光伏发电站设计

发 电 站 设 计 论

文院系：水利电力学院

班级：12级电气《2》班

太阳能光伏发电

1 绪论

太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之 后又一爆炸式发展的行业。太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不过蓄电池储能直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21 世纪最具吸引力的能源利用技术。所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达35%～45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池，也可提高系统的平均无故障时间，避免蓄电池的二次污染。

随着全球工业化的进程, 人类对能源需求在不断增长。回顾100 年间能源工业的发展历史, 可以清楚地看到, 整个能源工业的消耗主要以化石能源为主。人类正在消耗地球50 万年历史中积累的有限能源资源。煤和石油作为能源的载体, 极大地解放了生产力, 推动了全世界工业化的进程, 同时也向人类敲响了常规能源已面临枯竭的警钟。以化石能源为主体的能源结构, 对人类环境的破坏显而易见, 它是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。

面对全球范围内的能源危机和环境压力,人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。研究和实践表明, 太阳能是资源最丰富的可再生能源, 它分布广泛, 可再生, 不污染环境, 是国际公认的理想替代能源。在长期能源战略中, 太阳能光伏发电将成为人类社会未来能源的基石,世界能源舞台的主角。它在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。现在世界上许多国家都加大了对太阳能光伏发电技术的研究, 并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展。近几年, 世界太阳能电池组件的年平均增长率为33 % , 光伏产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。

2 全球的能源形势

据国际能源权威年鉴《BP 世界能源统计2005》6 月发布的数据显示, 2004 年世界一次能源消耗量为1. 02 ×1010 t 石油当量。到2005 年底, 世界石油可采量为45 年,天然气可采量为61 年,煤炭可采量为230 年。图1 为我国与世界主要常规能源储量预测图。

从图1 可以看出, 全球常规能源可开采量已屈指可数。中国的常规能源远远低于世界平均水平,约为世界总储量的10 %。从长远来看, 太阳能将是未来人类主要的能源来源, 可以无

限期使用, 因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点:

(1) 数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射能约为1. 8 ×1014 t 标准煤, 即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1 ×104 倍。

(2) 清洁干净。太阳能安全卫生, 对环境无污染,不损害生态环境,是当之无愧的“清洁能源”。

(3) 获取方便。太阳能分布广泛,既不需开采和挖掘, 又不用运输, 对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。

(4) 时间长久。只要有太阳,就有太阳辐射能,因此是取之不尽,用之不竭的能源。

据权威机构预计, 2020 年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1 %左右, 2050 年约占25 %。可以断言, 光伏发电正在快速进入电力能源结构,并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术, 谁就掌握了未来发展的主动权。

3 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p- n 结构成。当太阳光照射到p- n 结时,一部分被反射,其余部分被p- n 结吸收, 被吸收的辐射能有一部分变成热, 另一部分以光子的形式与组成p- n 结的原子价电子碰撞,产生电子空穴对,在p- n 结势垒区内建电场的作用下, 将电子驱向n 区, 空穴驱向p 区, 从而使得n 区有过剩的电子,p 区有过剩的空穴。这样在p- n 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。

光生电场除一部分抵消内建电场外,还使p 型层带正电,n 型层带负电,在n 区和p 区之间的薄层产生光生电动势, 这种现象称为光生伏打效应。若分别在p 型层和n 型层焊上金属引线, 接通负载, 在持续光照下,外电路就有电流通过,如此形成一个电池元件, 经过串并联, 就能产生一定的电压和电流,输出电能,从而实现光电转换。

4 太阳能光伏发电系统的运行方式

太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和联网运行两大类。

离网运行系统:未与公共电网相联接,又称为独立太阳能光伏发电系统。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所, 如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。

联网运行系统:与公共电网相联接,共同承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段,成为电力工业组成部分之一的重要方向,也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。联网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性:

(1) 可以对电网调峰,提高电网末端的电压稳定性,改善电网的功率因数,有效地消除电网杂

波。

(2) 所发电能回馈电网,以电网为储能装置, 省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35 %～45 % ,发电成本大大降低。

