全运会文化场馆光伏智能并网系统的应用

辽宁太阳能研究应用有限公司 ■ 王志喜

0 引言

辽宁省第十二届全运会文化场馆的太阳能光伏项目具有较高的社会知名度和社会影响力。项目具有“建筑规模大、功能复杂、工艺要求高、设计施工难点较集中、新技术新工艺应用涵盖多专业、建设工期高度紧迫”等特点。作为本项目四大单体工程中的光伏智能并网系统电站，以其所具有的技术先进性，系统稳定性、安全性、可靠性，以及所带来的社会、环境和经济价值成为辽宁省第十二届全运会文化场馆的一大亮点。

光伏智能并网系统是由光伏方阵、光伏汇流箱、光伏并网逆变器、防逆流系统、智能监控系统和显示电能相关参数的仪表组成。光伏智能并网系统为用户侧并网，在辽宁省科技馆屋顶建设太阳能光伏并网发电项目。本项目采用230 W/29.5 V太阳电池板，22块串联为一组，3个组串通过1台防雷汇流箱，共采用光伏汇流箱4台进入交直流配电柜。直流电通过逆变器逆变后，交流电进行并网，实现并网发电功能。楼顶共放置太阳电池组件264块，总装机容量为60.72 kW。此系统采用先进的防逆流控制技术，光伏发电首先提供给负载用电，即发即用原则，当用电量小于光伏发电量时，防逆流控制器减小逆变器功率输出，避免向上一级变压器输送电量。整个系统具备监测功能，通过逆变器与PC机通信，显示系统的实时运行状态和运行参数。

图1 现场施工图

1 系统组成与设计

1.1 光伏组件的设计选型

光伏组件是光伏并网系统的基本组成单元，是将太阳能转化为电能的主要部件。根据文化场馆建筑设计及其电力负荷确定光伏组件的类型、规格、数量、安装位置、安装方式和可安装场地面积；根据光伏组件规格及安装面积确定光伏系统最大装机容量；根据并网逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数确定光伏组件的串联数；根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件串的并联数。在对光伏组件进行设计选型时，要首先考虑并网逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围。

图2 光伏智能并网系统

1.2 光伏组件支架

光伏系统设计过程中，支架系统作为直接支撑光伏组件的核心结构，其成本在整个光伏系统中所占比重虽然不大，但对系统的安全性及其发电效率却有至关重要的作用。合理的支架结构形式能提升系统抗风抗雪载的能力；合理的运用支架系统在承载方面的特性，可进一步对其尺寸参数做优化，节约材料、降低成本，同时增强结构稳定性，为光伏系统的稳定运行进一步做出贡献。根据当地的气象数据及地理条件，文化场馆光伏智能并网系统电站的结构支架设计采用先进的数字化设计流程，以均匀分布载荷作用下光伏组件的变形均值为参数目标，通过对C型钢光伏支架系统的分析模拟，以稳定结构形式，做出最优化的结构方案。应用先进的三维软件的参数化设计功能，按照每个连接点间的参数关系式建立完整的支架系统结构模型；模型建立后，应用CFD软件进行整体流体力学分析(如图3所示)，对支架整体结构方阵抗风荷载能力进行模拟校核，实现光伏支架结构完全数字化设计。

图3 光伏支架FLUENT流体分析

1.3 光伏并网逆变器及智能监控装置

光伏并网逆变器是并网发电系统的核心部分，主要功能是将光伏组件发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网；同时实现对中间电压的稳定，便于前级升压斩波器对最大功率点的跟踪；并且其具有完善的并网保护功能，保证系统能安全可靠地运行。光伏并网逆变器应该具备两个特点：稳定性和高效性。

文化场馆光伏智能并网系统电站所采用的光伏并网逆变器是将光伏串输入电压通过Boost电路传输到直流母线上，再将直流输入进行最大功率点跟踪，以确保即使在不同的PV输入条件下，也可获得最大功率。三电平逆变电路将直流转化为交流电，交流电将通过五芯端子馈入电网。保护电路用于保证逆变器的安全运行与人员安全。逆变器内存在直流开关，用于安全断开直流电流；逆变器还提供标准的RS485通讯接口，便于对系统的状态进行实时监控。该逆变器拥有极性反接保护、短路保护、对地绝缘监测、逆变器输出电压监测、逆变器输出频率监测、剩余电流保护、交流输出电流的直流分量监测、反孤岛保护、环境温度监测、直流过压保护、过流保护、功率模块温度保护等保护功能；也可对有功功率和无功功率进行调节。

