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AGRICULTURALUNIVERSITYOFHEBEI全日制硕士专业学位（毕业）论文屋顶光伏发电系统并网的研究学位申请人：侯朝晖指导教师：黄丽华教授学位名称：工程硕士研究领域：农业工程授予单位：河北农业大学答辩日期：二〇_五年五月三十一日 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北•农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：侧务签字日期：年#月屮日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库讲行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：签字円期：K年{月昝H签字n期:>./土年彡月曰学位论文作者毕业后去向：工作单位：电话：通讯地址:邮编: 分类号：TM615单位代码：10086密级：公开学号：20139090592屋顶光伏发电系统并网的研究ResearchRooftopPhotovoltaicSystemandNetwork学位申请人：侯朝晖指导教师：黄丽华教授学位名称：工程硕士研究领域：农业工程授予单位：河北农业大学答辩日期：二〇一五年五月三十一日 摘要近年来，受到化石能源短缺和生态环境恶劣的影响，人们日益关注环境保护和绿色、安全、可持续能源的发展。通过减少矿物燃料的燃烧，可以减少对大气的污染，以确保能源长期稳定的供应。而要尽快解决缺电、少电地区的供电问题，就要必须落实可持续发展战略，加快可再生能源的发展，这也成为大家共同寻求出的解决方案。太阳能资源非常丰富，长久不会枯竭，太阳能发电具备很多有利之处，比如它使用寿命长、安全性高、随处可用、维护简单、无需长距离输送、运行费用少、无活动部件、无噪声、不易损坏、无需燃料、不污染环境等。由于保护生态环境逐渐受到人们的重视、矿物燃料的储量逐渐枯竭问题及常规电网具有一定的局限性，人们普遍认为，在可再生能源中，太阳能发电是技术含量最高且最有发展前途的。随着光伏产业的快速发展，光伏电池的产量也以出乎意料的增速不断上涨，而这当中用在光伏发电系统并网上的光伏电池就占了将近60%。且屋顶光伏发电并网系统在经济、灵活等方面的性能都远远比大型并网光伏电站要强，也因其方便普及，对能源和战备安全十分有利，所以得到格外重视。光伏发电并网系统主要由太阳能电池方阵、变压器、并网逆变器和计量系统组成，除了这些主要元件以外，还有一些辅助配套设施，比如电缆、汇流箱、保护设备、开关、雷击保护等，经过并网逆变器直接将电能输送至公共电网当中，且并网逆变器还具备最大功率点跟踪技术，相比之下的总的效率，并网系统要比离网的效率高大概15%左右，如果发出的电量一样，那么并网系统在成本方面要比离网的低20%以上，所以，光伏发电并网的方式将会引导并推动今后光伏发电产业的发展。经过对光伏发电系统并网的设计思路和系统配置进行深入分析，会对今后光伏能源利用率的提高有着积极的指导作用。本文通过对光伏发电系统理论的学习与研究，掌握了系统的运行原理，建立了较完整的光伏发电系统并网体系，本文通过对某研究项目所在地日照数据的统计分析，预估未来电站的发电能力，并确定光伏组件种类和型号，根据项目预期并参考各个元件参数确定了主要设备的容量、数量及安装等一系列问题，经过各方面综合因素的考虑提出了光伏阵列设计和电气设计的方案。关键词：太阳能；发电；并网；逆变器；参数 ResearchRooftopPhotovoltaicSystemandNetworkAuthor:HouZhaohuiSupervisor:Prof.HuangLihuaMajor:AgriculturalEngineeringAbstractInrecentyears,bythefossilenergyshortagesandadverseenvironmentimpact,thereisincreasingattentiontoenvironmentalprotectionandgreen,safeandsustainableenergydevelopment.Byreducingtheburningoffossilfuels,canreducethepollutionoftheatmosphere,inordertoensurelong-termandstablesupplyofenergy.Tosolvetheproblemassoonaspossiblesupplyshortage,lesselectricityarea,weshouldbetheimplementationofsustainabledevelopmentstrategiestoacceleratethedevelopmentofrenewableenergysources,ithasbecomecommontoseekoutsolutions.Solarenergyresourcesareveryrich,notlongexhausted,solarpowerhasmanyadvantages,suchasitslonglife,safe,availableeverywhere,easymaintenance,nolong-distancetransmission,lessoperatingcosts,nomovingparts,nonoise,notdamaged,nofuel,nopollution.Becauseprotectingtheenvironmentgraduallyattentionhasbeenpaid,thegradualdepletionoffossilfuelreservesandtheregulargridproblemhassomelimitations,itiswidelybelievedinrenewableenergy,solarpoweristhetechnicalcontentofthehighestandmostpromising.Withtherapiddevelopmentofphotovoltaicindustry,thephotovoltaiccellproductionisalsorisinginunexpectedgrowth,whichwereusedinphotovoltaicsystemsandphotovoltaiccellsontheInternetaccountedfornearly60%.Androoftopphotovoltaicpowergenerationsystemandnetworkperformanceintheeconomic,flexible,etc.aremuchlargerthanthegrid-connectedphotovoltaicpowerplantsstronger,butalsobecauseofthepopularityofconvenience,safetyandreadinessofenergyisverybeneficial,sogetextraattention.PVgridsystemconsistsofasolarcellmatrix,transformers,gridinvertersandmeteringsystemcomponents,inadditiontothesemaincomponents,aswellassomeauxiliaryfacilities,suchascables,combinerbox,protectiveequipment,switches,lightningprotectionandsoon,throughandinverterpowerdeliveredtothemdirectlytothepublicgridandgrid-connectedinverteralsohasamaximumpowerpointtrackingtechnology,comparedtotheoverallefficiencyandnetworksystemsthanfromhigh-efficiencynetworkprobablyabout15%,thesameasifthepowerisgiven,thenthesystemintermsofcostandnetfrommorethan20%lowerthanthenet,sothePVgrid-waywillbetoguideandpromotethedevelopmentoffuturePVindustry.Afterphotovoltaicpowergenerationsystemandnetworkdesignideasandsystemconfigurationin-depthanalysis,thefuturewillimprovetheutilizationofsolarenergyhasapositiveroleinguiding.Throughphotovoltaicsystemstheorystudyandresearch,masteredthesystemworks,theestablishmentofacompletephotovoltaicsystemandnetworksystem,thepaperthroughstatisticalanalysisofaresearchprojectsitessunshinedata,estimatesoffuturepowerplantgeneratingcapacity,determinedPVmoduletypesandmodels,and theprojectisexpectedtorefertothevariousdeviceparameterssuchasthecapacitytodeterminethenumberofmajorequipmentandinstallarangeofissues,throughacombinationoffactorstoconsiderallaspectsofproposedPVarraydesignandelectricaldesignoftheprogram.Keywords：Solarenergy;powergeneration;grid;inverters;parameters 