格为PVF-F2×4mm2的太阳能光伏电力电缆。汇流箱的进线数N=12条，出线为一条，因此单个汇流箱出线电流Ihouy为（3-7）按照经济电流密度来选择，则有选择标称截面积35mm2的，即选择规格为ZR-BV35mm2的单芯铜电缆。（3）低压配电柜进出线路低压配电柜线路包括了逆变器到配电柜的进线，配电柜到升压变的线路，均为交流电压。配电柜进线按照逆变器最大出功率计算，取逆变器逆变效率，单台逆变器输入最大功率为其中N为逆变器进线数，P为单个汇流箱输出的功率；则输出功率；逆变器额定交流电压为400V，三相输出，因此有：逆变器输出的单相电流；导线的最大持续电流其中：K为修正系数，，根据实际情况。根据《电力工程电缆设计规范》可知，应选用铜芯、三芯聚氯乙烯无钢铠护套6mm2的电缆，即选用型号为ZR-RVV3*6mm2的电力电缆。配电柜的母线电压为400V，电流为三台逆变器输出电流之和141A，考虑铺设方式为直埋铺设，因此选择交联聚乙烯绝缘35mm2的电缆，型号为YJV-3*35mm2的电力电缆。（4）10KV高压线路10KV高压线路包括了升压变压站到并网开关柜、开关柜到电网系统、开关柜到配电变电站，其中开关柜到配电变电站和开关柜到电网系统的线路因为输送容量相同，因此可采用相同型号的电缆。升压变压站到并网开关柜的传输容量为发电系统实际发电容量，由此可得：单相线路电流导线的最大持续电流其中：K为修正系数，，根据实际情况根据《电力工程电缆设计规范》可知，应选用铜芯、三芯不滴流纸16mm2的电缆，即选择ZLD02-8.7/103*16mm2型号的电缆。开关柜到配电变电站的传输容量以实际负荷容量为准，有：单相线路电流导线的最大持续电流其中：K为修正系数，，根据实际情况选用的型号同升压变压站到并网开关柜的电缆，即型号ZR－YJV3*240mm2的电缆。3.11变压器选择设计的照明系统中变压器包括交流升压变压器、照明负荷侧的配电变压器，不同用途的变压器，容量计算也不尽相同。3.11.1交流升压变压器按照1MW单元的光伏阵列实际最大连续输出容量Pmax:其中电池板块数N=4000；单块电池板最大连续输出容量P=250W。考虑变压器的负载率cosα=0.8，则有：其中Smax为实际需要的主变压器容量；由此可得应选择1台容量为1250kVA的变压器，根据要求，选择型号为S11-M-1250kVA的升压变压器，具体参数如表3-12所示：表3-12升压变压器参数表项目参数型号S11-M-1250kVA联结组标号Dyn11额定容量（kVA）1250额定电压高压（kV）10±5%或±2×2.5%低压（kV）0.4损耗空载（kw）1.36负载（kw）12空载电流（%）0.6短路阻抗（%）4.5重量变压器身（kg）1850油（kg）490总重（kg）2865外形尺寸（长×宽×高）/（mm）1890×1160×1640轨距纵向×横向（mm）820×8203.11.2配电变压器配电变压器是指用于配电系统中的变压器，一般的电压等级为10-35KV。配电能直接向终端用户供电，低压端一般为220v或380v，较低的电压等级，在使用大容量的配电变压器的时候，会导致低压端的电流过大，不管是对母线还是对保护设备的要求都将大大提高，这在投入的成本和对制造要求都较高，因此在相关的规范手册中中明确规定：在1980年到1990年十年之间，人们开始研发新型的集成电路问题，大规矩的集成电路也带动了处理器的模式变化，PLC的性能也在不断地得到改善，配备的零件也变得更加高级。生产厂为了提高PLC控制器在实际运用中的重要性能，对它的计算能力，系统调节以及接口处理作出了改善，并且也在努力研发性能优良的处理芯片，使得PLC成为过程控制领域的一部分，让DCS系统推出了历史舞台，得到了各大企业的重视。