3 MW屋顶分布式光伏发电系统方案设计

张世翔, 沈 英

(上海电力学院 经济与管理学院, 上海 200090)



3 MW屋顶分布式光伏发电系统方案设计

张世翔, 沈 英

(上海电力学院 经济与管理学院, 上海 200090)

利用Meteonorm软件对我国北方地区的相关自然因素进行模拟考察,依次选择最基础的光伏组件以及并网所需要的逆变器、汇流箱、变压器等器件,以一回10 kV线路T将系统发电接至电力系统.添加防雷、监控等装置,使系统运行更加安全、可靠.通过经济性研究验证,该设计方案可在预定期限内收回成本.

分布式; 光伏发电系统; 并网

目前,国内大型光伏电站并网难的问题日益凸显.分布式光伏发电将是我国今后光伏发展的重点方向.国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域.

分布式光伏的快速发展也对光伏电站的建设水平提出了新的要求,建立一个比较完善、可靠的光伏系统需要考虑资源评估、设备选择以及后期维护等多方面因素.随着技术的不断成熟,光伏并网设计成为电站建设的重要组成部分[1-2].此外,电站的经济性也成为电站评估的重要因素.分布式电站的合理设计将为我国大力发展分布式新能源提供技术保障,也将使我国未来的电力行业呈现全新的面貌.

1 太阳辐射及太阳能资源评估

本文的研究对象处于我国北方临海某省,由当地气象台查得,该地每年平均光照时间约为2 502.1 h,属于太阳能资源中等丰富地区[3-4].为获得更确切的数据,利用Meteonorm软件对项目地各指标进行初步模拟,得到数据如表1,图1,图2所示.

由以上图表可知,该地区每年5月至7月的辐射量较高,太阳辐射较低的月份分别是12月和1月,而每天的峰照小时数集中在6～8 h.根据我国的能源评估方法可知,该地辐射较强,光资源丰富,在开采应用方面有优势,适合建设光伏投资项目.

表1 研究地区的气象资料

图1 研究地区月平均太阳辐射量

图2 研究地区月峰值日照小时数

2 组件排布及运行方案设计

2.1 光伏组件的选择

在选择设备之前,本文对整体的设计流程进行了初步构想,大致的设计框架如图3所示.

光伏组件作为整个光伏系统的核心器件,主要从功率、材料等方面进行比较.目前,建设光伏电站的电池材料主要是晶体硅,而晶体硅又可分为单晶硅和多晶硅.在实际应用中,单晶硅的发电效率较高,成本也略高,但使用寿命长[5].本文选择使用单晶硅太阳能电池片作为发电器件.

图3 整体设计框架

2.2 单晶硅光伏组件的选择

考虑到计划装机总容量为3 MW,需要组件数目较多,在安装时工作任务也较大,因此优先选用大功率光伏组件.此外,从经济角度分析,单晶硅功率越大,价格越高,每瓦价格差约为5元.275 W和280 W单晶硅组件的电气参数如表2所示.由表2可以看出,两种组件的性能参数相差不大,本文选用275 W单晶硅组件.

2.3 光伏方阵的运行方式

为了减小占地面积,合理利用土地,选择将单晶硅电池板安排在厂区屋顶上,从正南方向顺着彩钢屋面坡度(0.5%)安装.由于安装倾斜度均相同,因此不存在因组件之间相互遮挡而影响发电量的情况,采用固定式安装[6].考虑到以后器件的日常检查以及定期维护,以24块组件为一个单元,采用4×6的形式排布,每两块组件间距为0.02 m,过道间距为2.5 m,最后总的占地面积约50 000 m2.

2.4 逆变器的选择

本设计共分为3个发电单元,其中1#发电单元共布置4 940块275 W组件,合计安装功率为1 358.5 kW.此时,集中型逆变器拟采用两台630 kW的并网逆变器[7].2#发电单元共布置4 680块275 W多晶硅组件,合计安装功率1 287 kW,选择两台630 kW大小的集中型并网逆变器.3#发电单元共布置1 700块275 W组件,合计安装功率467.5 kW,选用一台额定功率为500 kW的逆变器.

