谈光伏发电系统电气设计

许冬梅 / 熊小俊 / 孙泽人 / 庞小霞

(中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)



谈光伏发电系统电气设计

0引言

随着我国经济快速发展，不可再生能源的大量消耗导致气候变暖和环境污染，而可再生能源太阳能发电技术采用一次能源，具有无需运输、无需存放场地、无污染的特点，是改变气候变暖和环境污染的有效措施，是理想的零能耗、零排放、零污染的发电技术。对此，国家也出台了很多优惠政策，支持这一产业的发展。

由于我国地处北半球，南北4°～52.5°，东西73°～135°，年日照时间长达两千多小时，所以我国是太阳能资源相当丰富的国家。太阳能资源最丰富的1、2、3类地区约占全国总面积的2/3以上，年太阳能辐射总量高于1 389kW·h/m2，年平均日照时数大于2 200h，尤其是西北地区、新疆、西藏及河北大部分地区，均具有利用太阳能发电的良好条件。

当前，已有不少工程中设置了光伏发电系统，尤其是室外照明、地下工程及远离市政电源的地区应用更多，有的还配置了蓄电池，可全天候供电，具有节能减排、供电可靠的效果。

目前，光伏组件、逆变器及直流系统的开关、导线、电缆等设备均是成套生产，成本已大幅降低，今后光伏发电系统在民用建筑工程中一定会有更大的发展。

1光伏发电系统组成

光伏直流系统主要由太阳能电池、光伏组件、光伏组串及直流汇流箱等组成。将直流电转换为交流电的主要设备是逆变器，逆变器主要由逆变桥电路晶闸管、反馈二极管及直流电容等组成。

并网型逆变器可以与高压10kV侧市政电源并网，也可以在低压0.4kV侧与市政电源并网，一般容量在250kW以上采用高压并网系统，250kW及以下采用低压并网系统。高压并网系统因容量大、电压高，一般配置升压变压器。因为逆变器的出口电压为315V，所以应设置315V/10kV的升压变压器，以满足与10kV市政电源并网的要求，光伏发电系统图如图1所示。

注：1：光伏组件阵列；2：光伏线路保护熔断器；3：交、直流过电压保护避雷器 SPD；4：直流控制负荷开关；5：直流EMC滤波器；6：直流电容器；7：并网型逆变器；8：交流滤波器；9：交流EMC滤波器；10：交流接触器；11：空气断路器；12：升压变压器；13：高压电缆图1　光伏发电系统图

100kW及以上低压并网系统应配置隔离变压器，以满足低压220V/380V三相四线制市政电网系统。60kW及以下小型逆变器也可以不设置隔离变压器，直接与低压电源并网，如组串型逆变器。在工程设计中，应业主要求，在已有建筑屋顶设置太阳能光伏电池组件，发电容量1 000kW，因容量较大，经研究后设置两台500kW逆变器，采用两台并网型逆变器分别与两路10kV市政电源二段母线并网。为叙述方便，就一台逆变器光伏发电系统的设计进行阐述。

2主要设备及选择

2.1逆变器

逆变器主要是利用晶闸管控制其不同的导通时间，同一相上下二臂交替180°导通，将直流电转换为交流电。

逆变器是将直流电转换为交流电的主要设备，按输入电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器；按激磁方式可分为自激式震荡逆变器和他激式震荡逆变器；按波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器；按交流电相数又可分为三相逆变器和单相逆变器等。经过调制、滤波、升压等环节，使其满足与市政电源相匹配的正弦波交流电源，并网供用户使用。

方波逆变器主要是用于1kW及以下小容量系统，但效率较高；正弦波逆变器可用于大容量系统，如并网光伏发电系统，但效率比方波逆变器低。

电压型逆变电路应在直流侧设置大容量电容器C，相当于电压源。因为当交流侧为电感性负载时，需要无功功率，直流侧电容能起到缓冲无功能量的作用。图2所示为三相桥式逆变电路。

注：Ud：直流电源电压；V1～V6：逆变器用晶闸管；VD1～VD6：反馈二极管；C：直流电容器图2　电压型三相桥式逆变电路

为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。因为晶闸管的过电流及过电压能力较低，所以逆变器的进线各回路均应设置过电流保护装置及过电压保护器SPD。进线采用直流负荷开关控制，直流侧滤波措施采用EMC直流滤波器。交流侧采用交流滤波器及交流EMC滤波器，并设置交流接触器自动控制。白天自动启动开始运行，晚间自动断开停止运行。变压器将逆变器电压由315V升为10kV，以便于并网运行。

