太阳能光伏智能并网系统的设计与应用

周承玺

(国网辽宁省电力有限公司 建设部，辽宁 沈阳 110004)



太阳能光伏智能并网系统的设计与应用

周承玺

(国网辽宁省电力有限公司 建设部，辽宁 沈阳 110004)

为确保光伏系统长期稳定地运行，不影响光伏发电实际效果，以45 kW光伏并网发电系统总体方案设计为例，对其系统各个组成部件进行设计，同时对系统光伏组件、逆变器、汇流箱等重要组成部件进行了优化的选型合理匹配。通过系统25年的发电量计算，分析出整套系统所带来的节能减排效应及其经济效益。

智能光伏；并网系统；节能

人类社会进入了21世纪，正面临化石燃料短缺和生态环境污染严重的局面。廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源消费结构，大力发展可再生能源，走可持续发展道路已逐渐成为人们共识。光伏发电系统不同于一般机电产品，必须根据负载的要求和当地气象、地理条件来决定系统的配置。为降低光伏发电成本，应对其进行优化设计，来使其可靠性和经济性密切结合，最大限度地发挥光伏电源的作用。以45 kW光伏并网发电系统方案为例，对系统进行合理的方案设计，并预测未来25年中并网系统的节能减排效应及其所带来的经济效益。

1 系统主要部件

45 kW光伏并网发电系统的主要部件包括太阳能光伏电池组件及其安装支架、电缆、相对应的一些防护材料、防雷汇流箱、逆变器、系统的防雷保护措施和接地装置等。

2 总体方案设计

2.1 组件选择

选用250 W多晶硅电池组件180块，电池板的工作电压为29.5 V，开路电压为37 V，连接方式为20块/串。根据50 kW并网逆变器的工作范围(470 V～850 V)，每20块串联接入逆变柜。根据装机容量计算，共计9组组串并联。并网逆变器输出的交流电直接接入0.4 kV电网给负载用电。

系统内安装防雷汇流箱，分段逐级对光伏组件阵列进行连接，并合理布置光伏电池组件与逆变器的连接线，以便日后维护与保养。

如图1所示，当光伏系统发出的电量大于负载所需的电能，同时系统没有配备储能装置时，余付的电量流向市电电网，避免光伏发电的浪费，使太阳能发电得到充分利用；当光伏系统发出的电能不能满足用户负载要求时，市电补充进来，完成负载用电需求。

图1 光伏并网发电系统

2.2 屋顶组件安装结构件设计

该系统安装在平面屋顶结构上，光伏支架结构形式采用最佳倾角形式，如图2所示。光伏组件排列时，预留安装维修通道4.5 m，太阳能电池板距离屋面0.5 m高。根据国家相关标准，为了保证屋面负载的稳定性及安全性，屋面均匀分布负荷载标准值不小于2.0 kN/m2。

图2 支架结构

安装准备工作完成后，将水泥基础墩按照施工图排列，然后依次安装轨道、PV组件、压块等,如图3所示。安装周期短，结构简单，只用一把扳手，就可以完成整个安装过程。

2.3 光伏阵列汇流箱的设计

针对总体设计中逆变器和光伏组件的选择，汇流箱的每路均有电流检测，选用两台5进1出汇流箱，并具备IP65的防护等级，满足系统室外安装条件；直流汇流输出正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用防雷器，同时输入端配有防反充保护，电气原理如图4所示。

图3 汇流箱支架

图4 光伏阵列汇流箱配置

2.4 电缆槽架的设计

根据现场的具体情况走线，连接到太阳能低压配电室，布放在线槽的电缆可以不绑扎，但线槽内电缆线应顺直，尽量不要交叉，电缆线不应溢出线槽。转弯处应绑扎固定，室内的线槽应用支架支撑固定。电缆桥架内缆线垂直敷设时，在缆线的上端和每间隔2 m处应固定在桥架的支架上，水平敷设时，在缆线的首、尾、转弯及每间隔3～5 m处进行固定。

表1 并网逆变器参数

2.5 并网逆变器设计

采用模块化逆变器是集中式逆变器的新技术实现方式，通过多个小功率模块的输入、输出并联，相互之间通信，可组成大功率逆变器。模块化逆变器能实现智能启动与休眠，可降低逆变器损耗，减少单模块工作时间，延长设备使用寿命。弱光时，可让一部分模块待机，避免逆变器轻载低效工作，提高系统发电效率。50 kW逆变器工作原理如图5所示。

2.6 交流配电柜的设计

交流配电柜内，通过断路器将逆变器的交流输出接入到三相交流电网系统，发电计量表显示逆变器发电量，在三相交流电源输出侧配有总防雷器，同时配备交流电网电压表和输出电流表，显示电网侧电压及放电电流数值。