(3) 光伏电池与建筑完美结合,既可发电又可作为建筑材料和装饰材料,使资源充分利用,发挥多种功能。

(4) 出入电网灵活,既有利于改善电力系统的负荷平衡,又可降低线路损耗。

光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竞相发展的热点, 发展迅速,市场广阔,前景诱人。联网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段, 远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。1990 年德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司承认的“1000 屋顶计划”, 继而扩展为“2000 屋顶计划”, 又于1998 年提出“10 万屋顶计划”, 到2004 年底, 累计建设10万套,光伏组件总装机容量达300 MWp 。我国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统, 到2010 年以前这种现象不会有很大改变, 仍然是以独立发电系统为主。从2011 年到2020 年,中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统, 包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

5 发电站整体系统设计:

光伏电站的系统整体设计由光伏发电系统和机电设计两个部分组成，其中光伏发电系统指从太阳电池组件至逆变器之间的所有电气设备，包括太阳电池组件、直流接线箱、直流电缆、直流汇流柜、逆变器等；机电部分指从逆变器交流侧至电站送出部分的所有电气、控制保护、通信及通风等。

本项目光伏电站的建设规模为650kW，太阳电池方阵的运行方式采用固定倾角安装。光伏并网逆变器单机功率不小于100kW，逆变器自身可以带有变压器（一般输出为三相400V），也可以不带自身变压器，逆变后直接并入低压公共电网，光伏电站的接入系统具有唯一的电网接入点。本设计650kW光伏并网发电项目采用多晶硅太阳能电池组件，装机总容量为645.12kWp，整体占地面积为4471平方米， 其中使用单件组件功率为280W的多晶硅太阳电池组件为2304件。多晶硅光伏方阵的安装方式固定倾角30度，南北方向排列，每个支架安装18件STP280-24/Vd型多晶硅组件。

(1)光伏方阵电气设计

系统直流侧最高工作电压：

在光伏并网发电系统中，系统直流侧的最高工作电压主要取决于逆变器直流侧最高电压，以及在直流回路中直流断路器额定工作电压。但设备的工作电压与设备所处的工作环境和海拔高度有关，洛阳处于沿海亚热带地区, 空气相对比较潮湿，根据GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》、GB/T16935《低压系统内设备的绝缘配合》及直流开关、并网逆变器的资料，电站现场设备的绝缘水平应与正常使用条件基本相当。目前，500kW光伏并网逆变器MPPT直流输入范围一般在450V - 820V之间，最大输入电压为880V，塑壳断路器的额定绝缘水平为1000V（四极串联使用），针对光伏并网发电系统的直流微型断路器（S800-PV）最高额定工作电压为1200V（三极串联使用），这样在直流侧，逆变器的所能承受的电压较直流断路器底，所以系统直流侧最高工作电压为880V。

组件串联方式设计：

在本系统中，使用的高效多晶硅组件STP280-24/Vd, 在计算组件串联数量时，必须根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的开路电压温度系数。

根据以上得知，本系统逆变器最高电压为880V，最小MPPT电压为480V，STP280-24/Vd多晶硅组件的开路电压为44.8V，峰值工作电压为35.2V，组件开路电压温度系数为-0.34%/℃，经过计算，组件串联数在15-18比较合适。，为了保证方阵的合理排列，我们采用18件STP280-24/Vd多晶硅组件为1个组件串。

组件并联方式设计：

经过计算，共有18件组件串联的组件串18个。根据方阵排列方式，以及组件峰值工作电流大小，多晶硅光伏组件光伏方阵接线箱采用5路汇1路比较合适，每单元光伏方阵共需18个光伏方阵接线箱。

(2)电气系统构成

太阳能光伏发电系统由光伏组件、直流监测配电箱、并网逆变器、计量装置及上网配电系统组成。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过直流监测配电箱汇集至并网型逆变器，将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流。由于本工程中发电功率为650kW，根据相关并网技术原则，直流逆变为380V交流后接入当地电网。

本项目太阳能电池板分布在学校教学楼楼顶上。根据电池板分布情况以及各区域电池 板出力情况，将整个光伏电站分为2个子系统。每个子系统相对独立，分别由光伏组件、直流监测配电箱、并网逆变器等组成。逆变器考虑选择300kW容量。各子系统逆变器后380V三相交流电，接至低压公共电网。

并网型逆变器选型时除应考虑具有过/欠电压、过/欠频率、防孤岛效应、短路保护、逆向功率保护等保护功能外，同时应考虑其电压（电流）总谐波畸变率较小，以尽可能减少对电网的干扰。