工程中常用的光伏逆变器有电站型并网逆变器和组串型并网逆变器。电站型并网逆变器容量较大，额定输出容量100～1 200kW；组串型逆变器电容较小，额定输出容量2.5～60kW。

因为工程光伏电容量较大，设计选用两台SG500MX型光伏逆变器(可选择其他型号，不同型号的技术参数略有不同)，其主要技术参数见表1。

表1　SG500MX型逆变器主要技术参数

注：外形尺寸(宽×高×深)1 606×2 034×860(mm); 防护等级 IP21; 排风扇风量 4 500m3/h

在国家定型产品中，自带配套设备，成套性很高，配套很完善，可组装成一个完整机组，如设计选用的SG500MX逆变器机组，除逆变电路外，直流及交流二侧的过电压保护器SPD和滤波设备等，均包括在逆变器机组内。

2.2太阳能光伏电池

光伏电池是将太阳能辐射能量直接转换成电能的器件，光伏电池也称为光伏电池片，主要是利用经特殊工艺处理的非金属硅片，在太阳的照射下，因电子定向游离特性而形成电位差的特性。根据容量的不同，其规格大小亦有差异，156mm×156mm是太阳能光伏电站系统常用的规格，按光伏材料分为单晶硅、多晶硅和非晶硅等。单晶硅转换效率高，但价格也高；而非晶硅一般在建筑造型有特殊要求(如弯曲形、柔软形)时使用，效率较低；工程使用较多的是多晶硅，故该工程中选用156mm×156mm多晶硅光伏电池片。

2.3太阳能光伏组件

光伏组件是具有封装及内部联结的、能单独提供最小直流电源输出的、不可分割的光伏电池组合体，是由光伏电池片串并联组合而成的不同规格的电池板。其主要技术参数见表2。本工程电池组件选用JAP-72/310/3BB型光伏组件(亦可选择其他型号)，其主要技术参数如下：

最大功率Pd=310W

开路电压uk=45.45V

最大功率点工作电压ug=37V

最大功率点工作电流ig=8.38A

短路电流ik=8.85A

电池片数量m=72片

光伏面积S1=1 956×991=1 938.396mm2≈1.938 4m2

表2　光伏组件主要参数表

2.4光伏组串

从光伏组件的技术参数可以看出，最大工作电压只有37V，而逆变器的输入电压最高可达1 000V，所以需要很多个光伏组件串联，即多个光伏组件串联成为1路光伏组串。

1)光伏组件数量的确定

1路光伏组串所需串接的光伏组件数量可由式(1)计算。

(1)

式中，n1为光伏组件数；Ud为逆变器最大输入直流电压，Ud=1 000V；uk为光伏组件开路电压，uk=45.45V。

因为逆变器出线侧设有交流接触器控制，当太阳升起(大于500V)时，逆变器自动启动，接触器闭合；当太阳落山(小于460V)时，逆变器自动关闭，交流接触器断开。因开路电压较高，危害逆变器安全，故使用光伏组件的开路电压。所以光伏组件数量n1=Ud/uk=1 000/45.45=22.002 2，取22件。

2)外形尺寸及光伏面积

光伏组串的宽与光伏组件的长为1.956m，光伏组串的长为22×0.991=21.802m。组串的光伏面积为光伏组件数×光伏组件面积，即22×1.938 4=42.645m2。

3)光伏组串数量的确定

500kW逆变器所需光伏组串数由(2)式确定。

(2)

式中，n2为光伏组串数量；Id为逆变器最大输入直流电流，Id=1 220A(逆变器参数)；ig为光伏组串最大工作电流，ig=8.38A(光伏组串参数)。即由n2=Id/ig=1 220/8.38=145.58，取146串。

2.5光伏阵列汇流箱

500kW逆变器，共需要146个组串接入，为了减少接入回路数量，光伏组串通过汇流箱汇流。定型产品汇流箱有两种规格，有8路和16路组串接入，工程中选用16路PVS-16MA型汇流箱。其汇流箱主要技术参数如下。

1)最大光伏阵列电压1 000V

2)最大光伏组串并联电路数16路

3)每路熔丝额定电流10/15A

4)输入电缆4～6mm2

5)出线电缆50～70mm2

6)防护等级IP65

7)环境温度-25～+60℃

8)环境湿度0～95%

9)外形尺寸(宽×深×高)720×590×170mm

光伏阵列系统图见图3。

图3　光伏阵列系统图

(1)GF：光伏组串，由22个光伏组件(JAP-72/310/3BB)串联而成。

(2)RD：光伏熔断器，规格选用10/15，即熔体10A，保护最大工作电流8.38A，与汇流箱成套供货。

(3)DL：直流断路器，选用4极开关，因为直流1 000V电压高，灭弧困难，所以选用4极开关串联，以提高耐压及分断灭弧能力。

(4)PVS-16MA：汇流箱，工程中共设有10台，进线采用熔断器保护，出线采用直流断路器保护，规格160/140。熔断器及出线断路器均包括在汇流箱内。汇流箱接入回路的端子数为16路，使用15路备用1路。