表2 光伏组件的电气参数

2.5 光伏方阵的串并联设计

本文计划总安装容量为3 MW,因此需要电池板的数量最少为N=3 000 000/275≈10 909(块),考虑到组件实际发电效率以及屋面的面积,最终计划安装组件数11 320块,安装功率为3.11 MW[8].

由于安装功率较大,采用分单元发电再集中并网的模式.根据选用的逆变器型号,最大阵列开路电压均为1 000 V,MPPT电压范围为460～850 V[8].设每一个光伏方阵的串联组件数为S,最多可以串联的组件数目为Smax,最少必须要串联的组件数目为Smin.

光伏组件的开路电压为38.6 V,工作电压基本稳定在32.74 V,电压温度系数为-0.41%,研究所在地的极端最低气温为-18.5 ℃,则有:

(1)Smax=850/32.74/[1+(-18.5-25)×(-0.41%)]=22.03块,取22块;

(2)Smin=460/32.74/[1+(85-25)×(-0.41%)]=18.63块,取19块;

(3)S′=1000/38.6/[1+43.5×0.0041]=21.98块,取21块.

由此可见,当组件串联数19≤S≤21时,满足并网逆变器的`MPPT范围.综合考虑方阵布置的合理性,选用20块光伏组件串联.

3 电气一次设计

3.1 电气一次接线

光伏电池板分别经直流汇流箱、逆变器和10 kV干式升压变压器后接入厂内新建的10 kV配电装置;采用分散发电集中并网的方式,共采用11 320块275 W单晶硅组件,合计安装功率3.113 MW.经一10 kV汇集线路接入厂区新建10 kV开关站,最后以一回10 kV线路T接至市政电网[9-10].

光伏电站一次侧主要电气设备包括两台630 kW,10.5×2.5%/0.315/0.315 kV箱式升压变电站,一台500 kW,10.5×2.5%/0.315/0.315 kV箱式升压变电站,以及无功补偿成套装置、站用电、低压配电柜等.

3.2 主要设备选择

系统中组件串联数目为20个,考虑到如果单个汇流箱路数太多容易引起火灾等事故,故汇流箱最大数目尽量不超过16路.本文主要选用16路、12路、10路3种汇流箱.

为补偿在站内消耗的无功功率,在配电站10 kV母线上配置一台容量为-0.5～+1 MW的无功补偿装置(采用SVG装置)[11-12].

在10 kV开关站内各设置一台30 kW所用变柜,每个箱式逆变器房、箱式升压站房内各设一个低压配电箱,电源由各自内部解决,无需供电.

电站直流控制电源系统设置一套220 V,50 A的蓄电池组(组屏安装),一套充电/浮充电装置和一套充放电设备,采用单母线接线方式连接;蓄电池和充电/浮充电装置分别连接在控制母线上.为检测系统的绝缘能力,在控制母线上安装微型监测装置.在各个10 kV开关站分别设置一套5 kW交流不间断电源系统,对监控及保护系统提供必要的交流电源.

3.3 电气设备布置

将直流防雷汇流箱按区域分别就近安装在光伏阵列旁的屋面上.

每个光伏发电单元区域设置一套箱式升压站房,分别放置逆变器及升压变压器设备.逆变器室的通讯及数据采集装置和配电箱均为壁挂式.全厂共3个发电单元,分散布置在道路旁边并靠近光伏阵列.

3.3.1 防雷设计

(1) 直击雷保护 光伏电池组件不设专门的避雷针(线)保护,电池组件边框均为金属材质,利用屋顶原有的防雷接地装置,可有效地实现直击雷保护[13].为强化雷电流散效果,将组件支架进行可靠连接,并采用自然接地体与人工水平接地体相结合的方式做全厂等电位连接.

(2) 配电装置的雷电侵入波保护 为阻止雷电侵入造成系统故障,在设计时安装避雷器.主要采用无间隙氧化锌材料避雷器,可以保护系统在雷击时过电压不受影响.

