家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(課程設(shè)計)

《家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計 前，我國光伏發(fā)電的應(yīng)用市場處于起步階段。從當(dāng)前光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域來看，現(xiàn)主要廣泛應(yīng)1.通信領(lǐng)域的應(yīng)用。主要包括無人值守微波中繼站，光纜通信系統(tǒng)及維護站，移動通信基站，廣播、通信、無線尋呼電源系統(tǒng)，衛(wèi)星通信和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)，農(nóng)村程控電話、載2.公路、鐵路、航運等交通領(lǐng)域的應(yīng)用。如鐵路和公路信號系統(tǒng)，鐵路信號燈，交通警3.石油、海洋、氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。如石油管道陰極保護和水庫閘門陰極保護太陽能電源4.農(nóng)村和邊遠無電地區(qū)應(yīng)用。在高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等農(nóng)村和邊遠無電地區(qū)應(yīng)用太陽能光伏戶用系統(tǒng)、小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)等解決日常生活用電問題，如照明、電視、醫(yī)院、飯館、旅社、商店等的供電系統(tǒng)。應(yīng)用太陽能光伏水泵，解決了無電地區(qū)的深水井飲用、農(nóng)田灌溉等用電問題。另外還有太陽能噴霧器、太陽能電圍欄、太陽能黑光滅蟲燈等應(yīng)5.太陽能光伏照明方面的應(yīng)用。太陽能光伏照明包括太陽能路燈、庭院燈、草坪燈，太庭建設(shè)太陽能光伏發(fā)電站的投資在短期內(nèi)得到回收。但相對于歐洲尤其是德國，我國的分布在政府大力鼓勵發(fā)展分布式光伏發(fā)電的政策推動下，生態(tài)農(nóng)業(yè)與光伏的結(jié)合正在建成一些成功的項目。如：上海市首家現(xiàn)代化養(yǎng)殖場光伏屋頂發(fā)電站在東鄉(xiāng)縣江西東華種畜禽有限所謂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，也有分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。常見并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有下列幾種形式。有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.1所示。當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時，可將剩余電能饋入公共電網(wǎng)，向電網(wǎng)供電（賣電當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時向電網(wǎng)供電時與電網(wǎng)供電的方向相反，所以稱為有逆流光伏發(fā)電系統(tǒng)。交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器交流負(fù)載太陽能電池方陣表出表入無逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2.2所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)即使發(fā)電充裕也不向公；電網(wǎng)供電，但交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器交流負(fù)載太陽能電池方陣表入切換的功能。一是當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云、陰雨天及電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電；二是當(dāng)電網(wǎng)因為某種原因，然停電時，光伏系統(tǒng)可以自動切換使與電網(wǎng)分離，成為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)。有些切換型光伏發(fā)電系統(tǒng)，還可以在需要時斷開為一般負(fù)載的交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器太陽能電池方陣蓄電池組應(yīng)急負(fù)載交流負(fù)載表入2.2家用平頂型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)容量分析地面并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)容量一般由光伏電站可建設(shè)面積來決定。從光伏電站的轉(zhuǎn)換效率、組件方陣最光伏方陣年發(fā)電量計算公式為：電池組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)式中光伏方陣面積不僅僅是指占地面積，也包括光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)占用的屋頂、外墻立面修正系數(shù)K=K1K2K3K4K5其中K1為太陽能電池長期運行性能衰降修正系數(shù)，一般取0.8:K2為灰塵遮擋玻璃及溫度升高造成可根據(jù)逆變器生產(chǎn)商提供的技術(shù)參數(shù)確定；K5為光伏方陣朝向及傾斜角修正系數(shù)。