(5)L1：汇流箱进线电缆 6mm2。

(6)L2：汇流箱出线电缆 70mm2。

(7)SG：光伏并网逆变器。

汇流箱的防护等级IP65，可以安装在室外距光伏组件最近的位置。因光伏组串的数量多、面积大、摆放分散、汇流箱进线回路电缆(6mm2)及出线回路电缆(70mm2)线路较长，所以应进行电压降校验，以保证光伏发电量不受影响。

(8)HM：10路汇流母线，其直流承载能力应不小于1 500A。进线电缆接线端子应不少于12个，其端子电流承载能力不小于160A。

(9)FK：直流负荷开关规格应不小于1 600A，亦应选用4极开关。

4极开关的接线可以采用“+”极串2级、“-”极串2极，或是“+”极串3极、“-”极串1极，如图4所示。

图4　4极开关接线图

3主要设计指标

1)直流输入参数

最大输入电流：

(3)

式中，Id为最大输入电流，A；n2为光伏组串数，n2=146；ig为每1路光伏组串最大工作电流，ig=8.38A。所以Id=n2ig=146×8.38=1 223.48A。

最大输入电压：

(4)

式中，Ud为最大输入电压，V；n1为每1组串光伏组件数，n1=22；uk为光伏组件的开路电压，uk=45.45V。所以Ud=n1uk=22×45.45=999.9V。

最大功率点工作电压：

(5)

式中，Ug为最大功率点工作电压，V；n1为光伏组件数，n1=22；ug为光伏组件最大功率点工作电压，ug=37V。所以Ug=n1ug=22×37=814V。

最大输入功率：

(6)

式中，Pd为最大输入功率，kW；Id为最大输入电流，Id=1 223.48A；Udd为最低工作电压，Udd=460V。所以Pd=IdUdd=1 223.48×460=562 800W=562.8kW。

最低工作电压：

根据逆变器规定Udd=460V。

启动电压：

根据逆变器参数规定Uq=500V。

2)交流输出参数

最大输出功率：

(7)

式中，逆变器效率η=0.892；Pd为最大输入功率，Pd=562.8kW。所以Pe=0.892×562.8=502kW。

最大视在功率：

(8)

式中，Pe为最大输出功率，Pe=502kW；cosφ=0.909(根据逆变器参数确定)。所以Se=502/0.909=552.2kVA。额定电网电压Ue=315V(根据逆变器参数确定)。

最大输出电流：

(9)

额定频率为 50/60Hz(逆变器参数)。

总电流波形畸变率<3%(额定功率时逆变器参数)。

3)光伏组件数

光伏组件数：

(10)

式中，n为光伏组件总数；n1为每个光伏组串的组件数，n1=22；n2为光伏组串数，n2=146。所以n=n1n2=22×146=3 212。

4)光伏面积

(11)

式中，n为光伏组件数，n=3 212；s1为光伏组件面积，s1=1.938 4m2。所以s=ns1=3 212×1.938 4=6 226.14m2。

5)单位面积发电量(每m2光伏面积最大发电量)

(12)

式中，p为每m2光伏面积发电量；Pd为最大发电功率(直流)，Pd=562.8kW；S为光伏面积，S=6 226.14m2。所以p=Pd/S=562.8/6 226.14=0.090 4kW/m2=90.4W/m2。

6)年最大发电量

(13)

式中，Pe为最大输出功率，Pe=502kW;α为平均负荷系数，取0.8; t为年日照时数，取2 200h。所以w=αPet=0.8×502×2 200=883 520kW·h。

4设备布置

4.1光伏阵列布置原则

因为具体布置及安装由光伏组件承包商负责，故提出以下布置原则。

1)光伏组件四周应设有安装及维护通道。

2)光伏组串应保持其完整性，不宜折断布置。

3)安装的方位应为正南方，并应有最佳倾斜角。

4)固定牢靠，并设有防风雪及防水排水措施。

5)应设有可靠的防雷接地系统。

4.2光伏组件布置

1)光伏组件外形尺寸，见图5。

图5　光伏组件外形尺寸

2)1 000V光伏组串外形尺寸，见图6。

图6　1 000V光伏组串外形尺寸

3)光伏阵列在屋面上的布置，见图7。

注：光伏组串距建筑边线距离A宜不小于1.2m；光伏组串间距及光伏组串距屋顶设备、屋顶女儿墙等的距离B不小于1m；光伏组串阵列间距C宜不小于1.5m。图7　光伏阵列在屋面上的布置