目录1绪论.......................................................................................................................................................11.1太阳能发电系统.........................................................................................................................11.1.1太阳能发电的意义..........................................................................................................11.1.2并网光伏发电系统的发展及国内外研究现状..............................................................21.2区域太阳能资源的研究.............................................................................................................41.2.1太阳能资源分布..............................................................................................................41.2.2区域自然资源及光伏产业发展现状...............................................................................61.2.3该项目地点日照数据统计..............................................................................................91.2.4太阳能资源丰富程度的评估........................................................................................122并网光伏发电系统的组成及功能......................................................................................................142.1光伏电池板..............................................................................................................................142.1.1光伏组件的分类............................................................................................................142.1.2光伏组件特性................................................................................................................162.1.3最大功率点跟踪............................................................................................................172.2光伏并网逆变器.......................................................................................................................182.2.1简介...............................................................................................................................182.2.2逆变器选型....................................................................................................................192.3变压器......................................................................................................................................192.4计量系统..................................................................................................................................202.5光伏汇流箱..............................................................................................................................202.6电缆..........................................................................................................................................213该项目工程发电系统设计方案..........................................................................................................223.1太阳能电池的选择...................................................................................................................223.2光伏阵列的布置.......................................................................................................................223.2.1最佳安排倾角计算........................................................................................................223.2.2光伏阵列间距计算........................................................................................................233.3关于逆变器和孤岛效应...........................................................................................................233.3.1逆变器的选择与设计....................................................................................................233.3.2关于孤岛效应................................................................................................................243.4光伏方阵设计...........................................................................................................................263.5方阵接线设计...........................................................................................................................293.6计算该项目发电量...................................................................................................................294电气设计.............................................................................................................................................324.1光伏项目接入系统方案...........................................................................................................324.2电气部分..................................................................................................................................324.2.1电气主接线....................................................................................................................324.2.2主要电气设备选择........................................................................................................324.2.3防雷保护、接地保护及过电压保护设计....................................................................354.2.4电气设备布置................................................................................................................364.3光伏电站通信...........................................................................................................................374.3.1概述...............................................................................................................................37 