表2-1太陽能電池組件朝向與傾斜角的修正系數(shù)光伏組件朝向光伏組件朝向太陽能電池組件方陣與地面的傾斜角東南西同一系統(tǒng)有不同方向和傾斜角的光伏方陣時，要根據(jù)各自條件分別計算發(fā)電量。對于并網(wǎng)光伏電站容量是指系統(tǒng)中組件功率總和。在給定區(qū)域內(nèi)，并網(wǎng)光伏電站的容量主要由電池組件有效面積決定，電池組件有效面積是指電池組件面的面積總和。①電池組件實際占地面積估算電池組件有效面積與當(dāng)?shù)鼐S度、組件間距、站址面積等參數(shù)相關(guān)。從上圖中可知，組件傾斜角ω為41o,每行組件長度L為1590*2mm，其在地面的有效長度為電站面積中，約占44.4%，即光伏電站站區(qū)面積的44.4%為電池組件的有效面積。在光伏電站站區(qū)中，除了組件及組件間距面積還包含站區(qū)通道、配電房等占地面積。所以光伏電站中電池組件的有效面積約占站區(qū)面積的0.35%左右，其值受緯度、傾斜角、組件方陣的跟蹤方式而影響。②電站容量估算從上分析來看，在給定站區(qū)面積情況下，并網(wǎng)光伏電站的裝機容量可用下述表達式估算。S另外上述公式也可以從電池轉(zhuǎn)換效率角度對光伏電站容量進行估算：上式β為電池組件轉(zhuǎn)換效率。在上述案例中，電池組件功率250W，面積1.63m2，即表示該電池轉(zhuǎn)換效率為15.33%。帶入公式后，配電側(cè)并網(wǎng)電網(wǎng)公司對其不作為發(fā)電站來管理，不監(jiān)測，不控制，但需要從總量上加以限制。在日本，屋頂分布式光伏電站容量基本按不超過配電容量的20%；美國，一般不超過配電容量的15%；中國還沒有文件明確規(guī)定比例要求，基本掌握不超過30%。上述15%、20%或30%是按照負(fù)荷來計算的，主要是為了發(fā)出來的電要基本在配電側(cè)全部用掉，而盡可能少發(fā)生逆流（用不掉而向高壓側(cè)反送電）?；究扇孔园l(fā)自用。能轉(zhuǎn)換裝置將光伏陣列所輸出的直流電變換成交流電送入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核也是隔離型并網(wǎng)逆變器中根據(jù)工作頻率可分為工頻和高頻兩類，工頻隔離逆變器是將太陽能的交流電能，之后通過高頻變壓器進行調(diào)壓和隔離，再經(jīng)過AC/D非隔離型并網(wǎng)逆變器按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單級和多級兩類源電流型。從輸入看，逆變器分為電壓型和電流型，電壓源型逆變器是以電壓源輸入，在直流輸入側(cè)并聯(lián)大電容，用電容作無功功率緩沖環(huán)節(jié)，使逆變器呈現(xiàn)低阻抗的電壓源恃性。而一個受控電壓源，其內(nèi)阻很小；電流型控制的原理是將輸出電感電并網(wǎng)逆變器是連接太陽能電池板和電網(wǎng)的樞紐，一般具有以下功能：工作，此時的并網(wǎng)系統(tǒng)與周圍的負(fù)載形成了一個自給供電的孤島，分布式系統(tǒng)仍然對失壓的部分線路供電，電力公司無法掌握電力情況，這就是孤島運行，會給設(shè)備及維修人員帶來安光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出是采用電流控制方式時，電網(wǎng)就等效為一個恒壓源，這時的系網(wǎng)電壓同頻同相，也將常規(guī)逆變器的波形控制技術(shù)應(yīng)用于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制、多環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。雙環(huán)控制是逆變器控制中使用比較廣泛的控制策略，它包括并網(wǎng)逆變器的直流電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。并網(wǎng)逆變器中的外環(huán)控制是電壓控制，電壓外環(huán)是能量控制環(huán)節(jié)，而在上一章的太陽能電池組件或方陣的設(shè)計計算中，雖然根據(jù)用電量或計劃發(fā)電量計算出了電池組件或整個方陣的總的容量和功率，確定了電池組件的串并聯(lián)數(shù)量，但是還需要根據(jù)太陽能電池的具體安裝位置來確定電池組件的形狀及外型尺寸，以及整個方陣的整體排列等。有些異型和特殊尺寸的電池組件還需要例如從尺寸和形狀上講，同一功率的電池組件可以做成長方形，也可以做成正方形或圓形、梯形等其這就需要我們來選擇和確定。電池組件的外形和尺寸確定后，才能進行組件的組合、固定和支架、基礎(chǔ)等內(nèi)容的設(shè)計。附錄2提供了太陽能光伏發(fā)電常用晶體硅電池組件規(guī)格尺寸和技術(shù)爹數(shù)等可供選型時參考。直流接線箱也叫直流配電箱，小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不用直流接線箱，電池組件的輸出線就直組件方陣的多路輸出電纜集中輸入、分組連接，不僅使連線井然有序，而且便于分組檢查、維護，當(dāng)太陽能電池方陣局部發(fā)生故障時，可以局部分離檢修，不影響整體發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)工作。單路直流接線箱內(nèi)部基本電路，圖4.1所示的是多路直流接線箱的內(nèi)部基本電路，它們由分路開關(guān)、主開關(guān)、避雷防雷器件、接線端子等構(gòu)成，有些直流接線箱還把防反充二極管也放在其中。