XX矿区固定式太阳能电池方阵光伏发电系统项目设计施工可行性方案.docx
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XX矿区固定式太阳能电池方阵光伏发电系统项目设计施工可行性方案
XX矿区固定式太阳能电池方阵光伏发电系统项目设计施工可行性方案
目录
第一章太阳能发电原理及特点-----------------------------------------------3
1．1太阳能电池---------------------------------------------------------3
1．2太阳能系统特点---------------------------------------------------3
1．3并网太阳能系统发电方式------------------------------------------4
第二章项目概况及设计说明------------------------------------------------6
2．1项目概况-----------------------------------------------------------6
2．2设计依据-----------------------------------------------------------6
2．3设计说明-----------------------------------------------------------7
2．4设计原则-----------------------------------------------------------7
第三章工程初步设计方案--------------------------------------------------7
3．1系统构成-----------------------------------------------------------7
3．2自然条件-----------------------------------------------------------8
3．3太阳能电池阵列设计----------------------------------------------11
3．4方阵支架基础设计-------------------------------------------------17
3．5电站防雷和接地设计----------------------------------------------17
3．6智能汇流箱设计---------------------------------------------------18
3．7直流配电柜设计---------------------------------------------------18
3．8光伏并网逆变器---------------------------------------------------18
3．9发电机计量系统配置方案------------------------------------------20
3.10数据采集方案-----------------------------------------------------21
第四章电气系统安全性设计----------------------------------------------22
4.1防逆流装置设计-----------------------------------------------------22
4.2防孤岛效应设计-----------------------------------------------------22
第五章电气系统构成选型设计-------------------------------------------22
5．1逆变器的选型-----------------------------------------------------23
5．2并网发电系统线缆的选型设计-------------------------------------25
第六章光伏并网系统电气设计--------------------------------------------25
第一章太阳能发电原理及特点
1.1太阳能电池
太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。
当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。
太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内部产生电子—空穴对，电子带负电，空穴带正电。
