20MWp并网光伏发电站项目系统总体设计方案.docx
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20MWp并网光伏发电站项目系统总体设计方案
20MWp并网光伏发电站项目系统总体设计方案
1.1阵列单元光伏电池组件选择
光伏发电系统通过将大量的同规格、同特性的太阳能电池
组件,经过若干电池组件串联成一串以达到逆变器额定输入电
压,再将这样的若干串电池板并联达到系统预定的额定功率。
这些设备数量众多,为了避免它们之间的相互遮挡,须按一定
的间距进行布置,构成一个方阵,这个方阵称之为光伏发电方
阵。
其中由同规格、同特性的若干太阳能电池组件串联构成的
一个回路是一个基本阵列单元。
每个光伏发电方阵包括预定功
率的电池组件、逆变器和低压配电室等组成。
若干个光伏发电
方阵通过电气系统的连接共同组成一座光伏电站。
(1)太阳能电池分类
太阳电池种类繁多,形式各样,按基体材料分类主要有以
下几种:
a)硅太阳电池:
主要包括单晶硅(SingleCrystaline-Si)
电池、多晶硅(Polycrystaline-Si)电池、非晶硅(Amorphous-Si)
积,所以适合于荒漠区大型并网光伏电站和聚焦型光伏电
站,而国内的配套政策支持力度不足,大型高压并网光伏电
站项目较少,因此国内跟踪装置生产商的研发投入较少,目
前还未实现产业化生产,造成跟踪装置价格相对较贵,反过
来又制约了跟踪装置在大型高压并网光伏电站上的使用。
根据已建工程调研数据,若采用斜单轴跟踪方式,系统
实际发电量可提高约18%,若采用双轴跟踪方式,系统实际
发电量可提高约25%O在此条件下,以固定安装式为基准,
对IMWp光伏阵列采用三种运行方式比较如表5-3o
表4.3IMWp阵列各种运行方式比较表
项目
固定安
装式
水平单轴
跟踪
斜单轴跟
踪
双轴跟踪
发电量增加百分
比(%)
100
115
120
125
占地面积(万m2)
2.4
3.2
1.8
5.0
直接投资增加百
100
111
114
122
分比(%)
运行维护
工作量
小
有旋转机
构,工作
量较大
有旋转机
构,工作
量大
有旋转机
构,工作
量更大
支撑点
多点支
撑
多点支撑
多点支撑
单点支撑
抗大风能力
迎风面
积固定,
抗风较
差。
风大时可
将板面调
平,抗风
较好。
风大时可
将板面调
平,抗风
较好。
风大时可
将板面调
平,抗风
较好。
由表中数据可见,固定式与自动跟踪式各有优缺点:
固
定式初始投资较低、且支架系统基本免维护;自动跟踪式初
始投资较高、需要一定的维护,但发电量较倾角最优固定式
相比有较大的提高,假如能很好的控制后期维护工作增加的
成本,采用自动跟踪式运行的光伏电站单位电度发电成本将
有所降低。
若自动跟踪式支架单价能进一步降低,同时又较
好解决阵列同步性及减少维护工作量,则自动跟踪式系统相
较固定安装式系统将更有竞争力。
经对固定式和跟踪式两种运行方式的初步比较,考虑到
本工程规模较大,固定式初始投资较低、且支架系统基本免
维护;自动跟踪式虽然能增加一定的发电量,但目前初始投
资相对较高、而且后期运行过程中需要一定的维护,运行费
用相对较高,另外电池阵列的同步性对机电控制和机械传动
构件要求较高,自动跟踪式缺乏在场址区或相似特殊的气候
环境下的实际应用的可靠性验证,在我国气候环境较复杂的
山地地区大规模应用的工程也相对较少,同时国内技术成熟
可靠稳定的跟踪系统生产厂家相对较少。
因此,本工程推荐
选用固定式运行方式。
122光伏发电方阵容量的选择
采用光伏发电方阵布置方式,具有电池板布局整齐美
观,厂区分区明确,设备编号和管理方便,运行和检修吹扫
方便等优点。
由于本工程建设规模较大,拟以每IMWp容量电池板为
-个方阵,共20个方阵,每个方阵相应设置一个315V逆变器
室。