注：SG1、SG2：两台逆变器。M：设两台汇流母线接线箱，宽700mm。ST1、ST2：两台升压变压器，315V/10kV，630kVA。AH：高压开关柜，设14台，其中二路进线4台，联络2台，计量2台，配电变压器4台，升压变压器2台。AA：低压开关柜，可根据设计需要设置。T3、T4：两台配电变压器。图9　变电所平面布置图

4.3光伏高压并网系统图

如图8所示，设两路10kV市政电源供电，设4台配电变压器，其中T1、T2为分变电所，在另一建筑物内。T3、T4设在本总变电所内。

图8　光伏高压并网系统图

两台500kW光伏逆变器机组经630kVA升压变压器与二段10kV母线并网。

4.4变电所平面布置图

变电所平面布置图如图9所示。

5光伏发电系统监控

监控系统采用通用的分层分布式结构，现场设置监测元件，中间设置通讯管理设备，中央设置集中管理设备。

1)现场光伏组件阵列的每一个光伏组件的安全运行都应有实时监测。即每一个光伏组件的电流、电压及组件温度等，均应设置检测元件，

注：(1)为光伏系统检测控制箱;(2)为测控箱电源;(3)为直流断路器脱扣线圈;(4)为直流断路器;(5)为光伏系统防雷器;(6)为测控回路电流熔断器;(7)为光伏阵列回路熔断器;(8)为光伏组件阵列。图10　光伏系统测控示意图

采用数字通讯与上级监控设备联系，实现实时监测。

2)现场光伏汇流箱内应设置光伏组串监控设备，每1路光伏组串回路设置电流、电压及直流电弧的检测元件，另对防雷保护器的实效及断路器的通断状态等也应有实时监测，如图10所示。

3)对逆变器直流总输入电流、电压、开关状态、过电压保护器及滤波器等均应有监测；对输入总功率及运行电能可随时打印；对逆变器交流侧电流、电压、有效功率、视在功率、总电流畸变率、电网频率、功率因数、设备温度等应有实时监测，并控制冷却风机自动启/停对输出总功率及运行电能应有可视监测仪表。具体由承包商设计及实施。

6结束语

设计共设置2套光伏发电系统，按2套系统计算。直流输入总功率为Pd=2×562.8=1 125.6kW；光伏组件总数为N=2×3 212=6 424 件；光伏组件总面积为S=2×6 226.14=12 452.28m2；交流输出总功率为Pe=2×502=1 004kW；年最大发电量w=2×883 520=1 767 040kWh；折合标准煤217.16t。

太阳能是一次能源，也是可再生能源，能源丰富，既可免费使用，又无需运输。光伏发电既不消耗资源，又不释放污染物，不存在废料、废水、废渣等问题，是零耗能、零排放、零污染的发电技术，对周边环境保护和生态环境改善及经济效益提高都有十分显著的作用。今后随着国家政策的支持，光伏发电技术一定会有更大发展。

参考文献

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[2]北京首建标工程技术开发中心，北京市新能源与可再生能源协会. DB11/T881-2012建筑太阳能光伏系统设计规范[S]. 北京规划委员会，北京质量技术监督局，2012.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 50865-2013光伏发电接入配电网设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2013.

[4]中华人民共和国建设部. JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]孙玲,董维华.中新生态城零能耗建筑的光伏发电系统设计[J].智能建筑电气技术，2015，9(4):34-40.

Research on Electrical Design of Photovoltaic Power Generation System

Xu Dongmei / Xiong Xiaojun / Sun Zeren / Pang Xiaoxia

许冬梅 / 熊小俊 / 孙泽人 / 庞小霞

(中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)

摘要随着能源危机日益凸显，光伏发电技术应用快速发展。通过对光伏发电系统主要设备的性能、参数的研究，明确了系统主要设备选型中所采用的计算方法，并结合工程实例加以分析，阐述了光伏发电系统在实际工程中的应用及对于节能减排的重要意义。

关键词光伏发电系统光伏并网逆变器光伏电池光伏组件光伏组串

AbstractWith the energy crisis becoming increasingly prominent, there has a rapid development of photovoltaic power generation technology. The calculation method used in the selection of the main equipment of the system is defined by research on the performance and parameters of the main equipment of the photovoltaic power generation system and combined with engineering examples to analyze. The application of photovoltaic power generation system in practical engineering and the important significance of energy saving and emission reduction are expounded.

Keywordsphotovoltaic power generation system, photovoltaic grid connected inverter, photovoltaic cell, PV module, PV group