SV避雷器浪涌電壓抑制器圖4.1單路輸入直流接線箱內(nèi)部電路圖直流接線箱一般由逆變器生產(chǎn)廠家或?qū)I(yè)廠家生產(chǎn)并提供成型產(chǎn)品。選用時主要考慮根據(jù)光伏方陣的輸出路數(shù)、最大工作電流和最大輸出功率等就要根據(jù)實際需要自己設(shè)計制作了。光伏逆變器選型時一般是根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計確定的直流電壓來選擇逆變器的直流輸入電壓，根據(jù)負(fù)載的類型確定逆變器的功率和相數(shù)，根據(jù)負(fù)載的沖擊性決定逆變器的功率余量。逆變器的持續(xù)功率應(yīng)該大于使用負(fù)載的功率，負(fù)載的啟動功率要小于逆變器的最大沖擊功率。在選型時還要考慮為光伏發(fā)電系統(tǒng)將來的擴容留有一定的余量。在離網(wǎng)（獨立）光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求而定。負(fù)載電壓要求越高系統(tǒng)電壓也應(yīng)盡量高，當(dāng)系統(tǒng)中沒有12V直流負(fù)載時，系統(tǒng)電壓最好選擇24V、48V或以上，這樣可以使系統(tǒng)直流電路部分的電流變小。系統(tǒng)電壓越高，系統(tǒng)電流就越小，從而可以使系統(tǒng)損耗變小。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸入電壓是每塊（每串）太陽能電池組件峰值輸出電壓或開路電壓），因此并網(wǎng)型逆變器的輸入直流電壓有一定的輸入范圍。表4.1為合肥陽光電源公司主產(chǎn)的SG5K逆變器產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)與規(guī)格尺寸。表4.1合肥陽光電源離網(wǎng)（獨立）型逆變器技術(shù)參數(shù)表技術(shù)參數(shù)：直流側(cè)參數(shù)最大直流電壓啟動電壓最低電壓最大直流功率最大輸入電流推薦光伏陣列開路電壓最大功率跟蹤器路數(shù)/每路跟蹤器可接入組串?dāng)?shù)交流側(cè)參數(shù)額定輸出功率最大交流輸出電流額定電網(wǎng)電壓允許電網(wǎng)電壓額定電網(wǎng)頻率允許電網(wǎng)頻率總電流波形畸變率功率因素最大效率歐洲效率夜間自耗電允許環(huán)境溫度冷卻方式允許相對濕度顯示與通訊標(biāo)準(zhǔn)通訊方式可選通訊方式機械參數(shù)300V~650V230Vac47~51.5Hz/57~61.5Hz94.5%（含變壓器）93.6%（含變壓器）-25~+60℃0~95%，無冷凝RS485410x580x283mm在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中低壓直流輸送部分使用的電纜，因為使用環(huán)境和技術(shù)要求的不同，對不同部件的連接有不同的要求，總體要考慮的因素有：電纜的絕緣性能、耐熱阻燃性能、電纜的防潮，防光、電纜的敷設(shè)方式、電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）、電纜的大小規(guī)格等。光伏系統(tǒng)中不同的部件之間的連接，因為環(huán)境和要求的不同，選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術(shù)要求：酸、鹽的侵蝕能力，優(yōu)越的全天候能力和耐磨損能力。(2)蓄電池與逆變器之間的連接電纜，要求使用通過UL測試的多股軟線，盡量就近連接。選擇短而粗的電纜可使系統(tǒng)減小損耗，提高效率，增強可靠性。(3)電池方陣與控制器或直流接線箱之間的連接電纜，也要求使用通過UL測試的多股軟線，截面積規(guī)格根據(jù)方陣輸出最大電流而定。圖8-6組件延長電纜使用示例示意圖蓄電池到室內(nèi)設(shè)備的短距離直流連接，選取電纜的額定電流為計算電纜連續(xù)電流的1.25倍；交流負(fù)載的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍；逆變器的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍；方陣內(nèi)部和方陣之間的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍；考慮溫度對電適當(dāng)?shù)碾娎|尺徑選取基于兩個因素，電流強度與電路電壓損失。完整的計算公式為：交流母線交流母線交流母線交流母線交流母線交流母線線損=電流×電路總線長×線纜電壓因子式中線纜電壓因子可由電纜制造商處獲得。太陽能光伏發(fā)電中的監(jiān)控測量系統(tǒng)是各相關(guān)企業(yè)針對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺，一般可配合逆變器系統(tǒng)對系統(tǒng)進行實時監(jiān)視記錄和控制，系統(tǒng)故障記錄與報警以及各種參數(shù)的設(shè)置，還可通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控測量系統(tǒng)運行界面一般可以顯示：當(dāng)前發(fā)電功率、日發(fā)電量累計、月發(fā)電量累計、年發(fā)電量累計、總發(fā)電量累計、累計減少C02排放量等相關(guān)參數(shù)，如圖8-8所示。逆變器各種運行數(shù)據(jù)提供RS485接口與監(jiān)控測量系統(tǒng)主機連接。監(jiān)控測量系統(tǒng)一般用在中大型光伏發(fā)