单个光伏方阵容量为整个光伏电站1%容量,单个光伏
方阵故障或检修对整个光伏电站的运行影响较小。
如每方阵电池板容量小于IMWp,则会增加低压配电装
置、低压变压器和低压配电室数量,引起投资增加。
如每方阵电池板容量按IMWp考虑,贝ij1MWp容量固定
安装电池板布置面积将达到约215x150米,将配电室布置方
阵中部,最长的低压直流电缆将达到150-200余米长,接近低
压输电经济长度极限。
故以每IMWp容量电池板为一个方阵方案具有降低工
程造价、便于运行管理、电池板布局整齐美观等优点。
1.2.3光伏方阵单元型式的确定
根据建站地区纬度,并网太阳能系统的太阳能板倾角按
32度考虑。
电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、开路电
压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压的影响
来分析:
根据建站地区纬度,并网太阳能系统的太阳能板倾角按
34度考虑。
电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、
开路电压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压
的影响来分析:
在光伏方阵中,同一光伏组件串中各光伏组件的电性能
参数宜保持一致,光伏组件串的串联数参照GB50797-2012
《光伏发电站设计规范》按下列公式计算:
y
NV
一顷EE(6.1.2-1)
Vt.V
mpptmin V/w,x[l+(/*-25)x7C;]"一*,乂1+(-25)'5「 (6.1.2-2) 式中: K、—光伏组件的开路电压温度系数; K〉——光伏组件的工作电压温度系数; N——光伏组件的串联数(N取整); ,——光伏组件工作条件下的极限低温(°C); 「——光伏组件工作条件下的极限高温(°C); 匕_—逆变器允许的最大直流输入电压(V); 岭gx逆变器MPPT电压最大值(V); Vgmin逆变器MPPT电压最小值(V); 4——光伏组件的开路电压(V); L——光伏组件的工作电压(V)。 本项目初步选用500kW容量的逆变器,其最大直流输 入电压为DC1000V,电压跟踪范围为450V〜820V。 结合项 目地气象资料,项目地多年极端最高气温40°C,项目地多年 极端最低气温-15°C,计算项目地组件串并联数如下: 一、多晶255Wp组件 式中: Y—光伏组件的开路电压温度系数,取值 ・0.33%/°C; H——光伏组件的工作电压温度系数,采用组件开路电 压温度系数值替代,取值-0.33%/°C; N——光伏组件的串联数(N取整); /——光伏组件工作条件下的极限低温(°C),取值.15°C; 〃——光伏组件工作条件下的极限高温(°C),取值40°C; 吮皿—逆变器允许的最大直流输入电压(V),取值 1000V; ——逆变器MPPT电压最大值(V),取值850V; ——逆变器MPPT电压最小值(V),取值500V; ——光伏组件的开路电压(V),取值37.6V; 1——光伏组件的工作电压(V),取值30.04Vo n<1229 由公式(6.1.2-1)计算得出: 37.6x[I+(-32-25)x(-0.33%)], 即N<22. 再由公式(6.1.2-2)计算得出: r? 22 30.04x[l+(37.7-25)x(-0.33%)]30.04x[1+(―32-25)x(-0.33%)] 18<2V<23 因此,综合分析如选用多晶硅255Wp光伏组件,光伏组 串数应取值在\心<22满足电气设备工作要求,同时为减小 投资,项目拟采用20块为一串进行串联。 根据电池组件的串联得出20MWp多晶硅方阵区域,单 台500kW逆变器接入的太阳能电池组件的并联组串数约为 93串。 固定阵列布置方式以IMWp为一个基本发电单元,共 20个基本发电单元。 