在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴被分离，产生定向运动，并被太阳能电池的正、负极收集，在外电路中产生电流，从而获得电能。
1.2太阳能系统特点
①简单方便、安全可靠、无噪音、无空气污染、不破坏生态、能量随处可得、无需消耗燃料、无机械转动部件、维护简便、使用寿命长、建设周期短、规模大小随意、可以无人值守、也无需架设输电线路。
②系统中的太阳能电池组件，使用寿命长具备良好的耐候性，防风，防雹。
有效抵御湿气和盐雾腐蚀，不受地理环境影响。
具有稳定的光电转换效率，且转换效率高。
并保障系统在恶劣的自然环境中能够长期可靠运行。
③太阳能组件方阵支架都有一定的倾斜角度，该角度和方阵所处的地理纬度和位置有关。
1.3并网太阳能系统发电方式
太阳能并网发电示意图：
太阳能组件通过合适的串并联，满足并网逆变器要求的直流输入电压和电流。
每块组件接线盒都配有旁路二极管，防止“热斑效应”，将组件由于部分被遮荫或电池片故障而导致的失效对系统效率的危害降到最低。
同时，太阳能方阵的直流汇流箱内设置防反二极管，以防止各并联组件串之间形成回路，造成能源浪费和缩减组件的寿命。
并网逆变器采用双环控制系统，实时检测电网状态，取得电网电压、电流、频率、相位等关键变量，通过计算分析，使输出电力与电网同步运行。
且在运行期间，并网逆变器按工频周期检测电网状态，一旦电网异常如突然停电，压降幅度超标，并网逆变器立即触发内部电子开关，实现瞬时与电网断开。
同时，并网逆变器不断检测电网状态，一旦其恢复正常并通过并网逆变器的计算分析，并网逆变器将重新并网。
总之，作为并网系统的控制核心和直流变交流的枢纽，并网逆变器高度的自动化和精密的检测控制功能从根本上保证了系统并网的安全性和可靠性。
太阳能组件边框及其支撑结构均与建筑现有的接地系统连接，并网逆变器开关柜等设备外壳接地，防止直击雷及触电危险。
另外，直流和交流回路中均设有防雷模块，防止感应雷击波伤害。
系统配有完善的通讯监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485或以太网或GPRS传输直控制中心，实现远程监控；同时如将同一地区多个并网电站的信息传输直同一控制中心，可方便区域的电网调度管理。
并网系统可作为一种补充性能源，而不能作为后备或主要电力；这是因为其发电量相对安装场所的用电量而言，一般比重不超过20%，而且由于其“孤岛保护”功能，即电网停电时，并网逆变器要与电网断开，以防止太阳能系统所发电力在电网停电检修时引发安全事故。
切忌不可按照并网系统的发电量而将并网系统与特定的负载挂钩，即将并网系统与特定负载实现一对一供电和用电。
这是因为并网系统的发电量依赖于系统的装机容量和天气条件（主要是光照和气温），其有效输出不是恒定的而是随机波动的；另一方面，负载的耗电量也会随负载特性（功耗的大小变化，如待机和工作时功耗明显不同）、负载投入使用的频次、使用时间而随机变化，因此如将并网系统和特定负载挂钩，将很难在不同时点上实现供需平衡。
理想的做法是将并网系统的输出直接连接在当地供电母排上，实现系统即发即用，就近使用，不足部分可从电网索取补充。
第二章项目概况及设计说明
2.1、项目概况
该矿有2×400kva变压器供电，互为备用。
用电负荷为：
照明150.78kw；动力314.37kw；合计465.15kw。
本项目拟建并网光伏电站。
出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑，采用固定式太阳能电池方阵，暂不考虑采用跟踪系统。
该项目可利用场地是：
1、场区北透视墙南侧绿地：
长167米，宽4米；
2、污水池上方：
60米*60米的30%面积。
2.2设计依据
《中华人民共和国可再生能源法》
IEC62093《光伏系统中的系统平衡部件-设计鉴定》
IEC60904-1《光伏器件第一部分:
光伏电流-电压特性的测量》
IEC60904-2《光伏器件第二部分:
标准太阳电池的要求》
DB37/T729-2007《光伏电站技术条件》
SJ/T11127-1997《光伏（PV）发电系统过电保护－导则》
CECS84-96《太阳光伏电源系统安装工程设计规范》
CECS85-96《太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范》
GB2297-89《太阳光伏能源系统术语》
GB4064-1984《电气设备安全设计导则》
GB3859.2-1993《半导体逆变器应用导则》
GB/T14007-92《陆地用太阳电池组件总规范》
GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》