每个逆变器都连接有若干串光伏电池组件，这些光电组件通过直流监测配电箱连接到逆变器。直流监测配电箱内置组串电流监测单元，具有监测各组串电流的功能，并以数据格式将电流监测信息传输至逆变器控制器。

整个太阳能电池系统采用若干组逆变器，每个逆变器具有自动检测功能，并能够随着太阳能组件接受的功率，以最经济的方式自动识别并投入运行。

平面布置：

本工程采用单层布置，分别为逆变器室、升压室、电子设备间、操作员站，电子设备间内布置直流屏、保护屏、计量屏等。

主设备选型 :

（一）升压变： 不考虑升压装置。 （二）低压进线柜：选用MNS型低压抽出式开关柜。 （三）高压出线柜： 不考虑高压柜。

计算机监控系统:

项目设置计算机监控系统一套，全面监控升压站运行情况。监控系统采集高压侧的三相电流、电压、功率、开关状态等。采集各支路的发电量。

监控系统通过群控器实现多路逆变器的并列运行。群控器控制多台逆变器的投入与退出，具备同步并网能力，具有均分逆变器负载功能，可降低逆变器低负载时的损耗，并延长逆变器的使用寿命。监控系统通过群控器采集各台逆变器的运行情况。

监控系统将所有重要信息传送至监控前台。 保护出线并网开关柜上装设测控保护装置设过电压保护、低电压保护、过频率保护、欠频率保护,测控保护装置将所有信息上传至监控系统。低压进线开关具备过流脱扣功能.逆变器具备极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护等，装置异常时自动脱离系统。

直流:

本站直流系统电压为220V，为节省开支，设置直流分电屏，由学校用直流母线给两回路直流电源至本站，每回直流容量为20A。

计量:

计量装置设置在本站10kV侧，10kV侧分别装设计量电流互感器和电压互感器。计量屏就地布置于电子设备间。同期本工程选用的并网型逆变器根据电网侧频率、相位自动捕同期。照明站内控制室装设荧光灯，各配电装置室采用广照型，配照型及各种乳白色玻璃罩照明器。本站设置部分事故照明灯，灯具采用原有照明配电电源。供配电采用TN-C-S系统。

电源系统中性点接地方式: 380V采用中性点直接接地方式。

防雷:

本工程电气配电装置采用全户内布置，为使光伏电池组件和电气建筑在受到直击雷和感应雷的雷击时能有可靠的保护，在光伏电池组件支架的非导电体的屋顶上装设了避雷带或避雷针作为防雷保护，并且避雷带设有数个独立引下线。

接地:

为保证人身安全，所有电气设备都装设接地装置，并将电气设备外壳接地。 本发电项目采用以水平接地体为主，以垂直接地体为支撑的接地网。接地电阻值小于1Ω。

站用电:

本站站用电源由原有建筑配电电源提供2路进线电源，两路进线电源有失压自切装置，以保证站用电源的可靠性。站用电源按20kVA考虑。站用配电装置采用抽出式开关柜型式。

接入系统方案:

本工程太阳能光伏并网发电系统，拟定总装机容量为：装设光伏电池组件容量约为 650kWp；

根据光伏发电系统装机容量和周边电网实际接线情况，提出如下接入系统方案： 该工程通过一回400V线路并网， 400V并网线路用户侧，应在公共区域安装开关，并设置明显断开点，以利于检修和事故处理安全。

方案分析:

本工程中太阳能光伏发电场的总装机容量在系统中所占比例较小，但由于太阳能光伏发电系统的一些特点，发电装置接入电网时对系统电网会有一定不利影响。太阳能光伏发电场并网时在电压偏差、频率、谐波和功率因数方面应满足实用要求并符合标准。

本工程光伏发电场总装机容量占上级变电站主变容量比例较小，经计算光伏发电场并网时对系统侧电压波动影响较小，在标准允许范围以内。

太阳能光伏发电场运行时，选用的逆变器装置产生的谐波电压的总谐波畸变率控制在2.5%以内，远小于GB 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的5%。

光伏发电场并网运行（仅对三相输出）时，电网公共连接点的三相电压不平衡度不超过GB 15543-1995《电能质量 三相电压允许不平衡度》规定的数值，接于公共连接点的每个用户，电压不平衡度允许值一般为1.3％。

系统保护:

由于太阳能光伏发电容量很小，接入系统电压等级较低，且不提供短路电流，建议仅在系统侧配置相应的保护设备快速切除故障即可，光伏发电场侧不配置线路保护。

监控自动化:

太阳能发电场配置计算机监控系统，由计算机监控系统完成实施整个发电场的监视控制,并向主站端发送信息。计算机监控系统应能实现所有开关量的采集，并与太阳能逆变器等装置实现通信。在校内设置一个就地的工程师站，在调试和检修期间可以在就地进行调试检修。正常运行情况下，由设置在集控室内的终端进行监控。

6世界光伏发电现状

世界光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展, 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。近几年, 世界光伏发电市场发展迅速。近10 年太阳能电池组件的年平均增长率为33 % , 近5 年的平均增长率为43 % ,2004 年比上一年增长61. 2 % , 光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。2004 年世界光伏电池/ 组件产量达到1 200 MW ,其中日本生产610 MW , 欧洲320 MW , 美国135 MW , 其他国家135 MW。2004 年世界光伏系统的总装机容量超过4GW。

现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期发展规划: 到2010 年日本计划累计装机容量将达到5 GWp , 欧盟3 GWp ( 其中德国2. 7 GWp) ,美国4. 7 GWp ,澳大利亚0. 75 GWp ,印度、中国等发展中国家估计为1. 5～2 GWp 。统计资料表明, 到2010 年, 世界光伏系统累计装机容量预计将达到14～16 GWp 。

7 中国光伏发电现状

中国光伏发电产业于20 世纪70 年代起步, 90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。到2005年底,中国光伏电池总产量超过250 MW,光伏组件总产量超过400 MW。中国光伏发电市场的发展为: 90 年代初期, 光伏发电主要应用在通信和工业领域,包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等。从1995年开始主要应用在特殊应用领域和边远地区, 逐步建立了较大型的光伏发电应用系统, 建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40 多座,推广应用家用光伏电源系统约15 万套。2000年以后,中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段,开始建造100 kWp 级的光伏并网示范系统。

虽然我国光伏发电产业发展很快, 但与世界光伏产业的发展相比,国内的光伏产业还处于规

模小、基础薄弱的阶段,应用市场不够稳定,同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机制; 太阳能光伏发电并网应用还不多; 光伏系统和相关部件的产品质量和技术水平还有待进一步提高; 光伏发电成本还需不断降低。在2004 年10 月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中, 对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。在系统工程方面,由于受到技术、经济等多种因素的制约,许多具有市场潜力的应用领域,如大型( > 1 000 kWp) 光伏或风- 光- 柴互补电站系统、光伏海水淡化系统、太阳能水泵滴灌工程、太阳能电动车、光伏制氧系统以及较大规模的光伏并网发电等都还没有真正发展起来。因此, 我国的太阳能光伏产业还有大量工作亟待完成。

8 展望与建议

近几年随着国家经济的迅猛发展, 全国出现电力供应严重不足的现象。按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况, 预测2010 年～2020 年的电力供应单靠传统的煤电、水电、核电是不够的, 仍然存在一定的缺口, 这就需要由可再生能源发电来填补。

光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色, 预计到2010 年中国的光伏发电累计装机容量将达到600 MWp , 2020 年累计装机容量将达到30 GWp , 2050 年将达到100 GWp。根据电力科学院的预测, 到2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25% , 其中光伏发电将占5%。

我国的太阳能光伏产业既面临着严峻的挑战又面临着发展的机遇。为使我国的光伏产品在世界的市场上有竞争性, 就需要政府制定强有力的法规和政策来支持。政府可以从以下几方面来激励、整合、发展我国的光伏产业:

(1) 联合相关部委制定我国光伏产业完整的科研、生产、应用和推广计划；

(2) 考虑设立太阳能专项资金制度和多种形式的补贴政策。比如对投资直接补贴、提供贴息性贷款、根据光伏发电和可再生能源产品产量进行直接补贴等；

(3) 加强生产企业和科研机构与国际间的合作,积极引进国外科研新技术；

(4) 加大对光伏产业科研的投入, 拓展光伏技术的应用领域, 开发出具有我国自主知识产权的光伏技术和新产品；

(5) 加大光伏发电的并网应用工程, 从发展户用系统逐步过渡到发展并网应用系统；

(6) 光伏发电逐步取代部分常规能源要有一定的比例要求。