每20块电池组件组成一个太阳能电池 组串,每块电池组件竖向放置,排成2行10列,布置在一 个固定支架上。 支架采用固定式安装,安装倾角为34°,方 位角为0。 。 本项目光伏电站20MWp多晶硅单元方阵区域,需要多晶 硅电池组件数量78440块,项目合计装机容量20MWpo 124光伏组件串的排布 一个光伏组件串单元中光伏组件的排列方式有多种,但 是为了接线简单,线缆用量少,施工复杂程度低,在工程计 算的基础上,结合项目地形对255Wp多晶硅组件进行排列, 方案采用上下两排2X10纵向排布。 1.2.5防雷汇流箱设计 汇流箱的选型主要技术指标为: 绝缘水平、电压、温升、 防护等级、输入输出回路数、输入输出额定电流等,并应具 备防雷保护、防逆流及过流保护、隔离保护等保护功能,设 置相应监测装置,确保防腐、防锈、防暴晒,防护等级不低 于IP54。 按照项目地的环境温湿度、污秽等级等环境条件进 行校验确定。 在大型光伏发电系统中,太阳电池组串数量大、电流小, 因此需在阵列中设置汇流箱进行一次汇流,以减少直流电缆 用量,降低直流损耗,提高系统效率,降低发电成本。 本工 程选用16路、12路规格的汇流箱,汇流箱具有以下性能特 占. 八、、. (1)户外壁挂式安装,防水、防锈、防晒,满足室外 安装使用要求; (2)可接入16路(12路)输入,每回路设15A的光 伏专用高压直流熔丝进行保护,其耐压值为1000V; (3)配有光伏专用防雷器,正负极都具备防雷功能; (4)直流输出母线端配有可分断的直流断路器; (5)汇流箱内配有监测装置,可以实时监测每个输入 输出回路的直流电流; (6)配有标准RS485通讯口,可与电站计算机监控系 统通讯。 汇流箱技术性能,见表5.2-1o 表1.2-1汇流箱主要性能指标表 序 号 名称 指标参数 备注 1 回路数 16路(进) 1路(出) 12路 (进) 1路(出) 2 额定电压 DC1000V DC1000V 3 支路熔断 器额定电 流 12A 12A 4 输出断路 器额定电 流 200A 160A 直流塑壳断路器选 用光伏专用直流断 路器。 5 电缆连接 插头 12A 12A 含正负极插头,设 备应配备与进线插 接头配套的连接插 头 6 保护功能 防雷、防逆流及过流、 隔离保护等 7 防护等级 不低于IP54 汇流箱布置方案: 汇流箱是光伏组件串并联汇集的关键装置,不同路数汇 流箱的布局应结合子方阵总体线路压降损耗的控制、输入输 出电缆的敷设路径并兼顾各汇流区内不同光伏组件串的容 量均衡。 总的来说,一方面降低电缆直埋敷设时的土建量, 节省实施费用;另一方面尽量消除光伏组件串及不同汇流区 间的匹配差异性,降低线路不合理压降损失,提高发电效率。 本项目在场站规划设计方面充分考虑各太阳能电池组 串之间走线,以及各组串线路汇至汇流箱的走线问题,考虑 各组串至汇流箱线缆主要为横向在支架间跨越,跨越困难, 尤其各组串线缆为4mn? 光伏专用电缆,无保护的金属铠, 不能直接地埋,但是作为行间跨越又太远,因此设计每行方 阵布置1台汇流箱,各汇流箱成列布置并在其下开挖电缆沟 (汇流箱出线电缆沟)。 因此具有如下优点: 各组串至汇流箱走线为列间跨越,仅跨越东西列间空 隙,而无南北向行间跨越,安装容易、美观; 汇流箱至一体化逆变器房的电缆敷设所采用电缆沟较 少,且走线规律,既降低了施工成本、又便于施工; 汇流箱安装位置规律,便于施工。 (3)子方阵直流电缆敷设方案 光伏发电系统线缆敷设工程量大,相应土建开挖量也是 除支架基础外最大的部分,对发电系统的效率、工程投资和 建设工期都有很大影响。 结合本工程总平面布置方案,在减 少地表扰动,做到环境保护和节省投资同行并重的前提下, 电池、微晶硅(|ic・Si)电池以及HIT电池等。 