变压器低压侧电压为0.4KV时，单台变压器容量不宜大于1250kVA。照明计算负荷PL=8284816W，对于主要用向照明负荷供电的变压器，其容量可以按照接近照明千瓦数总和选取，因此选择可考虑7台额定容量SN=1250kVA的变压器。按照要求，选择型号为S11-M-1250kVA/10/0.4的变压器，其具体参数如表3-13所示：表3-13配电变压器参数表项目参数型号S11-M-1250kVA联结组标号Dyn11额定容量（kVA）1250额定电压高压（kV）10±5%或±2×2.5%低压（kV）0.4损耗空载（kw）1.36负载（kw）12空载电流（%）0.6短路阻抗（%）4.5重量变压器身（kg）1850油（kg）490总重（kg）2865外形尺寸（长×宽×高）/（mm）1890×1160×1640轨距纵向×横向（mm）820×820本章节对1MW单元的系统方案进线设计，并对导线和变压器进行了选择，最终的设计只需要按照1MW的方案，增加九个并联单元，即可满足光伏系统的发电量要求。4短路电流计算4.1计算目的当发生短路的时候。线路中的电流会突然的变大，这加大的数量会大大的超出设备所允许的数值，这样会带给设备严重的影响和伤害，因此为了确保电气设备使用的安全，就必须保证电气设备在通过最大短路电流时能够正常运行，即在发生短路时保证电气设备具有足够的热稳定性和动稳定度，这就需要通过短路计算来去校验设备是否符合这一要求。4.2计算条件1）在电网方面，短路电流计算忽略变压器的励磁电路和线路电容接地。这是因为当短路发生时，电网的电压越低，所以目前的“接地”分支比正常操作期间更小，并且它的短路电流大。阻力计算高压电网时也被忽略。架空线和电缆，一般只有电抗进行计数和电阻被忽略。2）短路计算主要是基于三相短路电流，这是因为三相短路的短路电流比两相短路和的短路电流大单相短路，后果是比较严重的。3）在该短路计算，负载难以考虑，并且当短路发生时，电网的电压下降，负载电流比短路电流小得多，因此负载是不计;4）由于负载的影响将被忽略，负载将在无负载状态下的短路之前处理。在所有功率点次瞬态电动势将采取的额定电压，即，标准值是1，和电流值是在相同的相位0。5）短路被假定为不考虑弧光的等效电阻的直接短路。各部分电缆的电抗如表4-1所示：表4-1电缆阻抗序号项目型号导线长度每公里电抗线路电抗1电池组件串联线路PVF-F2×4mm22km0.100.22汇流箱进线PVF-F2×4mm25km0.100.53出线ZR-BV35mm25km0.080.44低压配电柜进线ZR-RVV3*6mm25km0.090.455出线YJV-3*35mm25km0.080.46升压变到高压开关柜ZLD02-8.7/103*16mm25km0.130.657开关柜到配电站ZR－YJV3*240mm25km0.070.358开关柜与电网ZR－YJV3*240mm210km0.070.74.3电路等值模型采用简化的短路计算，即标幺值计算，设定：基准值，则电流（1）各元件电抗标幺值直流侧：将升压变压器低压侧和直流侧的电缆阻抗整合，有升压变压器：升压变到开关柜电缆：电网到开关柜电缆：开关柜到配电变电缆：配电变压器是七台并联运行，因此等效计算时取并联值：系统电抗：此次设系统为无穷大系统，所以系统电抗为（2）等值电抗图系统的等值电抗图中光伏系统用1MW单元表示，计算时考虑九个单元，具体如图6.3所示：图4-1等值电抗图4.4短路点短路电流计算4.4.1A点短路电流计算基准电流