4.3.2系统通信........................................................................................................................384.3.3站内通信........................................................................................................................384.3.4光伏阵列区内通信........................................................................................................38结论与展望.............................................................................................................................................39参考文献.................................................................................................................................................40作者简历.................................................................................................................................................43致谢.........................................................................................................................................................44 屋顶光伏发电系统并网的研究1绪论1.1太阳能发电系统该系统是用来获取太阳能的。光伏器件用于捕获太阳中的能量，并转换成电力，也就是说它们使用的是阳光能量。需要值得注意的是，太阳能发电系统与使用太阳能加热其他物质（如水）的太阳能热利用系统不同，发电系统和热利用系统不管在外表[1]上还是在运行上都有有很大的差别。1.1.1太阳能发电的意义（1）生态环境的保护越来越得到人们的关注，随着反常气候和自然灾害的频发、酸雨范围扩张、臭氧空洞扩大等现象的出现，人们逐渐认识到治理污染和保护环境迫[2]在眉睫。通过计算CO2的排放量得出了美国约为20吨/人×年，德国约为12.3吨/人×年，日本约为8.7吨/人×年，我国虽然比上述几个国家的少，但我国人口比其他国家多很多，而且能源浪费率高、能源消费结构以高污染的煤炭为主，因此备受世界关注。目前，全球每年排放的CO2就近千亿亿吨，而且在不断上涨，所以在抑制温室气体排放上[3]必须采取有效措施。（2）矿物燃料储量逐渐枯竭，而矿物燃料的储量是有限的，如果开采无节制，预计到21世纪中叶，全球的石油、天然气等矿物燃料将消耗殆尽。通过计算目前能源储量与开采速度的比例，全球石油可开采四十年左右，天然气大约六十年，煤炭可[4]供开采约二百年。目前世界的石油消费量每年约增长2%，消费量每隔35年将增加一倍，而现在世界上20%的人口消费着75%的能源，人均石油消费量上，发达国家[5]是全球最贫穷一半人口的15倍。世界卫生组织预计，到二十一世纪后半期，世界人口将超过一百亿，如果到那时每个人的矿物能源消费量都像今天发达国家的消费水平一样，那么全球矿物中的三十几种矿物的1/3将在四十年内耗尽，包括所有的煤炭、[6]石油、天然气和铀。所以，人类只有将能源结构尽快改变并且努力发展能够代替这些不可再生能源的物质，才能从根本上解决能源供应问题。（3）常规电网的局限性：目前，世界上用不上电的人大概为二十亿左右，我国大概也有五千万百姓仍过着没有电的日子，他们中的大部分人都住在经济欠发达的偏远地区，缺少供电使当地的各项发展严重滞后。交通不便和居住分散使输电线路很难[7]搭建是这些地区居民无法用电的主要原因，这些地区也成为发展光伏发电的巨大的潜在市场。为了减少矿物燃料燃烧所造成的大气污染，确保能源长期供应稳定，使无电地区供电问题尽快解决，必须实施可持续发展战略，加快可再生能源的发展。太阳能资源丰富，长久不会枯竭，在可再生能源中，太阳能发电被认为是技术含量最高、最有发[8]展前途的。全世界的机器开动一年的能量和阳光照射在地球8分钟的能量相差无几。1 河北农业大学硕士学位（毕业）论文太阳能发电具有很多优点，比如它使用寿命长、不易损坏、安全可靠、随处可用、维护简单、无需长距离输送、运行费用少、无活动部件、无噪声、无需燃料、不污染环[9]境等，是理想的新能源。据世界观察研究所报告指出：太阳能市场的增速非常快，已成为世界上发展最快的能源领域。并预言：太阳能会成为二十一世纪发展最快的工业。第二届世界太阳能光伏会议中提出了，太阳能是全球能源，太阳能发电将会在[10]2030年至2050年间超过核电。二十一世纪已成为太阳能的世纪。1.1.2并网光伏发电系统的发展及国内外研究现状电网馈送电力的太阳能发电系统即称并网光伏发电系统，光伏系统发出的电力馈[11]入电网而不是存储在蓄电池里。在这个系统里，电网作为一种储能介质，当某建筑物需要电力时，电网可以注入电力。经过二十多年来光伏发电在地面的应用，通过各国政府和企业集团的扶持，发展十分迅速。光伏电池制造技术随着发展进一步得到改进，产量不断上升，价格逐渐下降，除了运用在航标灯、铁路信号等特殊用电场合，还应用到石油管道阴极保护电源[12]系统、通信中继站等一些规模较大工业中。在缺少电力供应的村庄，人们广泛使用起了太阳能家用电源、光电水泵等进行发电，并获得良好的经济效益和社会效益。中小型太阳能光伏电站迅速增加，柴油发电机在不少地区也被替代，以上这些均属独立[13]光伏系统的应用。并网的太阳能发电系统也被推广应用在很多地区，1995年的发[14]电量为8亿KWh，到了1996年，光伏组件在全球的安装容量已超过600MW。1988[15]年以来，美国15万户的家庭可以通过安装的光伏系统满足用电需要。在1988年到1996年间的全球光伏电池组件产量平均年增长率是12.6%，1997年后的增长率增长到了30%左右。80年代初，美国、日本、德国、意大利便开始在光伏发电的并网方[16]面作出极大的努力。当时的试验结果虽然在发展相应技术方面是取得成功了，但是[17,18]由于光伏电池成本过高，缺乏经济性，以致电力公司难以接受。到了90年代，国外一些发达国家又掀起了对光伏系统并网的研发高潮，而这次研发的侧重点放在了发展“屋顶光伏并网系统”，其灵活性和经济性都比大型并网光伏电站要强许多，并[19]且普及更加方便，为战备和能源安全提供保障，所以格外受到关注。伴随屋顶计划在各国的陆续实施，光伏组件需求量迅速增长，价格也在相应地下降。美国公用光伏集团认为，与用在燃煤或天然气上的常规发电方法相比，光伏系统的安装成本一般达到$3/W时，当二者的电价相同时就可以大量进入电网。目前普遍[20]认为，当光伏系统安装成本为$3/W时，就到了与常规发电市场竞争的临界点。全球最大的石油集团之一的英国BPAmoco公司也是世界上在光伏产业上投资最多的公司，其中一家子公司生产着目前世界上效率最高的光伏组件，该公司宣布要安装400套并网光伏系统于世界各地的加油站顶棚上，总容量达3.5MW，这样每年的CO2排放量可减少3500吨，如果该项目完成，那么它将成为世界上最大的光伏单个用户。许多电力企业也将光伏应用下大力推进,萨克拉门托市政公用公司管辖区就在美国能源部的支持下建造了2个1MW光伏电站，1993年开始推出的“光伏先驱者”项目，2 屋顶光伏发电系统并网的研究每套系统容量为3～4KW，为100户志愿者屋顶上安装并网光伏系统，计划每年发展100户，将“绿色电价”贯彻实施，在2002年以前需额外多交纳约$4/月的电费，许多用户反响积极，每年有近千名用户踊跃报名参加。户用屋顶并网光伏系统在1997年底已安装超过420套，还有一些商业建筑、停车场、太阳能路灯和光伏电站也安装了此套系统，总共安装450套光伏系统，总容量达6MW。在之后的五年中又安装了近三千套屋顶并网光伏系统，总容量达10MW。洛杉矾自来水电力局（LADWp）在1998年作为第一批2KW系统用户，安装了2KW的户用屋顶光伏并网系统12套，每户平[20-25]均发电量为10KWh/天，是洛杉矾居民用电量的2/3。1998年一共推广了200套。2010年推广了10万套屋顶光伏并网系统。