b)化合物半导体太阳电池: 主要包括单晶化合物电池如 碑化铉(GaAs)电池、多晶化合物电池如铜锢铉硒(CIGS) 电池、石帝化镉(CdTe)电池等、氧化物半导体电池如Cr2O3 和FezCh等。 c)有机半导体太阳电池: 其中有机半导体主要有分子晶 体、电荷转移络合物、高聚物三类。 d)薄膜太阳电池: 主要有非晶硅薄膜电池(a-Si)、多 晶硅薄膜电池、化合物半导体薄膜电池、纳米晶薄膜电池等。 目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体 硅材料制造的,随着晶体硅太阳能电池生产能力和建设投资力 度的不断增长,一些大型新建、扩建项目也陆续启动,同时薄 膜太阳能电池项目的建设也不断扩大,产能也在不断上升,薄 膜电池中非晶硅薄膜电池所占市场份额最大。 (2)太阳能电池技术性能比较 受目前国内太阳电池市场的产业现状和技术发展情况影 响,市场上主流太阳电池基本为晶硅类电池和薄膜类电池。 对子方阵直流线缆敷设提出以下方案: a)支架单元上光伏组件串内部接线部分: 利用组件自带 的光伏专用电缆(含MC4接头)采用直接插拔式连线安装, 线缆绑扎固定在支架榇条的凹槽内; b)同一个汇流区内光伏组件串出线部分: 位于东西向 同一排支架上组串单元,需跨东西向支架间隔敷设的连接电 缆均采用穿管架空的方式布置;汇流区内各组串单元的出线 需跨越方阵南北向间距进入汇流箱的线路,采用同一路径同 沟直埋敷设。 c)汇流箱出线部分: 结合汇流箱分布位置,直流电缆先 采用同一主干路径就近共沟、直埋敷设,尽量减少分支走向 上电缆直埋量,避免与光伏组件串汇流电缆的交叉;再接入 一体化逆变器房,所有过路电缆均采用金属套管加以防护。 1.4逆变器的选择 1.1.1逆变器的技术指标 作为光伏发电系统中将直流电转换为交流电的关键设 备之一,其选型对于发电系统的转换效率和可靠性具有重要 作用。 结合《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》的 及其它相关规范的要求,在本工程中逆变器的选型主要考虑 以下技术指标: (1)单台容量大 对于大中型并网光伏电站工程,一般选用大容量集中型 并网逆变器。 目前市场的大容量集中型逆变器额定输出功率 在lOOkW〜1MW之间,通常单台逆变器容量越大,单位造价 相对越低,转换效率也越高。 本期工程系统容量为20MWp, 从初期投资、工程运行及维护方面考虑,若选用单台容量小 的逆变器,则逆变器数量较多,初期投资相对较高,系统损 耗大,并且后期的维护工作量也大;在大中型并网光伏电站 工程中,应尽量选用单台容量大的并网逆变器,可在一定程 度上降低投资,并提高系统可靠性;但单台逆变器容量过大, 则故障时对发电系统出力影响较大。 因此,在实际选型时, 应全面综合考虑。 (2)转换效率高 逆变器转换效率越高,则光伏发电系统的转换效率越 高,系统总发电量损失越小,系统经济性也越高。 因此在单 台额定容量相同时,应选择效率高的逆变器。 本工程要求大容量逆变器在额定负载时效率不低于 98%,在逆变器额定负载10%的情况下,也要保证95%(大 功率逆变器)以上的转换效率。 逆变器转换效率包括最大效 率和欧洲效率,欧洲效率是对不同功率点效率的加权,这一 效率更能反映逆变器的综合效率特性。 而光伏发电系统的输 出功率是随日照强度不断变化的,因此选型过程中应选择欧 洲效率高的逆变器。 (3)直流输入电压范围宽 太阳电池组件的端电压随日照强度和环境温度变化,逆 变器的直流输入电压范围宽,可以将日出前和日落后太阳幅 照度较小的时间段的发电量加以利用,从而延长发电时间, 增加发电量。 如在落日余晖下,辐照度小电池组件温度较高 时电池组件工作电压较低,如果直流输入电压范围下限低, 便可以增加这段时间的发电量。 (4)最大功率点跟踪 太阳电池组件的输出功率随时变化,因此逆变器的输入 终端电阻应能自适应于光伏发电系统的实际运行特性,随时 准确跟踪最大功率点,保证光伏发电系统的高效运行。 (5)输出电流谐波含量低,功率因数高 光伏电站接入电网后,并网点的谐波电压及总谐波电流 分量应满足GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的规 定,光伏电站谐波主要来源是逆变器,因此逆变器必须采 取滤波措施使输出电流能满足并网要求。 要求谐波含量低于 3%,逆变器功率因数接近于1。 (6)具有低电压耐受能力 《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中要求大 型和中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常的能力,避免 在电网电压异常时脱离,引起电网电源的损失。 这就要求所 选并网逆变器具有低电压耐受能力,具体要求如下: a)光伏电站必须具有在并网点电压跌至20%额定电压时 能够维持并网运行Is; b)光伏电站并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额 定电压的90%时,光伏电站必须保持并网运行; c)光伏电站并网点电压不低于额定电压的90%时,光伏 电站必须不间断并网运行。 (7)系统频率异常响应 《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中要求大 型和中型光伏电站应具备一定的耐受系统频率异常的能力, 逆变器频率异常时的响应特性至少能保证 光伏电站在表5-6所示电网频率偏离下运行。 表4.6大型和中型光伏电站在电网频率异常时的运行时间 要求 频率范围 运行要求 低于48Hz 视电网要求而定 48Hz〜49.5 Hz 每次低于49.5Hz时要求至少能运行lOmin 49.5Hz〜50. 2Hz 连续运行 50.2Hz〜50. 5Hz 每次频率高于50.2Hz时,光伏电站应具备能 够连续2min的能力,同时具备0.2s内停止 向电网线路送电的能力,实际运行时间由电网 调度机构决定;此时不允许处于停运状态的光 伏电站并网。 高于50.5Hz 在0.2s内停止向电网线路送电,且不允许处 于停运状态的光伏电站并网。 (8)可靠性和可恢复性 逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时 过载能力,如在一定程度过电压情况下,光伏发电系统应正 常运行;过负荷情况下,逆变器需自动向光伏电池特性曲线 中的开路电压方向调整运行点,限定输入功率在给定范围 内;故障情况下,逆变器必须自动从主网解列。 系统发生扰动后,在电网电压和频率恢复正常范围之前 逆变器不允许并网,且在系统电压频率恢复正常后,逆变 器需要经过一个可调的延时时间后才能重新并网。 (9)具有保护功能 根据电网对光伏电站运行方式的要求,逆变器应具有交 流过压、欠压保护,超频、欠频保护,防孤岛保护,短路 保护,交流及直流的过流保护,过载保护,反极性保护, 高温保护等保护功能。 (10)监控和数据采集 逆变器应有多种通讯接口进行数据采集并发送到主控 室,其控制器还应有模拟输入端口与外部传感器相连,测量 日照和温度等数据,便于电站数据处理分析。 1.1.2逆变器的 选型 通过对逆变器产品的考察,各厂家提供的逆变器技术参 数均满足国家电网发展[2009]747号《国家电网公司光伏电 站接入电网技术规定》(试行)的要求。 