等值电抗XA：系统相对于短路点的等值电路如图4-2所示：图4-2A点短路等值电路短路电流周期分量有效值短路点冲击系数K=1.8，短路电流冲击值短路全电流最大有效值4.4.2B点短路电流计算等值电抗XB：等值电抗如图4-3所示：图4-3B点短路等值电路短路电流周期分量有效值短路点冲击系数K=1.8，短路电流冲击值短路全电流最大有效值4.5小结本章节分别考虑了系统在负荷侧以及10KV母线侧两处发生三相对称短路，并进行了短路计算，获得在不同短路点的短路电流，为电气设备的校验提供计算的短路电流和短路冲击电流。5设备校验5.1设备校验条件(1)热稳定的校验：短路电流流经电气设备时，其产生的热效应应不超过设备的最大允许值，即有：（5-1）其中:为短路电流流经电气设备产生的热效应；为设备允许的最大热效应值。在本次工程设计中，短路热稳定计算时间均以4s计，不计非周期热效应。短路电流的热效应等于周期分量热效应。(2)动稳定的校验：即短路时的冲击电流值不应大于设备允许的最大冲击电流值，即有：（5-2）其中：分别为短路时的冲击电流的幅值和有效值；分别为设备允许的冲击电流的幅值和有效值；5.2设备校验5.2.110KV高压电缆检验满足短路热稳定的导线最小截面积Smin为（5-3）式中：C为热稳定系数，电缆均为铜芯，因此取C=171；QK为短路电流热效应，单位KA2.s，切除时间t=4s，只考虑电流周期分量。在A点短路：在B点短路：当在B点发生短路时，升压变到开关站的电缆不能满足热稳定要求，其余均满足要求；电缆的动稳定由厂家保证，不需校验。5.2.20.4KV低压电缆校验在B点短路：低压电缆选择的电缆截面积S=3*35mm2>54mm2,满足热稳定校验。5.2.3并网开关柜校验（1）额定开断电流校验10KV侧发生短路，短路电流开关柜额定开断电流25KA，满足要求。热稳定校验三相短路热效应：开关柜4秒热稳定容量：符合热稳定要求。动稳定校验三相短路冲击电流：断路器动稳定电流：符合动稳定要求。5.3小结本章节对一次电气部分的设备进行了校验。为交流部分的电缆和并网开关柜进行了校验，校验结果显示除了升压变压器到并网开关柜的导线选择不满足热稳定要求外，其他的电气设备均满足热稳定和动稳定要求。6总结本次毕业设计题目为白晶谷住宅公共区光伏照明系统的设计，内容包括从甲方提供资料中提取负荷信息、进行负荷统计、供电方案论证到设备选型与校验。在老师的指导和利用所学专业知识的努力下，完成了光伏照明系统的设计。本次设计的供电方案在论证了离网供电和并网供电的优缺点之后，采取并网供电的方案，这使得系统的发电容量在满足负荷的情况下，相比离网供电，并网发电量降低了百分之六十，减少了光伏发电系统中的光伏电池板数；此外，并网不使用蓄电池，省去了储能元件，降低了系统的投资成本。系统大量的采用成套的电气设备，包括防雷汇流柜、低压配电箱和并网开关柜，成套电气设备的使用能节约系统的占地面积，集成的开关柜也能使系统的稳定性和可操作性大大提高。通过本次的设计，让我对工程项目设计有了一个粗略的了解，了解到了从工程申请到立项、设计的可研报告、设计委托书等项目设计必不可少的东西，也接触到了很多设计相关的规程和规范，例如《城市道路设计规范》、《光伏发电站设计规范》等。在学校接触的设计基本上都是课程类的设计，并没有像这样规范的工程设计体验，能在毕业之前完成一项工程设计，对于即将走向工作岗位的我来说是一种考验，更是一种锻炼。参考文献[1]刘文.《建筑照明设计标准》新旧版本对比解析[J].科学与财富,2014(7).[2]王宇.浅谈城市夜景照明设计方案审查[J].城市照明,2014(3):8-11.[3