光伏与建筑相结合的应用，对光伏系统由乡村偏远地区进入城镇具有重要的里程[26]碑意义，其中潜在的经济价值不可限量，并已成为焦点倍受能源和建筑行业的关注。[27]“21世纪建筑”的一个特点是建筑物可产生能源，在美国，仅在建筑物上消耗的电力就占总量的2/3，所以美国提出新建建筑物要减少50%的能源消耗，并通过逐步改进，把国家现有的1500万个建筑物能耗降低30%的目标。近年来，国外光伏与建筑相结合的实施极大促进了光伏并网系统的发展，一般采用与公共电网并网的形式将光[28]伏系统安装在城镇建筑物上。并网光伏系统在节省投资的同时不再受蓄电池荷电状态的限制下，便可以将光伏系统发出的电力充分利用，而且夏季太阳辐射量最强，也[29]是用电高峰时节，此时光伏系统发电量最多，对电网还起到调峰作用。利用建筑物上的外墙空间或空置的屋顶安装光伏组件，就可以节省对土地的占用。如果打算进一步节省开支、降低造价，可以将光伏组件与建筑材料集成化，用光伏组件代替屋顶。将窗户和外墙与光伏组件相结合形成BIPV产品，既可以当建材，又能发电，一举两[30]得。我国政府也大力扶持太阳能产业的发展。我国太阳能发电产业在近20年以来长期维持着1%左右的全球市场份额。陆续出现了无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等一批发展势头迅猛、生产规模不断扩[31]大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强的公司。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经对多晶硅光伏电池进行生产或试车，光伏市场出现单晶硅和多晶硅两款[32]主打电池产品。目前，我国非多晶硅薄膜电池产业也发展迅猛，很多国内公司与国外公司合作，进行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。陆续建立了单晶硅光伏[33]电池生产厂、非晶硅太阳电池生产厂和一批太阳能电池生产厂。生产能力已达到4～4.5MW，实际销售量为2.0～2.5MW，年平均增长速度为15%～20%。在西藏已建[34]成的几座10～100KW的独立光伏电站使当地用电问题得以解决。太阳能电池在制造和应用技术的研究方面已卓有成效，产成了一批经验丰富、技术素质过硬的光伏技术研究和开发团队。本文主要针对某区域内的农业示范园项目中食用菌屋顶建设的光伏发电站进行光伏发电并网系统的研究。3 河北农业大学硕士学位（毕业）论文1.2区域太阳能资源的研究1.2.1太阳能资源分布太阳几乎是地球上所有能量的源泉，阳光是一种直接形式，还有风、波浪等间接形式，甚至我们如今开采的煤炭资源，也曾经是活着的植物，它们获得能量的途径是光合作用，二氧化碳、水和太阳光转换为碳水化合物的过程。太阳看似无穷无尽的能源供应是由被称为核聚变的过程所驱动的，在这个过程中多个氢原子结合形成一个氦[35]原子，并释放出巨大的能量。氦原子还可以和其他氦原子或氢原子结合，释放出更多能量。图1.2-1我国太阳能资源分布Fig1.2-1Distributionofsolarenergyresources太阳能资源的分布与每个地区的地理状况、气候条件、海拔高度和纬度息息相关[36]。我国是拥有丰富的太阳能资源的国家之一，年日照时数大于2000小时的地区占[37]全国总面积的2/3，我国太阳能资源地区共分5类，分别是：2一类地区：全年拥有3200～3300小时的日照时数，年辐射量为6700～8370MJ/m，相当于225～285kg的标准煤燃烧所放出的热量。主要包括青藏高原、新疆南部、宁[38]夏北部和甘肃北部等地。4 屋顶光伏发电系统并网的研究2二类地区：全年拥有3000～3200小时的日照时数，辐射量在5860～6700MJ/m，相当于200～225kg的标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山西北部、河北西北部、[39]内蒙古南部、青海东部、甘肃中部、宁夏南部、西藏东南部和新疆南部等地。此地区也是我国太阳能资源较丰富地区。2三类地区：全年拥有2200～3000小时的日照时数，辐射量在5020～5860MJ/m，[40]相当于170～200kg的标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北东南部、河南、山东、山西南部、吉林、辽宁、新疆北部、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、[41]福建南部、安徽北部和江苏北部等地。2四类地区：全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在4190～5020MJ/m。相当于140～170kg的标准煤燃烧所发出的热量。主要是广东、福建、浙江及长江中下[42]游的部分地区，春夏多阴雨，日照较弱，主要依靠秋冬季太阳能资源。2五类地区：全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在3350～4190MJ/m，相当于115～140kg的标准煤燃烧所发出的热量。主要包括贵州、四川两省。这里是我[43]国太阳能资源最少的地区。一、二、三类地区的年日照时数均大于2000h，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，约占全国总面积的2/3以上，面积较大，具备良好的太阳能利用条件；虽然四、五类地区太阳能资源条件较差，但仍然可以进行合理利[44]用。河北省地处我国的中东部地区，属于上述的太阳能资源二、三类地区，即“较丰富带”其太阳能资源存在着北部高于南部、内陆高于沿海的分布特征。从河北省太阳总辐射的空间分布图上可以看出（图1.2-2），河北省年太阳总辐射量为4828~5891兆焦/平方米，其总体分布趋势是：在辐值上北高南低，中部东西从横向上看越靠近中2间越小。除省内中南部和东部部分地区年太阳总辐射小于5200MJ/m外，其他地区均22在5200MJ/m以上，其中，冀北及冀西北高原为5600~5891MJ/m，属全省总辐射最2多地区，其中全省最多的辐射值总量达5891MJ/m；长城以南大部地区全年太阳总辐22射一般在5000~5400MJ/m，个别地区低于5000MJ/m，全省最低值地区为容城、永2[45]2清一带，辐值不足4900MJ/m；河北省各地的太阳直接辐射量为2299~3274MJ/m,其分布趋势与总辐射分布趋势基本一致。河北省的太阳能资源丰富程度与其他省份相2比，其太阳辐射年总量比内蒙古、新疆、西藏、青海等省少800MJ/m左右，和山东、山西、辽宁、吉林等省份相近，根据太阳能资源丰富程度评估指标，我省大部分地区年总辐射量在5000~6000MJ/m2，属于太阳能资源较丰富区，太阳能资源开发利用潜力巨大。5 河北农业大学硕士学位（毕业）论文2图1.2-2河北省太阳能辐射分布图（MJ/m）2Fig1.2-2Hebeisolarradiationmaps(MJ/m)1.2.2区域自然资源及光伏产业发展现状[46，47]中国是世界上SO2排放量最多的国家，所以也是酸雨污染最严重的国家。煤炭燃烧所排放的污染物占全国同类污染排放物的比例SO2为87%，CO2为71%，NOx为67%，烟尘为60%。自从进入到2013年以来，中国东部沿海特别是在北京、天津、河北及山东地区大气污染相对比其他地区严重，频繁出现雾霾天气，为了改善环境，提高空气质量，国务院向河北省下达了明确要求：到2017年，河北省PM2.5[48]浓度要比2012年下降25%以上，优良天数逐年增多；全省的煤炭消费量要在2012年的基础上净削减原煤四千万吨；将十万千瓦以下的燃煤机组全部淘汰等。急剧增加的环境危机，使河北省在节能减排、改善能源结构和能源的可持续发展方面面临重重考验。6 屋顶光伏发电系统并网的研究因此，在中国甚至在河北省，为了能源和环境的可持续发展，减少温室气体和有害气体排放，加快发展可再生能源，优化能源消费结构，提高清洁能源的比重已经势在必行。根据生态环境保护和建设的迫切要求，也要为生产和生活提供清洁、高效的可再生能源。石家庄电网位于河北省南网的中部，西接山西电网、北邻保定电网、东靠衡水电[49]网、南连邢台电网。截止到2012年底，石家庄电网拥有西柏坡电厂、上安电厂、张河湾抽蓄、裕华热电、石热、良村、鹿华等大中型电厂，统调总装机容量8538.4MW。石家庄220kV城网形成以上安电厂～铜冶～仓丰～许营～常山～正西～西柏坡～鹿泉～大河～上安为环网的结构，其它地区局部呈环式或呈放射式供电，民生[50]220kV变电站深入市中心供电。石家庄与邢台的220kV电网已经断开，中韩220kV变电站并入邢台、邯郸供电区。截止到2012年底，石家庄电网拥有220kV变电站38座，变压器83台，总容量为11313MVA。220kV公司属变电站33座，变压器65台，总容量为10440MVA。220kV客户变电站5座（分别是钢厂站、井牵站、高牵站、正牵站、石牵站），变压器18台，总容量为873MVA。110kV变电站156座，变压器326台,总容量为13472.5MVA。公司属变电站123座，变压器244台,总容量为10505.5MVA(其中城网变电站30座，变压器68台，总容量2843.5MVA；农网变电站93座，变压器178台，总容量是7712MVA)。客户变电站33座（其中电铁牵引站10座），变压器80台,总容量为2917MVA。拥有220kV输电线路101条，总长度为2067.85km；110kV输电线路243条（不包括T接线)，总长度为3154.311km；35kV输电线路545条，总长度为2971.404km。公司属220kV输电线路100条，总长度为1900.855km；110kV输电线路390条，总长度为2874.812km。2012年石家庄电网最大负荷6280MW，同比增长1.0%。2012年全社会用电量436亿千瓦时，同比增长5.5%。根据河北省电力公司编制的《河北南网“十二五”电网发展滚动规划》，河北省全社会用电量的预测结果见表1.2-1所示。表1.2-1石家庄市电力需求预测Table1.2-1ThepowerdemandforecastofShijiazhuang年份全社会用电量（亿KWh）最大负荷（MW）201346172302014493800020155358850201656496702017595101507 河北农业大学硕士学位（毕业）论文到2017年，石家庄全社会用电量预测结果为595亿千瓦时，最大负荷预测结果为10150MW。