根据前述选型原则, 结合场址区实际气候、海拔等特性,并考虑本工程所选的太 阳电池组件与逆变器的匹配性,尽量降低投资的前提下,经 对比分析,故本工程推荐选用500kW/台的逆变器,拟采用合 肥阳光SG500MX光伏并网逆变器,其主要技术参数见表 5.4-1o 表1.5.1选用逆变器主要技术参数 序号 名称 技术参数 1 逆变器型号 SG500MX 2 隔离方式 无变压器隔离 3 直流侧参数 3.1 最大直流电压 lOOOVdc 3.2 最大功率电压跟 踪范围 460Vdc~1000Vdc 3.3 推荐最大直流功 率 550kWp 3.4 最大输入电流 1100A 3.5 最大输入路数 16路 4 交流侧参数 1.1 额定输出功率 500 1.2 额定输出电压和 频率 三相315Vac、50Hz 1.3 允许电网电压 270Vac-350Vac 1.4 输出频率范围 47Hz〜51.5Hz 1.5 额定电网电压 315Vac 1.6 输出电流波形畸 变率 <3%(额定功率) 1.7 功率因数 自动运行模式M0.99(额定功率) 调节控制模式: -0.95〜+0.95 1.8 最大交流输出电 流 1100A 5 系统参数 5.1 最大效率 98.80% 5.2 欧洲效率 98.40% 5.3 防护等级 IP20 5.4 夜间自耗电 <100W 5.5 运行自耗电 <2kW 5.6 允许运行环境温 度 -30°C〜+55°C 5.7 散热方式 风冷 5.8 允许相对湿度 0-95% 5.9 要求电网形式 IT电网 5.10 自动投运条件 直流输入及电网满足要求,逆变器 将自动运行 5.11 断电后自动重启 时间 5min 5.11 允许最高海拔 6000m(超过3000m需降额使用) 5.12 低电压穿越 有 5.13 显示与通讯 触摸屏RS485通讯接口 5.14 断电后自动重启 时间 5min 6 机械参数 6.1 外形尺寸(宽x高 X深) 1606x860x2034 6.2 净重 2100kG 7 相关认证 金太阳认证、TUV认证 1.1.3并网逆变器系统设计方案 合理的逆变器配置方案和合理的电气一次主接线对于 提高太阳能光伏系统发电效率,减少运行损耗,降低光伏并 网电站运营费用以及缩短电站建设周期和经济成本的回收 期具有重要的意义,合理的电气一次主接线可以简化保护配 置、减少线路损耗、提高运行可靠性。 根据工程实际情况,考虑到未来工程扩建的需要以及国 内外大型并网发电系统的成功案例,在电气线路上将 20MWp分成20个独立的IMWp系统。 并网逆变器的选择可 a)晶体硅太阳电池 单晶硅电池是发展最早,工艺技术也最为成熟的太阳电 池,也是大规模生产的硅基太阳电池中,效率最高的电池,目 前规模化生产的商用电池效率在14%〜20%,曾经长期占领最 大的市场份额;规模化生产的商用多晶硅电池的转换效率目前 在13%〜15%,略低于单晶硅电池的水平。 和单晶硅电池相比, 多晶硅电池虽然效率有所降低,但是生产成本也较单晶硅太阳 电池低,具有节约能源,节省硅原料的特点,易达到工艺成本 和效率的平衡,目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电 池。 b)薄膜类太阳电池 薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底 或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。 在薄膜类电 池中,非晶薄膜电池所占市场份额最大。 其主要具有如下特点: 1用材少,制造工艺简单,可连续大面积自动化批量生产, 制造成本低; 2制造过程消耗电力少,能量偿还时间短; 以采用250kW和500kW两种类型,构成两种系统设计方案。 第一种方案,本工程由20个IMWp的并网光伏发电单 元构成,每1MWp并网光伏发电单元由4台250kW并网逆 变器及太阳能方阵组成。 并网逆变器输出0.315kV三相交流。 第二种方案,本工程由20个IMWp的并网光伏发电单 元构成,每IMWp并网光伏发电单元由2台500kW并网逆 变器及太阳能方阵组成。 并网逆变器输出0
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