逆变器的交流输出接入交流配电柜，经交流断路器并入三相交流电网发电，并配有测量逆变器的发电计量表。交流配电柜装有交流电网电压表和输出电流表，可以直观地显示电网侧电压及放电电流，并在与电网连接的三相交流电源输出侧配有总防雷器。交流配电柜电气原理如图6所示。

图5 50 kW逆变器工作原理

图6 交流配电柜电气原理

交流防雷配电柜主要功能：

1)与市电交流并网；

2)光伏发电部分开关功能；

3)光伏发电部分参数显示(交流电压、交流电流)；

4)光伏发电部分计量显示(数字式电子计量表)；

5)空开保护；

6)浪涌保护；

7)接地保护。

强阻尼电压源型虚拟同步发电机大扰动功角稳定性分析//孟志伟,侯玉强,方勇杰,朱玲,杨海洋//(9):44

2.7 接入电网方案

该系统采用的三相并网逆变器直接并入三相低压交流电网(AC380 V，50 Hz)，通过交流配电线路给当地负荷供电，剩余的电力馈入公用电网，如图7所示。

2.8 接地及防雷设计

为了保证光伏并网发电系统安全可靠地运行，机柜要有良好的接地保护措施。逆变器的交流侧配备交流防雷配电柜接入电网，光伏组件直流侧先汇流后再接入直流防雷配电柜，安装多级防雷装置避免雷击造成器件的损坏，地线接地电阻应小于4 Ω。

图7 并网系统

2.9 监控系统

45 kW光伏并网系统采用RS485(标配)或Ethernet以太网(选配)通讯方式的监控装置，并实时观察发电量，及其现场风速、风向、日照强度、环境温度等相关参数。图8所示为监控主机PC界面，通过网络随时对数据进行采集。

3 效益分析

光伏智能并网系统的电池组件使用寿命可达到20～25年，光伏系统每年的维修费以及运行费忽略不计，初始投资包含设备费和施工费，根据《中国电价和电力发展研究》课题组报告显示，中国的电价有一定的调升空间。以非居民用电电价每度电0.6元，电价水平的合理上涨系数为每年每度电0.04元，峰值日照时间为4.67 h，发电效率按70%计算，并分别利用等额收付(Uniform Series Present Worth Factor)和递增等差收付序列(Present Worth Factor of the Uniform Gradient Series)现值计算公式，20年为周期，计算45 kW光伏并网系统节约电费现值P1，计算过程如下：

45 kW×4.67 h×365 d×0.7=54 728 kW·h

年节约的电费：

A1=54 728 kW·h×0.6元/kWh=32 837元

图8 并网逆变器的监控界面

每年节约的电费增加额：

G1=54 728 kW·h×0.04元/ kW·h=2 189元

P1=A1(P/A,i,n) +G1(P/G,i,n)=

式中，i为对应于可再生能源系统的社会年利率(10%)；n为光伏并网系统太阳能组件工作年限,A1为每年节省的等年值电费；G1为每年节省的因电价预期上调增加的等差变额电费。

3.2 环境效益分析

整套系统总装机容量为45 kW，按照光伏组件寿命和国家补助时间为25年计算，整个分布式电站发电总量为1 386 672 kW·h。按国家补贴为0.42元/kW·h，现有电价为0.5元/kW·h计算，25年总收益为1 275 738万元，详见表2。

表2 发电量数据

4 结 论

在太阳能电池组件使用寿命达到25年时，节能减排各项数据如表3所示。

表3 节能减排数据

该项目可减少标准煤燃烧415 t，减少CO2排放量639 t，减少SO2排放量3 t，光伏并网系统的应用对于保护相关联地区的自然生态环境有着特殊的意义。由表3数据可以看出，45 kW光伏并网系统在25年内的累计发电量为1 386 673度电，经过详细的经济计算分析表明，无论从经济评估角度、社会评估角度和环境评估角度，该系统设计方案合理。影响光伏发电系统运行的因素有很多，需要进一步的理论研究和实际调查，才能使得光伏系统处于长期稳定的运行状态，充分发挥光伏发电的社会效益和经济效益。

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(责任编辑张凯校对魏静敏)

DesignandApplicationofSmartSolarPhotovoltaicGrid-connectedSystem

ZHOU Cheng-xi

(Construction department,State Grid Liaoning Electric Power Co.Ltd,Shenyang 110004,Liaoning Province)

In this paper,the whole scheme and its constituent elements of a 45kW PV grid-connected system were designed.Meanwhile,the reasonable type selections of the important components such as the photovoltaic module,inverter and junction box were optimized.It was analyzed that the energy conservation and emission reduction effect and commercial benefits brought about by the whole system based on the 25 years′ electric energy production of the system.

Smart photovoltaic;grid-connected system;Energy conservation

2017-04-19

周承玺(1962-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.003

TM615

： A

： 1673-1603(2017)03-0204-06