2014～2020年，石家庄地区规划新建留村等220千伏变电站（开关站）24座，其中公司属变电站22座，用户站2座（为电铁牵引站）；扩建、增容220千伏变电站15座，2014～2020年新增公用站变电容量为1056万千伏安，新增总容量为1072万千伏安。本项目位于石家庄市长安区东部，与藁城市交界。项目南侧有岗上35kV变电站，岗上站主变容量为（10+5）MVA，该站两回35kV出线，一回至良村110kV站，另一回T接至大良线，线路型号为LGJ-95/150，长度约3.3km。项目南侧有良村110kV变电站，主变容量为（2×31.5+40）MVA，2012年最大有功负荷为85.7MW。本文针对河北省某区域内的农业示范园项目中食用菌屋顶建设的光伏发电站进行光伏发电并网系统的研究。项目所在区域属暖温半湿润半干旱季风型大陆气候区，地处北纬38度东经114度的太行山东麓平原，四季分明，春季少雨干燥多风，初夏多有干热风，降雨多集中在7、8、9的高温季节，以南风为主导风，秋季天高气爽，[51]雨量偏少，深秋盛行西北风，冬季气温低、降水少，气候干燥。主要气象数据：平均气温12.4℃，极端最低气温-21.7℃，极端最高气温43.2℃，最冷的1月份平均-3.6℃，最热月份为7月，平均26.5℃，年均降水量498毫米，日最大降水量160.2毫米，最大积雪厚度50厘米，冻土层最深60厘米，年均无霜期196天，年均日照2740小时，年均风速为2.1m/s，最大风力11级。本工程主体建设内容：1）建设共332个新型蔬菜日光温室（含食用菌生产大棚）。其中102m×15m的大棚276个，51m×15m的大棚56个。2）光伏发电站。利用食用菌屋顶建设光伏发电站，共布置59688块300Wp太阳能组件，容量为17.9064MW。配套新建一座35kV开关站，向南出线接入良村110kV[52]升压站。本工程地处华北平原地势平坦，原始地坪标高59.5~61m。场址北侧约1km处有2滹沱河自西向东流过。按照年总辐射量4773.1MJ/m来估算水平面面太阳能资源，按照太阳能资源区划指标，该地区太阳能资源属于可利用区；并且直接辐射能量大于散射辐射能量，辐射的这一特征对于开发利用太阳能相对有利。综上所述，该地区一带具有较好的太阳能资源，在其区域内建设并网光伏电站等工程具有较好的经济性，所以项目是可行的。本光伏电站建成后预计每年可为电网提供电量约2114万kWh，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤6750t（以平均标准煤的煤耗为320g/kWh计算)，相对而言每年会减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化碳(CO2)约1.9万t，二氧化硫(SO2)约57.2t，氮氧化物(NOx)约49.8t。8 屋顶光伏发电系统并网的研究1.2.3该项目地点日照数据统计项目所在地相对位置示意图见下图：图1.2-3项目地点示意图Fig1.2-3Locationdiagram图1.2-4和1.2-5为元氏县太阳辐射年际变化图，从图中可以看出，各年的太阳22总辐射值均超过4000MJ/m，数值在4225.19~5434.12MJ/m之间变动，最大值出现在21968年，最小值出现在1995年，变幅为1208.93MJ/m。自80年末，辐射值开始减小，近20年的辐射总量平均值较历史多年平均值小将近200MJ/m2，但是近10年太阳辐射又有增加的趋势。图1.2-4元氏太阳总辐射历年变化Fig1.2-4TheglobalsolarradiationchangesovertheyearsofYuanshi9 河北农业大学硕士学位（毕业）论文图1.2-5元氏太阳总辐射历年变化直方图Fig1.2-5ChangesintheglobalsolarradiationovertheyearsofYuanshi图1.2-6和1.2-7给出了元氏县太阳辐射月际变化分布情况，由图可知：太阳总辐射以春季（3~5月）、夏季（6~8月）最多，秋季（9~11月）次之，冬季（12~2月）最少，就月份分布来看5月最多，12月最少。通过对季节的分析可看出，由于春季3月以后太阳直射北半球，白昼时间长，秋季9月后直射南半球，昼短夜长，所以春季太阳辐射量比秋季多。直接辐射和散射辐射的月际变化趋势与总辐射是一致的。图1.2-6元氏县月平均太阳总辐射变化Fig1.2-6AveragemonthlytotalsolarradiationchangesinYuanshi10 屋顶光伏发电系统并网的研究图1.2-7元氏县月平均太阳总辐射变化直方图Fig1.2-7AveragemonthlytotalsolarradiationchangesHistograminYuanshi图1.2-8给出了元氏县日照时数的历年变化情况，由图可知：日照小时数的年变化形式与总辐射量的变化基本一致，多年变化的最大值为2819.8h，出现在1987年，最小是为1841.2h，出现在2007年，近30年（1981～2010年）的平均值为2283.4h。40003500300025002000150010001966196919721975197819811984198719901993199619992002200520082011年份图1.2-8元氏历年日照时数变化图Fig1.2-8ThecalendarsunshinechangemapofYuanshi从多年平均日照时数各月分布来看(图1.2-9)，元氏县5月份日照时数最多，平均为245.7h，平均日照百分率为59.4%，12月份日照时数最少，平均为153.0h。7、8两月正处雨季，阴天多日照少，日照百分率分别为44.5%、45.7%。4~6月的日照时数均在200h以上。春、夏、秋、冬日照时数分别为674.6h、593.6h、526.1h，489.2h、分别占全年的29.5%、26.0%、23.0%、21.4%。11 河北农业大学硕士学位（毕业）论文300.0250.0）h200.0150.0100.0日照时数（50.00.0123456789101112月份图1.2-9元氏气象站多年平均日照时数各月分布Fig1.2-9Yuanshi’sweatherannualaveragesunshinehourseachmonthdistribution将各月日照时数大于6小时的天数作为指标来反映一天中太阳能资源的利用价[53]值，通常，一天中日照时数小于6小时的其太阳能的利用价值较低。如图1.2-10所示，元氏县各月日照时数大于6小时的天数差别不大，其中5月天数最多，7月最少，其中1、3、4、5、6、10、11月，均在15d以上。201612天数（d）8401234567891011月份图1.2-10月日照时数大于6小时的天数Fig1.2-10Afewdaysmorethan6monthssunshinehours1.2.4太阳能资源丰富程度的评估《太阳能资源评估方法》（QX/T89—2008）中规定以太阳总辐射的年总量为评价指标，将太阳能资源划分为资源最丰富、资源很丰富、资源丰富、资源一般这四个等[54]级。2本地区太阳总辐射的多年气候平均值为4773.1MJ/m（1981-2010），按照太阳能资源丰富程度等级规定，其太阳能资源丰富程度属于三级“资源丰富”地区，并且该地12 屋顶光伏发电系统并网的研究2区直接辐射能为2611.31MJ/m，占总辐射量的54.7%，直接辐射大于散射辐射，对太阳能的开发利用较为有利。由于藁城、元氏两县距离很近（仅有37km），因此推测，藁城地区太阳能资源丰富程度属于三级“资源丰富”地区。因为目前光伏电站没有实测数据，所以可以在场区内建立测光仪，待测光满一年后对电站光资源情况进行复核、比对，以更准确的预估未来电站的发电能力。利用食用菌屋顶建设光伏发电站，拟布置59688块300Wp太阳能组件，容量为17.9064MW。结合周边电网情况，本项目本期需建设一座35kV开关站。本期光伏接入此35kV[55]开关站，经开关站规划出线1回，本期1回，暂按接入本工程南侧的良村110kV变电站的35kV侧，线路长度约6km。加快本光伏电站的开发，会促进地区相关产业，如建材、设备业的大力发展，对扩大就业和发展第三产业将起到显著推动作用，从而带动和促进地区国民经济的全面发展和社会进步。随着太阳能光伏电站的相继开发，光伏发电将成为当地的又一大产业，为地方开辟新的经济增长点，对拉动地方经济的发展，加快实现小康社会起到积[56]极的促进作用。总之，不论从当地经济发展、人民生活质量的提高、节约能源、改善结构和提高社会综合效益方面分析，还是从就近向当地负荷供电，提高供电经济性，符合国家制定的能源战略方针，促进地区经济发展等方面分析，建设本工程具有较大的经济、社会环境效益，其建设是必要的。13 河北农业大学硕士学位（毕业）论文2并网光伏发电系统的组成及功能在屋顶光伏发电系统并网的研究当中，最重要的是对并网光伏发电系统进行研究，首先需要了解的是有哪些基本元件构成了此系统，本文主要介绍了其中的光伏电池方阵、变压器、并网逆变器和计量系统，除了这些重要的元件以外，还有一些辅助配套设施，比如电缆、汇流箱、保护设备、开关、雷击保护等，它们通过并网逆变器[57]直接将电能输送至公共电网。并网太阳能发电系统减少了蓄电池储能和释放这一环节，因此更降低能耗、更节约地面面积，更减少配置成本。太阳能光伏发电正在朝着[58]光伏发电并网的方向发展，该技术在能源利用方面有着巨大的发展潜力。2.1光伏电池板在光伏发电系统中，光伏电池板是其中最基础、最核心、最重要的部分，判断它的使用价值主要是看它的使用寿命长短和转化率的高低上。光伏电池板是用来将太阳[59]照射下的光能转化成电能，它输出的是直流电。2.1.1光伏组件的分类光伏组件分类有基本分类、结构分类、用途分类，工作方式分类等四大类分类方法。这里主要介绍基本分类。单晶硅晶体硅光伏组件多晶硅非晶硅光伏组件基本分类硅基薄膜光伏组件微晶硅纳米硅化合物光伏组件有机半导体光伏组件主要的光伏组件有四种，如图2.1-1所示。14 屋顶光伏发电系统并网的研究多晶硅光伏组件单晶硅光伏组件非晶硅薄膜光伏组件高倍聚光光伏组件图2.1-1几种光伏组件图Fig2.1-1SeveralPVdiagrams上图四种光伏组件光电转换效率如下表2.1-1所示。