1.4 防逆流装置与智能监控装置

1.4.1 防逆流装置

在并网发电系统中为了防止光伏发电系统把剩余电能送入电网，对电网造成影响，一般都需要在并网发电系统中设置防逆流装置。这样可避免增加电表的读数，消除用户的电费损失。通过检测母线功率及各光伏发电系统的发电功率，运用一定的逻辑判断来防止电流流向电网。

全运会文化场馆光伏智能并网发电系统的防逆流装置是在光伏并网系统中，检测流经电表的电流并产生逆流信号，根据逆流信号产生防逆流控制信号并发送到组件逆变器。在已出现逆流的情况下，系统判断逐级与下位机通讯减掉多发出的电量；当出现不足的情况时，逐级增加电池板的发电量，直到全部打开，如果仍不满足，需要由市电补充。

1.4.2 光伏智能监控系统

图4 防逆流系统原理图

光伏智能监控系统是对系统中的各项电流和电压灯信号进行采集显示，将多个光伏并网系统的电压和电流信号在一个现场控制中心显示屏内显示，并且可显示实时波形、读取历史数据波形、检测系统的运行状况、监控逆变器的运行状态及故障信息等。远程控制中心也能读取现场的实时数据便于各部门信息共享。光伏智能监控系统的使用能实现对光伏并网电站完整、统一的实时监控和控制，确保了系统的稳定性和可靠性。

光伏智能监控系统是通过逆变器中的各项数据采集模块，对光伏并网系统中的各项电压电流信号进行采集汇总，采用阻抗匹配RS485专用电缆与逆变器进行通信，将采集到的数据信号反馈给监控中心。同时，监控中心也可通过监控软件对逆变器的一些简单易用的参数进行设置。所设置的参数通过通信电缆反馈到逆变器中，进而改变逆变器中的参数，做到对系统参数的调整。

2 光伏智能并网系统综合性分析

2.1 经济效益分析

由光伏智能并网系统的特点可知，光伏智能并网系统的光伏组件使用寿命可达20～25年。光伏并网系统总成本只包括初始设备费和施工费，由于其可靠性高，又不消耗常规能源，每年的维修费和运行费基本为零，可不必考虑。

根据目前非居民用电电价0.6元/kWh及《中国电价和电力发展研究》课题组的最新研究结论，无论是从宏观经济运行，还是从行业发展来看，电价水平还有一定的调升空间；适当调整电价水平及其结构，不仅不会导致价格总水平的显著上涨，而且还会有利于产业结构的优化升级。经过测算，目前中国的经济和社会状况能承受的电价水平的合理上涨系数是每年0.04元/kWh。 按光伏并网系统20年运行周期计算，同时考虑社会利率及电价上涨因数，节约的电费现值分别计算如下：

每年节约的用电量(60 kW装机容量，峰值日照时间4.67 h，发电效率按70%计算)：

60 kW × 4.67 h × 365 d × 0.7=71591.1 kWh

每年节约的电费A1=71591.1 kWh × 0.6元/kWh=42954.66元，每年节约的电费增加额G1=71591.1 kWh × 0.04 元 /kWh=2863.644 元。分别利用等额收付和递增等差收付序列现值计算公式，光伏智能并网系统20年节约电费现值P1计算过程如下：

式中，i是对应于可再生能源系统的社会年利率，取10%；n是光伏智能并网系统的光伏组件工作年限；A1是每年太阳能路灯节省的等年值电费；G1是太阳能路灯每年节省的因电价预期上调增加的等差变额电费。

2.2 社会效益分析

光伏智能并网系统对于一个城市甚至一个国家来说，标志着现代物质文明和精神文明的进步、人们观念的更新和环保意识的增强；对于带动一个城市的科技文化进步、经济水平发展意义重大，也是社会稳定、经济繁荣的重要标志；其社会效益显著，大幅缩短了一个城市与现代文明社会的距离，使其早日步入新天地。

2.3 环境效益分析

光伏并网系统利用太阳能发电原理工作，不消耗化石燃料，无CO2、SO2等有害气体的排放，清洁干净，环境效益良好。据估算，本项目在光伏组件使用寿命20年内可减少标准煤燃烧430.196 t，减少CO2排放量651.81 t，减少SO2排放量3.17 t。光伏并网系统的应用对于保护相关地区的自然生态环境有着特殊意义。

3 结论

经过现场实际运行和详细的经济计算分析表明，辽宁省第十二届全运会文化场馆光伏智能并网系统具有一定的先进性、稳定性；无论从经济评估角度、社会评估角度和环境评估角度，光伏智能并网系统都必将为人类所接受，在太阳能的应用上人类必将迎来光伏智能并网的新时代。

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