GB/T18210-2000《晶体硅光伏方阵I-V特性的现
2.3设计说明
本项目拟建并网光伏电站，系统没有储能装置，太阳电池将日光转换成直流电，通过逆变器变换成400V交流电，供本场低压配电网，当电网发生故障或本场由于检修临时停电时，光伏电站也会自动停机不发电；当电网恢复后，光伏电站会检测到电网的恢复，而自动恢复并网发电。
2.4设计原则
并网光伏电站，采用分块发电、集中并网方案。
第三章、工程初步设计方案
3.1系统构成
图2-1
光伏并网发电系统由太阳电池组件、方阵防雷接线箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、配电保护系统、电力变压器和系统的通讯监控装置组成。
单晶硅太阳能电池组件及其支架—建议采用180Wp单晶硅组件；
方阵防雷接线箱—设计采用带组串监控的智能汇流箱（室外方阵场）；
直流防雷配电柜—将若干智能汇流箱汇流输入逆变器；
光伏并网逆变器—设计采用带工频隔离变压器的250kW光伏并网逆变器；
系统的通讯监控装置—设计采用光伏电站综合监控系统。
3.2自然条件（项目所在地区数据）
（1）基本风压W0=0.45kN/m2
（2）基本雪压S0=0.4kN/m2
（3）设计基本地震加速度值为0.20g。
3.2.1抗震设防
（1）根据《中国地震烈度区划图》北京市基本烈度8度。
（2）根据周边已建项目的地质勘察情况，本项目所在区域地貌单一，地层岩性均一且层位稳定，对基础无任何不良影响。
（3）抗震设施方案的选择原则及要求：
建筑的平、立面布置宜规划对称、建筑的质量分布和刚度变化均匀，楼层不宜错层，建筑的抗震缝按建筑结构的实际需要设置，结构设计中根据地基土质和结构特点采取抗震措施，增加上部结构及基础的整体刚度，改善其抗震性能，提高整个结构的抗震性。
3.2.2荷载确定原则
在作用于光伏组件上的各种荷载中，主要有风、雪荷载、地震作用、结构自重和由环境温度变化引起的作用效应等等，其中风荷载引起的效应最大。
在节点设计中通过预留一定的间隙，消除了由各种构件和饰面材料热胀冷缩引起的作用效应。
在进行构件、连接件和预埋件承载力计算时，必须考虑各种荷载和作用效应的分项系数，即采用其设计值。
①风荷载
根据规范，作用于倾斜组件表面上的风荷载标准值，按下列公式（1.1）计算：
Wk=âgz.ìs.ìz.W0
式中:
−Wk风荷载标准值（kN/m2）；
−âgz高度z处的阵风系数；标高20米位置取值1.69.
−ìs风荷载体型系数，按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取值。
取值为1.3。
−ìz风压高度变化系数；取值1.25.
−Wo基本风压（kN/m2）。
北京地区基本风压取值0.45KN/M2,按规范要求，进行构件、连接件和锚固件承载力计算时，风荷载分项系数应取ãw=1.4，即风荷载设计值为：
w=ãwwk=1.4wk
该项目取值为1.73kN/m2
②雪荷载
屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应下式计算：
Sk=ìrSo
式中，−Sk雪荷载标准值（kN/m2）；
−ìr屋面积雪分布系数；根据规范取值0.6；
基本雪压So（kN/m2）；依北京地区50年一遇最大雪荷载查规范取值0.4kN/m2；
则该项目最大雪荷载参考值为0.24kN/m2.
③结构自重
太阳能组件：
Q1=0.16×3=0.48kN
Q2=0.04×4.4=0.18kN
共计0.66kN
即太阳能组件自重为0.66/（1.3×3）=0.17kN/M2
钢结构自重：
0.1kN/M2
楼顶支架系统结构自重为0.27kN/M2
按规范要求，结构自重的分项系数取ãG=1.2。
即楼顶支架系统总结构自重计算为0.32kN/M2
（注：
承重梁预埋水泥墩重量：
0.4×0.4×0.4×24.5×4=6.27kN
计算为6.27/（1.3×3）=1.6kN/M2，因其预埋在承重梁上，完全可以达到载荷的要求，在楼面荷载中不做详述）
④荷载组合
按规范要求对作用于组件同一方向上的各种荷载应作最不利组合。
太阳能支架系统倾斜平面上的组件，其平面外的荷载最不利荷载组合风载、雪载、结构自重合计为：
0.6×1.73+0.24+0.32=1.6kN/M2，
满足本建筑物楼顶对载荷的要求。
太阳能组件综合载荷为0.7kN/M2亦满足楼顶对载荷的要求。
抗风及抗拔力考虑，由于支架系统基座水泥墩，且水泥墩和系统支架自重已达1.87kN/M2，总重量已远远大于水平风压，因此该太阳能发电系统重量可满足抗风及抗拔力要求。
3.3太阳电池阵列设计
3.3．1、太阳电池组件选型
目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。