3.3.2 接地

光伏发电板采用屋顶固定支架的方式,屋面组件的接地系统首先考虑利用建筑物原有的防雷接地系统.安装完毕后现场实测,如果不满足要求,则围绕厂区设计接地环网,将逆变器室和10 kV配电室保护室的电气设备接入接地环网.

逆变器周围应设接地网,水平接地体敷设于室外深0.8 m处,水平均压带敷设于室外深0.8 m处,垂直接地体敷设间距应≥5 m.

垂直接地体的具体位置和数量可视逆变器周围的场地环境及土壤情况来确定,其数量一般不少于5根.水平接地体在逆变器基础周围要形成闭合环网;垂直接地体顶端与水平接地体、水平均压带应焊接牢固;引线上端接至需要接地的设备底座、支架上;电气设备底座和支架应按接地规程的要求可靠接地.

3.4 监控及保护系统

采用微机监控系统,使其与继电保护、逆变器室通讯及数据采集装置等构成一个分层分布系统,在监控室内设一台操作员站.监控系统主要用于采集一些实时运行数据和某些工作状态,以便系统更好地工作.

4 光伏电站发电量及发电效率

4.1 光伏电站发电量计算

光伏电站某一时间段的发电量W为:

(1)

式中:P——光伏电站所有组件的峰值功率之和;

h——某一时间段;

η——该段时间内光伏系统的平均效率.

4.2 光伏发电系统效率

光伏电站的系统效率主要取决于整个发电过程中各个部分的损失.本文所涉及的损失部分如下:相对投射率损失为2.6%;弱光损失为0.5%;温度损失为4%;污秽损失为2.7%;逆变器损失为2%;组件不匹配损失为4%;逆变器出口至并网点损失为2.3%;系统可利用率损失为99%;系统效率损失为80.7%.

4.3 年发电量计算

利用Meteonorm软件模拟得到该地区年太阳辐射量为1 417 kWh/m2,则年峰值日照小时数t的计算式为:

(2)

式中:H——斜面年总太阳辐射; T0——标准太阳辐射强度,1 000 W/m2(电池组件标准测试条件).

由于η=80.7%,计算得出首年发电量为3.408×106kWh.根据本项目所选的光伏组件产品质量保证书的功率曲线,第1年光伏组件输出功率衰减率为2.7%,以后每年输出功率平均衰减0.7%,则可以得到25年后本光伏电站总发电量为7.688 95×107kWh,平均年发电量为3.075 6×106kWh.

5 投资估算和经济性分析

5.1 投资估算

光伏电站的投资主要包括设备材料的采购、建筑安装工程及投入的其他费用.主要设备的价格如下:单晶硅组件为4.2元/W;逆变器为0.27元/W.其他费用按照以往的工程经验估算.

本设计拟总投资2 550万元,静态投资2 120万元,动态投资2 400万元.主要包括设备以及安装工程费1 785万元;建筑工程费233.2万元;施工辅助工程费212万元;其他费用319.8万元.根据以上结果估算,该屋顶分布式光伏发电站的建设成本为8.5元/W.

5.2 发电收益计算

就我国现有的政策以及发展水平来看,光伏发电并网主要分为3种方式,即用户全部自发自用、发电全部上网以及自发自用、余电上网.考虑到研究地区实际的太阳辐射以及用户用电情况,选用自发自用、余电上网模式.在该模式下,其发电量收益计算公式为:(自发自用的电量×当地电价+上网电量×卖电价+补贴)×全部发电量.

经核算该工厂每天用电量约占发电量的20%,其余发电量全部用于并网.该地分布式光伏发电国家补贴为0.42元/kWh,大工业用电电价为0.647 4元/kWh,脱硫燃煤收购电价为0.372 9元/kWh.分布式光伏发电国家补贴年限为20年,经计算,本电站20年发电总量为6.258 72×107kWh,由发电量收益公式可得:光伏电站总收益=(0.2×0.647 4+0.42+0.8×0.372 9)×6 258.72=5 306.14(万元),所以平均每年获得收益为265.31万元.

静态投资回收期为:初始投资总额/年收益=2 550/265.31=9.61 a.电站可以在预期内收回成本,具有良好的盈利能力,说明设计方案财务评价可行,具有较好的开发价值,可投入实际工程应用[14-18].