表2.1-1光伏组件板光电转换效率Table2.1-1PVpanelsphotoelectricconversionefficiency电池种类实验室最高效率商业化批量生产效率多晶硅光伏组件20.3%16%单晶硅光伏组件24.7%17%非晶硅薄膜光伏组件12.8%6-8%碲化镉（CdTe）19.5%12-14%铜铟镓硒（CIGS）16.5%9-11%高倍聚光光伏组件42.7%15 河北农业大学硕士学位（毕业）论文目前在市场上使用最为广泛的是薄膜、单晶硅和多晶硅。薄膜光伏组件多用于附着建筑物表面，其柔性好，但光电效率比晶体硅低。本工程用地资源有限，所以应选取转换效率较高的光伏组件，此处暂不选择薄膜组件。因为地球上的硅原材料贮量丰富，晶体结构稳定，硅半导体器件工艺成熟，对环境的影响很小，而且有希望进一步提高光电效率降低生产成本，所以在光伏组件市场上，晶体硅有着明显的优势，目前以晶体硅为材料制成的电池占各种形式的光伏组件总量的93%。制造多晶硅电池就是要将熔融硅铸锭，不是靠单晶硅，而是靠许多小晶体组成的硅锭铸锭而成，这些小晶体在熔融材料固化的过程中沿任意方向生长，使单晶硅比多晶硅转换效率高，多晶硅电池单片光电转换效率约为16%，单晶硅的光电转换率仅比多晶硅高1%左右，考虑到单晶硅电池被制作成组件后，其单片是一个倒角形状，会产生空隙，如此比较下来单晶硅与多晶硅在单位面积上组件的光电转换效率几乎相同。在对其各方面进行综合比较之后，我们可以得到这样一个结论：多晶硅组件因为其拥有稳定的效率和较高的成熟度，且在国内外都成功进行了大规模的应用，又因其[60]价格偏低，所以在太阳能电池市场上占据着相当大份额。2.1.2光伏组件特性光伏组件伴随温度逐渐的升高，运行的效率在不断降低。伴随光伏组件的温度不断增加，开路电压会慢慢下降，且光电流也会伴随温度的提升稍微有一些起伏变动。o总体来看，温度每增长1C，功率就相应地降低0.35%左右。日照强度增强会使光伏组件的光电流变大，当太阳辐射强度范围在100～21000W/m时，光电流便会一直伴着光辐射变强而呈线性趋势增长。但是光照强度几2乎未在电压方面产生影响，开路电压在温度一致、光照强度的范围在400～1000W/m内时，几乎没有浮动。因此，可以得出光照强度和组件的功率也差不多保持着正比的关系。图2.1-2为电池特性曲线图。16 屋顶光伏发电系统并网的研究图2.1-2光伏组件I-V特性曲线和P-V特性曲线Fig2.1-2PVmoduleI-VandP-Vcharacteristiccurve2.1.3最大功率点跟踪在稳定的外部环境情况下，光伏器件的最大输出功率点存在着唯一性，为了得取光伏器件的最大输出功率，需要将一级最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）电路串联在光伏器件与负载之间，图2.1-3为太阳能电池输出特性最大功率点跟踪。17 河北农业大学硕士学位（毕业）论文IscIm图2.1-3最大功率点跟踪Fig2.1-3MaximumPowerPointTracking最大功率点跟踪器使用了电子电路，使光伏阵列尽可能输出最大功率，MPPT跟踪系统不是机械的，而是基于电子电路的系统，可以改变组件电气工作点，确保最佳功能，从而最大化输出功率。根据光伏器件输出电压可选择升压或者变压的DC-DC电路。目前最大功率点跟踪电路的控制方法有许多种，其中固定电压法（CV）、扰动观察法（P&O）、增加电导法（INC）和模糊逻辑法是常见的方法。2.2光伏并网逆变器2.2.1简介逆变器又称逆变电源，是将12V或24V的直流（DC）电转换成240V、50Hz交[61]流（AC）电或其它类型的交流电的电源转化装置。它输出的交流电可被各类设备所利用，为需要电的设备和地区最大限度地提供所需的交流电源。逆变器将直流电（电[62]池、电源等）转换成交流电的这一功能给用电设备提供了稳定可靠的保障。若将逆变器与发电机配套使用，既能节约燃料，又能减少噪音。在一些清洁能源领域少不了逆变器的作用。简单来说它的运行规律就是将直流电送到用于逆变输出的三极管，利用接在该管子回路上的变压器等元器件对管子形成正反馈而使管子产生“震荡”电流（起振）而变为交流输出。逆变器有两种主要类型，分别是使用蓄电池作为电源的蓄电池逆变器和电网交互型逆变器，而后者用于并网系统中，所以本文着重介绍电网交互型逆变器（也称为并网逆变器）。并网逆变器的直流输入来自于光伏阵列，并与电网所需交流输出相匹配，当电网运行时逆变器才能够正常工作，并且在特定电压和频率范围内工作。所有的并网逆变器都可以实现以下基本任务：（1）将光伏阵列的直流功率转换成交流功率，交流功18 屋顶光伏发电系统并网的研究率可在现场使用，也可通过电表向电网送电；（2）确保送入电网功率具有适当的频率和电压（逆变器转换直流电，但若不能匹配电网的频率和电压，则不会向电网送电）；（3）为了保证逆变器尽快找到光伏阵列中的最大功率，并使直流电转换成交流电，引入最大功率点跟踪器；（4）集成了主动式和被动式的安全保护功能于逆变器内部，当电网运行在不可接受的电压和频率范围内时，逆变器自动关机。2.2.2逆变器选型并网逆变器因为其能够提高可靠性能和转换效率，所以在光伏发电系统中占据了举足轻重的位置。要成功完成逆变输出，逆变器需要具备以下几种功能：（1）性能可靠，效率高：因为光伏发电系统本身就存在着成本高的问题，如果逆变器再在发电过程中消耗过多的能量，就会更加造成系统经济性下降以及总发电量损失，所以就要求逆变器必须性能安全可靠、运行效率高，并且将当前光伏组件运行状态下的最大功率点传输出来。（2）逆变电源的电压范围要足够宽：由于一天中不同的时间有着不同的日照强度，使得从光伏电池输出的直流电压也会相应变动，如果要满足每个时刻的电压值，逆变电源就要有足够大的电压范围来容纳直流电压，这样才能保证输出的交流电压是稳定的，整个系统的运行是正常的。（3）具有保护功能：尽管并网逆变器的容纳电压范围较大，但是难保一些突发情况发生，这就要求并网逆变器有一定保护措施，比如过压保护、过流保护、欠压保护、欠流保护、过频保[63]护、欠频保护、反孤岛效应保护等。（4）尽量小的波形畸变，尽量大的功率因数：为了保证并网的光伏发电系统正常运行，减少不必要的能源浪费和电力污染，就要让经过逆变输出的正弦波波形畸变尽可能小（一般要小于5%），功率因数尽可能大到接近1，并且要与并上的电网同相位、同频率。（5）监控和数据采集：逆变器在接收到直流电后需要采集数据并发送至控制室，还要连接传感器进行实时数据分析，为了保证监控结果准确，就需设置多种通讯接口，而数据分析就要靠逆变控制器上的模拟输入端口，传感器将感应到的日照强度和当前温度等信号通过端口传输。2.3变压器通电后经过变压器中的线圈会产生磁场，通过磁场来调节电源电压的高低。一般在经过并网逆变器前后的电压都会通过变压器升压或降压，才能接近电网所需。随着电子器件的迅速发展，已生产出无变压器型逆变器产品，该产品虽然比传统产品的重19 河北农业大学硕士学位（毕业）论文量轻，效率高，但是有了变压器，可以为系统提供电气隔离功能，因为电路通过磁场连接，无变压器可能会向电网注入少量直流电，所以需要加入一个小隔离变压器来阻止直流分量的注入。逆变器中使用的变压器可以是低频的，也可以是高频的，高频的比低频的更高效、更轻，但需要复杂地制造。2.4计量系统电表记录了电表所接入设备的负荷用电量。电表记录下用电量单位的数量，典型单位是1kWh。最简单的电表是一个带校准转盘的机械器件，当用电时旋转，如图2.4-1所示。图2.4-2中的智能电表更复杂，可以记录下一天中的用电。2.4-1转轮式电表2.4-2智能电表Fig2.4-1Runner-MeterFig2.4-2Smartmeters可安装两块计量器件，一块计量发电量，一块测量用电量。2.5光伏汇流箱在光伏发电系统中，为了减少连线、降低风险，一般在光伏电池组件和并网逆变器中间接汇流箱并配合防雷系统构成防雷汇流箱（配电柜），可以把参数型号一样的相应数量的光伏电池串联在一起组成光伏串列，然后将这些光伏串列并联后接防雷汇流箱使各路电流集中在一起，经直流断路器再接配套的并网逆变器，并入电网就实现了光伏发电系统并网的过程。20 屋顶光伏发电系统并网的研究2.6电缆光伏发电系统中的电缆有直流电缆和交流电缆两种。组件与组件串联时用直流电缆连接，组件与光伏配电柜（汇流箱）间并联都要用到直流电缆，光伏直流汇流箱与并网逆变器之间也使用直流电缆连接。一般在户外敷设最多的是直流电缆，所以对直流线缆的要求相对高一些，需要进行耐热、防暴晒、抗紫外线、抗冻、防潮处理，在一些非常情况下甚至需要防酸碱等化学物质。而经并网逆变器之后所使用的连接都用[64]交流电缆，此部分电缆户内敷设较多。21 河北农业大学硕士学位（毕业）论文3该项目工程发电系统设计方案3.1太阳能电池的选择通过对安全性、经济性、可靠性、稳定性和技术性的等因素进行全面的比较选择了多晶硅光伏组件。本项目光伏发电系统的安装容量是18MWp，因其容量大，所需的光伏电池组件就会很多，占地面积也会随之变大，为了缩小用地，减少组件使用量，本次选择每平米功率较大的光伏组件。目前市场上大量使用且成熟度较高的多晶硅光伏组件集中在180Wp~300Wp之间，综合考虑组价价格及占地指标等，推荐采用单块容量300Wp的多晶硅光伏组件。本项目选用的多晶硅组件基本参数如表3.1-1所示：表3.1-1多晶硅光伏组件单块参数Table3.1-1PolycrystallinesiliconPVmodulessingleblockparameters序号名称单位参数1峰值功率Wp3002开路电压VocV46.33短路电流IscA8.774工作电压VmpptV36.75工作电流ImpptA8.176峰值功率温度系数%/K-0.457开路电压温度系数%/K-0.338短路电流温度系数%/K-0.06910年功率衰降％901020年功率衰降％8011外形尺寸mm1960×990×45/5012重量kg26.83.2光伏阵列的布置3.2.1最佳安排倾角计算本工程中，光伏组件采用固定支架安装，方位角取0°，即面对正南方向。要布置光伏阵列就要先确定固定支架的最适合的倾斜角度。由于本项目为大棚光伏，为满足大棚数量以及农业收益，电池板倾角固定为25度。22 屋顶光伏发电系统并网的研究3.2.2光伏阵列间距计算按倾角25°考虑，经计算，光伏板斜面3940mm长，在冬至日真太阳时下午3:00的前后排之间在北方向的水平投影长度为4.5m，同时大棚间距在9.5m时，光伏板不会对大棚有遮挡。在本项目中，考虑到大棚数量以及大棚收益，农业大棚间距固定为8m。这样即可保证光伏板不受阴影遮挡，同时将大棚的效益发挥到最大化。3.3关于逆变器和孤岛效应3.3.1逆变器的选择与设计单从逆变器的价格考虑，随着容量增大，价格在减少，但是容量不能过大，否则在系统出现故障时会非常降低其可靠性。