1单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为15%，是转换效率最高的。
本方案设计采用180Wp单晶硅太阳电池组件，见图2-2。
图2-2太阳电池组件
组件电性能参数
单晶硅太阳电池组件技术参数
型号
标准功率
pm
开路电压
voc
最佳工作电压
vm
短路电流
Isc
S-180C
180W
44.6V
45.0V
5.50A
规格
重量
组件尺寸
最佳工作电流
im
安装孔数
单晶
16.3Kg
1575×826×46
5.0A
10-φ9腰圆孔
注：
标准测试条件（STC）下—AM1.5、1000W/m2的辐照度、25℃的电池温度。
②I-V曲线图
如图2.2.4I-V曲线图所示。
图2.2.2I-V曲线图
3.3.2、光伏阵列表面倾斜度设计
从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。
对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：
Rβ＝S×[sin（α+β）/sinα]+D
式中：
Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量
S——水平面上太阳直接辐射量
D——散射辐射量
α——中午时分的太阳高度角
β——光伏阵列倾角
根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。
本方案假设设计太阳能光伏阵列安装倾角为35°时，全年接受到的太阳能辐射能量最大。
考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，因此本项目设计采用固定的光伏方阵。
3.3.3电池组件固定式支架间距测算
当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高大建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或前排方阵的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。
一般确定原则：
冬至当天9:
00～15:
00太阳电池方阵不应被遮挡。
光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离应不小于D。
计算公式如下：
Lsn=Hctgh
式中：
H—光伏阵列垂直高度
h—分别为太阳高度角
太阳高度角：
项目所在地北纬40°
h=90-（23°26＇+40°）=26°34＇
H=2.42
Lsn=Hctgh
=2.42×2.014
=4.87米
3.3.4现场总平面布置图
3.3.4.1污水池上方搭建750块
3.3.4.2.透视墙南侧432块
3.3.4.3太阳能电池板安装数量统计表
序号
建筑物名称
可安装电池板数
备注
1
污水处理池上方
750
2
北侧透视墙南侧
432
3
合计
1182
3.3.5.光伏方阵电气设计
太阳能光伏系统依其组件性质单独电气设计，单晶硅太阳能发电系统。
系统经由系统内并网逆变器将太阳能直流电转换为交流电，并入建筑物内低压电网,供建筑负载使用，在配电室低压进线总开关内层安装防逆流装置，避免电流送入外部高压电网。
3.3.5.1系统直流侧最高工作电压
在光伏并网发电系统中，系统直流侧的最高工作电压主要取决于逆变器直流侧最高电压，以及在直流回路中直流断路器额定工作电压。
但设备的工作电压与设备所处的工作环境和海拔高度有关，室外温湿度，根据GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》、GB/T16935《低压系统内设备的绝缘配合》及直流开关、并网逆变器的资料，电站现场设备的绝缘水平应与正常使用条件基本相当。
直流输入范围一般在200V～510V之间，最大输入电压为600V。
3.3.5.2组件串联方式设计
在组件串联方式设计中，计算组件串联数量时，必须根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的开路电压温度系数。
采用18块串联。
串联后的电压为：
18×12V=216V
直流216V更加也便于方阵排列和走线，并且满足并网逆变器电压需求。
3.4、方阵支架基础设计
该项目单板如果采用180Wp的太阳电池组件，一斜排4块太阳电池组件。
其中，180Wp单板尺寸为：
1575mm×826mm×46mm，架设方阵倾角为44o。
方阵支架基础采用C25混凝土现浇，预埋安装地角螺栓，单个基础0.08m³（0.4×0.4×0.6）。
3.5电站防雷和接地设计
为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。