经过初步设计和审核,目前该项目已进入实际施工应用阶段,经过一段时间的考察记录,其后期效益与预期相差不大.

6 结 论

本文设计了一个3 MW的光伏并网系统.根据原理以及实际情况,共安装275 W光伏组件11 320块,固定安装在彩钢瓦屋顶上,并以此确定了其他器件的容量大小.该设计在环境保护和经济收益方面都有较高的应用价值.通过估算可知,系统可在10年内收回成本,投资周期不算太长;屋顶式光伏发电单晶硅能源偿还时间约为2.5～3年,时间较短,效益较高.由于前期投资较大,因此一般以国家或大型公司为主导建设,个体用户可选择比较小型的光伏系统.

[1] WENHAM S R.应用光伏学[M].上海:上海交通大学出版社,2008:3-7.

[2] 杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009:2-5.

[3] 申彦波,赵宗慈,石广玉.地面太阳辐射的变化、影响因子及其可能的气候效应最新研究进展[J].地球科学进展,2008,23(9):915-923.

[4] 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:56-69.

[5] 蒋华庆.光伏设备选型及设计特点[J].电气应用,2012,31(1):15.

[6] 山海建,蒋侃锁.固定式光伏支架设计[J].黑龙江科技信息,2011(19):25.

[7] 苏娜.光伏逆变器地电流分析与抑制[D].杭州:浙江大学,2012.

[8] 刘树民.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京:科学出版社,2006:17-28.

[9] 吴理博,赵争鸣,刘建政,等.单级式光伏并网逆变系统中的最大功率跟踪算法稳定性研究[J].中国电机工程学报,2006,26(6):73-77.

[10] 屈桂银,文卉,李平,等.电力系统模拟实验装置一次主接线安装核相技术[J].实验技术与管理,2006,23(2):41-42.

[11] DELINE C,MEYDBRAY J,DONOVAN M,etal.Photovoltaic shading testbed for module-level power electronics[J].Contract,2012,35(4):75-81.

[12] 张彦昌,石巍.大型光伏电站集电线路电压等级选择[J].电力建设,2012,33(11):7-10.

[13] 苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M].北京:中国电力出版社,2003:97-114.

[14] 张杰,胡媛媛.大规模光伏电站的防雷评估及雷击风险管理[J].通信电源技术,2011,28(2):13-18.

[15] 李晓伟.3 kW分布式光伏发电并网系统的设计及综合效益分析[D].泰安:山东农业大学,2015.

[16] SCHAEFER J C.Review of photovoltaic power plant performance and economics[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,1990,5(2):232-238.

[17] 苏剑,周莉梅,李蕊.分布式光伏发电并网的成本/效益分析[J].中国电机工程学报,2013,33(34):1-5.

[18] MOHARIL R M,KULKARNI P S.Reliability analysis of solar photovoltaic system using hourly mean solar radiation data[J].Solar Energy,2010,84(4):691-702.

(编辑 白林雪)

A Photovoltaic Roof Distributed Design of 3 MW on a Factory in the North Area of China

ZHANG Shixiang, SHEN Ying

(SchoolofEconomicsandManagement,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Meteonorm is used to investigate the natural factors of the researched area before building the whole system.Photovoltaic modules,grid needed inverter,junction box,transformers and other major components are chosen.The electricity is connected to the electricity power system by one 10kV line T.The design of lightning protection devices and monitoring enable the system operation to be more reliable and safe.And finally the whole system is analyzed from the persective of economy.This design can recover the cost before the scheduled period and is feasible.

distributed; photovoltaic power generation system; interconnection

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.005

2016-07-27

张世翔(1979-),男,博士后,教授,安徽巢湖人.主要研究方向为能源经济与管理,能源互联网,智能电网与新能源.E-mail:zsxwh@126.com.

中国工程院咨询研究重点项目(2016-XZ-29);上海市教育委员会科研创新重点项目(14ZS146);上海市哲学社会科学规划课题(2013BGL016);上海高校人文社会科学重点研究基地建设项目(WKJD15004).

TM615

A

1006-4729(2017)03-0234-05