综合考虑，本项目使用体积小、重量轻、投资少、可靠性高、效率高、功率密度高、扩容方便、维护简单的500KW逆变器，两台500kW的逆变器成为一组，分组分系统地运行不仅能够提高灵活性、可靠性和用电质量，而且可以避免每台逆变器发出的高次谐波相互叠加传递。选择的逆变器主要技术参数如表3.3-1所示。表3.3-1500kW型逆变器的主要技术参数表Table3.3-1500kWinvertermaintechnicalparameters序号名称供货方提供值生产厂家国产或合资公司逆变器型号500kW1逆变器输出功率(1)逆变器输出额定功率500kW(2)逆变器最大交流侧功率550kW2逆变器效率(1)最高转换效率98.7%*欧洲效率(2)98.5%（加权平均效率）(3)10%额定交流功率下>95.0%(4)整机效率（考虑设备损耗）>95.0%3逆变器输入参数(1)输入电压范围DC450~1000V(2)MPPT电压范围DC450~850V(3)最大直流输入电流1200A4逆变器输出参数23 河北农业大学硕士学位（毕业）论文序号名称供货方提供值(1)额定输出电压315V（线电压）(2)输出频率要求47-52HZ(3)功率因数>0.99(4)最大交流输出电流1070A(5)总电流波形畸变率<3%5电气绝缘(1)直流输入对地AC2000V，1分钟(2)直流与交流之间AC2000V，1分钟6防雷能力(1)标称放电电流≥40kA(2)残压＜1kV7防护等级IP208噪音＜60dB9平均无故障时间>10年10要求的电网形式TN-C-S3.3.2关于孤岛效应如果并入的电网部分发生故障，这时就需要光伏发电系统能够立刻检测到，并马上断开与问题电网的连接。如果没能检测到故障，那么系统仍处在和电网相连的状态，并向正常情况一样向电网供电，这种情况对人身财产安全构成很大的威胁，这便是孤岛效应。现在最常用的是主、被动这两种检测孤岛效应的方法。被动式检测：根据的是在断电的瞬间，逆变器一般会出现输出频率和电压值改变的现象，这种方法的优点就是简单并且不会干扰系统正常运行，缺点是一旦故障发生时的负载频率和逆变器的输出频率恰好一致，那么就会检测不到故障。主动式检测：通过加入扰动信号的办法来实现，电网如果没有出现故障，那么逆变器的输出频率及其它输出量均不会受到干扰；如果电网出现了问题，加入的扰动信号就会不断积聚在逆变器的输出端，直到超过规定的范围值，这样便能查出故障。主动式检测比被动式检测精确度高，该项目使用主[65]动式的方法。反孤岛效应仿真流程如图3.3-1所示。24 屋顶光伏发电系统并网的研究图3.3-1反孤岛效应仿真流程图Fig3.3-1Theanti-islandingsimulationflowchart通过干扰频率的方法，经过仿真得到反孤岛效应的波形如图3.3-2所示。如果并网系统运行稳定，那么负载上的频率将不会发生变化，即为（50+0.1）Hz。运行到0.1s时电网发生故障，从这时起，干扰信号的频率每半个周期增加0.1Hz，经过两个周期，频率达到（50+0.1+0.1×4=50.5）Hz，到达了逆变器的规定上限，系统切断同电网间连接。25 河北农业大学硕士学位（毕业）论文图3.3-2反孤岛效应仿真波形图Fig3.3-2Anti-islandingsimulationwaveforms3.4光伏方阵设计此次光伏发电系统安装容量为18MWp，由于容量很大，为了运行安全、稳定，可以把它分成18个组，每组容量为1MWp。每组由两个发电单位组成，每平方的容量为500KWp，一个单位中分别配备一个能容量为500KWp的光伏电池组件和一个功率型号为500KW的并网逆变器。总共需要36个光伏发电单元系统。每个单元系统中的光伏电池组件发出直流电经过汇流箱凝聚一块再至各自相应的防雷配电柜，再接入并网逆变器直流侧，通过逆变将直流电转变成为交流电。每个配电柜后配备着一台并网逆变器，每一组配有1台1000kVA升压变压器，该变压器接收来自该组的两台并网逆变器发出的交流电，并将电压从315V升至35kV，这18组经过并联以后经一回35kV线路接入良村110kV变电站的35kV侧。本项目场址地形平坦、开阔，光伏电池方阵布置条件好。为了方便电站运行管理，结合项目文件及业主要求本工程设计只采用单一的多晶硅光伏电池组件。其中，1MWp光伏发电分系统简易流程图如图3.4-1所示。26 屋顶光伏发电系统并网的研究500KWp光伏阵列500KWp光伏阵列DCDC汇流箱汇流箱DCDC直流防雷配电柜直流防雷配电柜DCDC500KW逆变器500KW逆变器ACAC35/0.3151000KVA分裂变压器AC110KV变电站系统图3.4-11MWp光伏发电分系统Fig3.4-11MWpPVsubsystems光伏方阵是由n个光伏电池组件连在一起构成的，光伏电池组件的数量取决于该组件能承受的最大电压值，以及并网逆变器的输入的最大电压和运行过程中的最低电压值。由光伏电池组件输出的电压会随着运行时温度的变化而变化，这里就需要对光伏电池组件所输出的电压进行温度校验。通过对石家庄市地区的气象条件的观察和统计，极端最高温度为43.2℃，极端最低温度是-21.7℃。所以，在光照强度每平米为1000W、周围最高温度为43.2℃时，并网逆变器的最低工作电压就是电池组件的功率在最高峰值时输出的电压，温度是电压在开路状态下的温度，为25℃。本项目中单台并网逆变器所对应的光伏电池组件的数量计算如下：27 河北农业大学硕士学位（毕业）论文（1）对所需串联的光伏电池组件数量及输出电压进行验算：此运算不考虑光伏电池组件工作温度修正系数的影响，以上面所提到的该项目地区的气象条件和运行时的温度为已知条件，根据相关公式计算出允许的最大串联数（Smax）及最小串联数（Smin）分别为：VdcmaxNoc==21（块）V1(t25)KocVVmpptmaxNmax＝＝24（块）V1(t25)KpmVVmpptminNmin＝＝12（块）V1(t25)KpmV结合施工安装等因素并进一步的对温度系数修正验算表明，该矩阵组件的串联数选用18为最佳，即：Vmpptmax＝18×36.7+18×36.7×(25+43.2)×0.33%＝809.3VVmpptmin＝18×36.7－18×36.7×(21.7－25)×0.33%＝667.8V故矩阵组件的串联数为18块。通过观察计算出的Vmpptmax和Vmpptmin的数值发现，它们在逆变器允许的输入电压范围（450V~1000V）内，并且比光伏电池组件允许的系统最大电压小。更加印证了选18块合适。（2）对光伏电池组串所需的并联回路数N进行计算：根据（1）中计算的18块组件串联数可知，每个回路中组件串联的额定功率容量P1＝单块电池板的容量×18。设并网逆变器的额定功率为P2，则需要并联的回路数为N1＝P2/P1。设每块电池的短路电流为I1，不同逆变器允许的最大输入电流I2，对应于不同容量的逆变器内的最大输入电流计算，需要并联的最多回路数N2＝I2/I1。取N1和N2两者之间的较小数，即为最大并联串数N。18块300Wp的多晶硅太阳电池组件组成1个组串（1路）组串并联数量：（1000×1000）/(18×300)=185.1即：一个发电分系统需要186路的电池组件相串联。通过将容纳电量为1MWp、由多晶硅材料制成的光伏电池组件的串联数量和需要并联的组串数进行设计和计算，可以得出如下结果：300Wp多晶硅太阳电池组件数量为18×186=3348块安装容量：1.0044MWp（标称容量为1MWp）光伏组件的布置应结合农业大棚的结构确定，多晶硅光伏组件采用纵二方案布置在两种长度的农业大棚上，其中含102米长大棚276个，每个大棚布置198块（18块的整数倍）光伏组件；51米长大棚56个，每个大棚布置90块（18块的整数倍）光伏组件；共布置198×276＋90×56=59688块，容量17.9064MWp。28 屋顶光伏发电系统并网的研究3.5方阵接线设计1MWp直流发电系统中，光伏电池组件数量为3348块，每块300Wp；汇流箱18~21个；直流防雷配电柜2个；500kW逆变器2个；1000kVA的干式分裂升压变1个。接线图如图3.5-1所示。300Wp汇流箱配电柜逆变器变………………压器配电柜逆变器汇流箱300Wp图3.5-11MWp光伏方阵接线图Fig3.5-11MWpPVarraywiringdiagram光伏直流部分在设备的安装上：汇流箱装在户外，尽可能离光伏电池组件近，可直接挂在电池组件支架上，这就要求它具备防水、防潮、抗冻、抗晒的性能；配电柜和并网逆变器布置在室内，干式分裂升压变压器布置在户外。在1MWp的光伏发电分系统的中心呈居中式来安装逆变器和分离升压变压器，这样方便接入直流电缆，可以节约电缆使用量，同时降低了电力损耗。3.6计算该项目发电量根据以上设备选择，此次项目的发电量计算步骤如下：2在倾角为25度时，斜面上的日平均太阳辐射为14.49MJ/m，全年太阳辐射为5288MJ/m2，计算出峰值日照小时为1469小时。通过对本项目年发电量的计算，得到的是不计损耗的结果，对此结果进行折算便可得到上网电量的大概值：1）光伏方阵效率光伏阵列在太阳光照强度为1000W/m²时，实际输出的直流功率与标准功率做商就得出光伏方阵效率。光伏阵列在运行过程所损失的能耗有：（1）组件匹配损失：从设计到安装的每个步骤都要求严格，精度很高的情况下，大概会有3%的损失；（2）MPPT方面为3%；29 河北农业大学硕士学位（毕业）论文（3）粉尘污染以及雾霾损失：会对组件有一些遮挡，损失约为3%；（4）不可利用太阳辐射损失：即一些辐射强度很弱的部分光伏电池无法利用而造成的损失，取值3%；（5）温度损失：温度影响额定输出功率，温度高于标准温度时额定输出功率下降，取值4%；所以综合各项以上各因素，η1=97%×97%×97%×97%×97.5%=85.87%。2）直流输电效率逆变器效率98.5%，经估算直流网络损失约2.5%。故直流输电效率取η2=96%。3）交流并网效率从就是将逆变器输出的交流点传送到高压电网的效率，这里面起决定性作用的是升压变压器的效率和交流电气连接的线损率。本次测算采用η3=97.5%。总的效率就是上述每个部分效率之积，即：η=η1×η2×η3=85.87%×96%×97.5%=80%。4）衰减效率晶硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，厂商一般保证光伏组件效率25年后要达到80%以上，本报告根据组件厂商提供的光伏组件每年的效率来计算，最终计算25年发电量，如表3.6-1所示。