（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择污水处理场附近土层较厚、潮湿的地点，挖1～2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于4欧姆。
（2）直流侧防雷措施：
电池支架应保证良好的接地，太阳能电池阵列连接电缆接入光伏阵列防雷汇流箱，汇流箱内含高压防雷器保护装置，电池阵列汇流后再接入直流防雷配电柜，经过多级防雷装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。
（3）交流侧防雷措施：
每台逆变器的交流输出经交流防雷柜（内含防雷保护装置）接入电网，可有效地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。
3.6智能汇流箱设计
根据实际情况，太阳电池阵列，共为63串，需配置5台智能汇流箱（APV-M12路3台，APV-M16路1台）。
3.7直流配电柜设计
直流配电柜按照250kWp的直流配电单元进行设计，需1台（YLDPC-500）直流配电柜。
3.8光伏并网逆变器
本方案设计采用光伏并网变流器（SPG-250K3）8路，额定功率为250kW，均含有隔离并网变压器，实现电气隔离。
逆变器的核心控制采用基于SVPWM的无冲击同步并网技术，保证系统输出与电网同频、同相和同幅值。
①性能特点
●大功率IGBT模块并联技术，过载能力强
●功率组件模块化设计，便于组装调试及维护
●DSP全数字化矢量控制，性能优异
●先进的最大功率点跟踪技术（MPPT）
●宽电压输入范围，提高发电效益
●高效工频变压器隔离，安全可靠，提高效率
●全新的整机散热方案，提高散热效率
●完善的故障自检、保护和显示功能，系统的可靠性更高
●标准通讯接口，便于远程监控
●智能触摸人机界面
●可适应恶劣的电网环境
②技术指标
250kW光伏并网变流器（SunVert150）
直流侧
推荐光伏组件功率
250kw
最大直流输入电压
880Vdc
MPPT电压范围
450Vdc-820Vdc
最大额定电流
200A
交流侧
额定输出功率
150kw
额定输出电流
200A
并网电压范围
380Vdc（-15%-+10%）
并网电压频率
50Hz±0.5Hz
电流畸变率（THD）
＜4%（额定功率）
功率因数
≥0.99（额定功率）
系统
最大效率
97%
工作温度
-25-+55
冷却方式
强迫风冷
显示/操作
液晶触摸屏
防护等级
IP20
通讯接口
乙太网
外型尺寸
宽高深
2200×2000×850（mm）
重量
1960Kg
3.9发电计量系统配置方案
光伏发电设备的计量点通常设在光伏并网逆变器的并网侧，该电度表是一块多功能数字式电度表，不仅要具有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。
同时，该表还可以提供灵活的功能：
显示电表数据、显示费率、显示损耗、状态信息、报警等。
此外，显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改，通过光电通讯口还可处理报警信号，读取电度表数据。
本项目拟采用三相感应式交流电能表，该产品性能稳定可靠，可以用于计量三相电网中有功电能，提供双向计量。
图2.2.9三相感应式交流电能表
3.10、数据采集方案
并网光伏发电系统综合监控系统的基本功能包括：
光伏并网逆变器运行状态的监视；
并网光伏发电系统发电量计量与统计；
并网光伏发电系统环境检测；
光伏并网逆变器运行调度。
（1）监控系统功能介绍
光伏发电监控系统采用具有国际先进技术水平的国产化设备。
自动化通讯、数据采集技术，结合了SCADA系统的优点，是一套完整高效的光伏发电监控系统，具备本地和远程监控功能。
本地监控系统采用安装在变流柜上触摸屏，监控范围包括环境参数、汇流箱、光伏并网逆变器等。
主要监控数据包括光伏发电单元的直流输出电压、电流和功率，光伏并网逆变器进出侧电压、电流、功率、并网频率和内部参数，另外还有环境温度、光照度等。
远程中心监控系统采集各本地监控系统的数据，进行数据汇总、查询、统计、报警等功能。
用户在办公室也能实时掌握现场设备运行状态，并能查询发电量统计和故障信息。
第四章电气系统安全性设计
4.1防逆流装置设计
为保障该太阳能发电项目不会将所发电力输送至外部高压电网，特此，在主配电盘加设防逆流保护装置，即当供配电系统用电负荷不足，光伏发电超过负载用电时。
供电变压器的次级处会出现逆电流。
当逆电流超过逆变器额定电流的5%时，逆向功率保护装置动作，会在0.5到2s内将光伏系统与电网断开。
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