表3.6-1大棚光伏部分25年衰减及平均年发电量测算表Table3.6-1Solargreenhousespartof25yearsandanaverageannualgenerationcapacityattenuationestimates年数晶硅衰减率17.9MW发出电能（万kWh）年等效利用小时数（h）198.00%2104.361175.20297.20%2062.271151.70396.45%2045.441142.29495.70%2029.661133.48595.00%2013.871124.67694.30%1999.141116.44793.60%1984.411108.21892.90%1969.681099.99992.15%1954.951091.761091.40%1939.171082.951190.65%1923.391074.131289.90%1907.601065.321389.15%1891.821056.501488.40%1876.041047.691587.65%1860.251038.8830 屋顶光伏发电系统并网的研究年数晶硅衰减率17.9MW发出电能（万kWh）年等效利用小时数（h）1686.90%1844.471030.061786.15%1828.691021.251885.40%1812.911012.431984.65%1797.121003.622083.90%1781.34994.812183.15%1765.56985.992282.40%1749.78977.182381.60%1733.99968.362480.80%1717.16958.962580.00%1700.32949.56平均1891.741056.46总发电量47293.39由表3.6-1可以看出，通过以上这二十几年来对大棚光伏发出电能的统计，总发电量为47293.39万千瓦时，年均发电量为1891.74万千瓦时。首年等效利用小时数为1175.20小时，25年年平均等效利用小时数为1056.46小时。31 河北农业大学硕士学位（毕业）论文4电气设计4.1光伏项目接入系统方案本项目预期容量为18MW。需要建设1座高压开关站，规划35kV出线1回，与2系统相连，线路导线截面选择LGJ-150mm，限制传输容量为22MVA（40℃），或同等传输容量电缆，打算接到该项目工程南侧某村的110kV变电站的35kV侧，线路长约6km。4.2电气部分4.2.1电气主接线35kV主接线部分计划采用单母线，完成后，母线最大穿越功率按18MVA考虑。光伏阵列区域每1MW单元采用分裂式变压器，增加单元接口。380/220V所用电接线：采用单母线接线方式。开关站的备用电源是从35kV母线接入的。农业大棚内低压配电引自10kV外接电源，根据低压供电半径，采用环网供电方式。4.2.2主要电气设备选择1）短路电流水平根据已知条件考虑，开关站的电气设备设计要求短路电流不能低于31.5kA。2）主要电气设备选择（1）光伏电站电气设备图4.2-1为光伏部分的电气接线图。32 屋顶光伏发电系统并网的研究图4.2-1光伏部分电气接线图Fig4.2-1PVpartoftheelectricalwiringdiagrama、光伏组件该项目根据综合考虑采用多晶硅光伏电池组件，峰值功率300Wp，采用固定支架形式。b、逆变升压变压器本项目选择的是功率为500kW的逆变器，给每一个容纳电量为1MWp的发电分系统配有两台500kW逆变器，通过分成几组的办法来运行。此方法不但可以更加确保工作状态下的灵活度和可靠性能，而且避免防止每500kW的发电单元之间产生的高次谐波的互相传递和叠加，更加保障了传输电能的质量。型号：S11-1000/35，Y，d11-d11，Ud=6.5%额定容量：1000kVA，37±2×2.5%/0.315-0.315kV图4.2-1为此部分接线图。（2）开关柜部分电气设备33 河北农业大学硕士学位（毕业）论文图4.2-2开关柜电气接线图Fig4.2-2Switchgearelectricalwiringdiagram35kV电气设备：a.断路器额定电压：35kV额定电流：1250A额定开断电流：31.5kA动稳定电流（peak）：80kA热稳定电流（R.M.S）：31.5kA，4sb.35kV电流互感器额定电压：35kV（主进）二次组合：5P20/5P20/0.5/0.2S额定电流比：500/1A（出线）二次组合：5P20/5P20/0.5/0.2S额定电流比：200/1A（无功补偿）二次组合：5P20/5P20/0.5/0.2S额定电流比：200/1A（站用变）二次组合：5P20/5P20/0.5/0.2S34 屋顶光伏发电系统并网的研究额定电流比：5P20/5P20200/1A0.5/0.2S50/1Ac.氧化锌避雷器型号：HY5WZ-51/134图4.2-2为此部分电气接线图。（3）PT柜350.10.10.1///电压互感器额定电压比：3333kV准确级：0.2/0.5（3P）/3P3P：60VA/相考虑到风电场终期规模，35kV侧加装1面消除400A单相接地电流的接地变及接地电阻柜。如图4.2-3所示为部分接线图。图4.2-3PT柜电气接线图Fig4.2-3PTcabinetelectricalwiringdiagram4.2.3防雷保护、接地保护及过电压保护设计1）直击雷防护在光伏大棚区域不设置避雷针，利用在电池金属框的下边，设置环形扁钢（避雷带），作为直击雷防护设施。35 河北农业大学硕士学位（毕业）论文2）感应雷防护在太阳能组件的不同控制部分，分别设置二次防雷模块，避免其受感应雷和操作过电压冲击。3）接地在光伏发电这部分的接地网采用了垂直接地极和水平地网相互配合来保护系统安全运行。应用在光伏阵列中可以把每行电池支架连接在一起，再与最近的水平地网相连（连接点不小于2点）。4）电缆敷设：对于电池组串和汇流箱之间所架设的电缆，采用与电池组件相垂直的办法安装支架敷设，与电池组件水平安装的支架敷设要通过相应通道集中在一起后顺着为电缆建造的户外通道接进逆变器室内。光伏阵列中为35kV搭建的电缆是经过对光伏方阵的安装地和相距长度等因素综合考虑而决定将电缆直接埋进开关站下。5）电缆防火及阻燃措施：在电缆主要通道上，采用将火源及可燃物阻隔的方法，配备的设施有阻火包和耐火隔板等。6）电缆防晒措施：为防止阳光直接照射，使电缆使用时间更长，本项目中凡是敷设在户外的电缆，都将埋在太阳电池板的下面或是挖掘电缆沟进行敷设。4.2.4电气设备布置光伏发电区域：逆变器户内安装、升压变压器户外安装，逆变器室与升压变压器都安装在1MWp的光伏发电分系统的中心部位，方便两线，并且节约线缆用量，从而减少电力损耗。开关站部分：35kV开关站设计于农业大棚园区的中央东侧向南出线；35kV配电装置采用户内开关柜方案，布置在站区的东侧；无功补偿布置在站区的西部。为了便于运行维护，已在35kV配电室、无功补偿装置区设置了环形运输维护、消防通道。如图4.2-4为电气主接线图，其中大棚用电、配电及无功补偿部分等一些辅助配套设施在此不做研究。36 屋顶光伏发电系统并网的研究光伏矩阵电110KV变电站网逆变器35KV侧部分315V1000KVA升压变压器开关柜35KV开关柜PT柜电表35KV母线变压器用户图4.2-4电气主接线图Fig4.2-4Mainelectricalwiringdiagram图4.电气主接线图Fig4.2-4Mainelectricalwiring4.3光伏电站通信4.3.1概述通过对本项目建造设计与安装布置，可以进一步得到光伏电站通信部分的设计范围和关键内容包括：（1）光伏电站侧系统通信接口设计；（2）光伏电站站内通信；（3）光伏电站对外通信；（4）光伏阵列区内通信。37 河北农业大学硕士学位（毕业）论文4.3.2系统通信1）系统通信方案设计（1）光缆线路本工程暂按光纤通信方式设计，沿开关站至良村110kV变电站的1回35kV线路上架设1条16芯OPGW光缆（也称光纤复合架空地线）。该部分费用不在本工程开列。（2）系统通信设备配置为满足开关站对电网端信息传输的需求，本工程暂考虑配置1套光传输设备、1套PCM终端设备、1套综合数据网设备及1套综合配线柜及其附属设施。4.3.3站内通信1）行政管理及调度通信光伏电站所需的调度电话由PCM设备放小号实现，管理电话通过租用当地公用电话网引入实现。2）通信电源系统本光伏电站不设置独立的通信电源、蓄电池。通信设备供电所需的-48V直流电源由光伏电站220V直流通过直/直逆变（DC/DC）取得。该电源为系统通信及站内通信设备提供-48V直流不停电电源。4.3.4光伏阵列区内通信为了使光伏电站工作员工之间能够更加便捷地在维护、检查、巡视和修理过程中进行沟通和联系，光伏阵列之中建议配备无线对讲机。38 屋顶光伏发电系统并网的研究结论与展望本次针对屋顶光伏发电系统并网的研究是根据华澳光伏设施农业示范园项目设计完成的。该项目充分利用区位资源优势，将光伏发电与种植业相结合，充分利用了太阳能资源，而发电收入的一部分会用于农业补贴，充分体现了工业反哺农业的理念。该项目利用食用菌屋顶建设光伏发电站，拟共布置59688块300Wp太阳能组件，容量为17.9064MWp，经过一系列配套设施将发出的电馈入电网。本工程线路电气损耗约为7.99万kW·h/a，变压器电气损耗约为39.94万kW·h/a。本工程发电设备损耗总量约为48.3万kWh/a，该损耗在计算年平均发电量时已经扣除。并网太阳能光伏发电系统的主要元件包括光伏电池方阵、变压器、并网逆变器和计量系统组成，由于除了这些主要元件以外，还需要一些相关辅助配套设施，如电缆、汇流箱、保护设备、开关、雷击保护等，通过并网逆变器直接将电能输送至大电网当中。本文介绍了光伏电池的特性、选型，并对屋顶光伏方阵进行设计，还了解了光伏发电原理及光伏特性；研究了并网逆变器的原理；通过对孤岛效应的认识提出了解决方法；根据该项目实际需求接入系统相关设施，并通过对各元件参数的统计和相关计算，对电气设备、接线进行设计和布置，从而使并网系统更加完善。通过对屋顶光伏发电系统并网的研究，并经过良好的应用，就可以带来良好的节能和环保效益。本论文的系统设计还需进一步完善，对一些系统元件还缺少细致的研究，电气部分的设计有一定的局限性，仍缺乏全面性。如果将其改进，则会更好的把握屋顶光伏发电系统并网的设计思路和各元件的合理安排，会对提高未来光伏能源利用率有着积极的意义。39 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