光伏电站设计郭清华2015.05目录地面光伏电站光伏电站设计依据光伏电站设计流程光伏发电的主要设备关键设备选型原则光伏电站发电单元布置系统方案设计电气系统设计土建结构设计其他一、地面光伏电站地面光伏电站主要由光伏方阵、防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、SVG无功补偿系统、升压系统、高压保护系统、直流系统、计量接入系统、监控通讯系统、交直流电缆、气象站、支撑系统、防雷保护系统、照明系统、消防系统、暖通系统、给排水系统、安保系统等构成；另设计单元逆变房、低压配电室、高压配电室、消防通讯室、综合楼（用于站区生活办公、监控管理）。地面光伏电站占地范围大，涉及面较多，一般需进行总图设计。地面光伏电站招标要求、业主技术要求（设计范围）可行性研究报告地质勘查报告电气一次、二次接入系统报告及批复项目租地、征地红线图场地地形地貌图《光伏发电站设计规范》GB50797-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》GB/Z19964-2005踏勘或尽调报告项目会议纪要与项目情况相关的法规和标准关键性设计依据二、光伏电站设计依据《光伏（PV）系统电网接口特性》GB/T20046-2006《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005《光伏（PV）发电系统过电压保护－导则》SJ/T11127-1997《光伏电站接入电网技术规定》Q/GDW617-2011《光伏电站接入电网测试规程》Q/GDW618-2011《电能质量电压波动和闪变》GB12326-2008电能质量电力系统供电电压允许偏差》GB12325-2008》电能质量公用电网谐波》GB／T14549-1993》电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-2008》其他法规和国家标准、行业标准相关设计依据光伏电站设计依据三、光伏电站设计流程地形地貌勘探水源、电力接入及运输能力考查项目概况及说明、项目分析系统接入报告及评审意见、可研报告及一次、二次批复文件用地红线图/坐标、地形地貌图、地勘报告系统接入报告及评审意见、可研报告及评审意见、地勘报告确定光伏阵列排列形式、倾角、间距、管理区布置用地预审、水保、环评、安评、矿压、文保等确定系统方案及关键设备选型总的部分、发电单元系统、高压配电装置、站用电系统、照明、防雷接地、电缆敷设及封堵等设计过程中存疑时开展二次保护系统（订货后开展）视频监控、火灾报警系统总图、房建、设备安装基础、光伏支架、设备安装支架、预埋管等综合楼、高压配电室、SVG室、逆变器室、门卫室、设备基础等综合楼、配电室、SVG室、逆变室、门卫室、设备基础、光伏支架给排水、采暖通风地面光伏电站项目设计流程尽调报告电气专业设计熟悉项目立项资（业主提供）项目资料深刻解读项目资料电气总平面布置电气主接线土建提资电气一次设计设计现场踏勘电气二次设计确定设计阶段，制定卷册目录及出图计划土建专业设计设备招标技术规范书总图建施图结施图水暖图外线送出工程（外协）电气一次、二次接入系统报告及批复（可先行开展一次系统部分设计）项目租地、征地红线图，场地地形地貌图（可先行开展发电单设计）地质勘查报告（判定地质和土层情况，影响坡面安装光伏的不确定性，开展结构设计的先决条件）开展设计的关键要素光伏电站设计流程•太阳电池组件是将太阳光的辐射能直接转换为电能的重要器件，是利用光生伏打效应，将太阳辐射直接转化为直流电能成熟进行输出也是光伏发电系统的核心部件。•市面较的太阳电池组件主流种类有单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜电池、砷化镓薄膜电池、硒铟铜薄膜电池，其中以多晶硅电池应用较广。•将多个电气性能相同的太阳电池组件按一定数量串联后，就构成了光伏组串。•一个或多个光伏组串通过支架固定安装后便构成了光伏阵列。•多个光伏阵列通过计划的排列后便构成了光伏方阵。太阳电池组件四、光伏电站的主要设备太阳电池组件光伏电站的主要设备晶体硅电池组件构成单晶、多晶电池组件双玻夹胶电池组件非晶薄膜电池组件太阳电池组件的安装形式光伏电站的主要设备建筑一体化BIPV屋面安装BAPV单轴跟踪式地面固定安装建筑一体化BIPV双轴跟踪式光伏并网逆变器光伏电站的主要设备并网逆变器是负责将光伏直流电能转变为交流电能、实现和公用电网的连接重要设备，具备电网信号检测、防孤岛保护、直流输入检测和最大功率跟踪、通讯等功能。主要分集中逆变器、组串逆变器和组件逆变器。集中逆变器一般用于大型地面电站，并具备低电压穿越功能，同时要求不自带隔离变压器。集中逆变器和组串逆变器均可用于中小型用户侧并网系统。组串逆变器一般采用非隔离方式，可户外安装。组件逆变器是采用交流母线的方式，将每块电池组件单独进行电力变换输出，系统结构简单，一般用于小型家用分布式并网发电系统。光伏并网逆变器原理图光伏电站的主要设备常规所说的“电平”就是指电路中两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值。相对于传统的两电平全桥逆变器，三电平NPC逆变器具有一系列优点：1）开关损耗小，效率高；2）开关动作时dv/dt小，引起的电磁干扰（EMI）小；3）输出电压波形为三电平，谐波含量少，所需的滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。光伏发电的主要设备汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。在提供汇流防雷功能的同时，还监测各光伏组串运行状态，输出电流、电压、功率，和防雷器状态、直流断路器状态采集，装置标配有RS485接口。直流防雷智能汇流箱光伏发电的主要设备箱式变电站（简称箱变）是一种把高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一定接线方案组合在一个或几个钢结构箱体内的紧凑型成套配电装置。美式箱变采用品字形排布，前面为高、低压操作间隔，操作间隔内包括高低压接线端子，负荷开关操作柄，无载调压分节开关，插入式熔断器，油位计等；后部为注油箱及散热片，变压器绕组、铁芯、高压负荷开关和熔断器放入变压器油箱中。变压器取消油枕。就近升压箱室变电站美式箱变比欧式箱变结构更合理，体积小、过载能力要强(甚至允许过载2倍2个小时，过载1.6倍7个小时而不影响箱变寿命)。光伏发电的主要设备就近升压箱室变电站原理图光伏发电的主要设备高压开关柜是用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电器产品。一般含高压断路器(熔断器）、弹簧操作机构、接地开关、高压避雷器、电流互感器、微机保护装置、各类仪表等。光伏电站常用开关柜型号：KYN61-40.5。含进线柜、出线柜、PT柜、站用电柜、SVG柜、接地变柜高压开关柜常用真空断路器，SVG柜一般采用SF6断路器。特殊情况要求用充气柜。光伏发电的主要设备静止无功发生器(StaticVarGenerator)，简称为SVG。是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。由三个基本功能模块构成：检测模块、控制运算模块及补偿输出模块。相比传统SVG运行稳定、响应时间快、调节平滑、运行范围宽、容量大。分直挂式和带降压变压器，内部连接方法也分星行和三角形。SVG及连接变光伏发电的主要设备主变是光伏电站依接入电压等级（接入点）要求设置的主升压变压器，设置与否也和项目容量有关。采用有载调压方式。设平衡绕组消除3次谐波，一般采用YN/yn0/d11连接组别。主变光伏电站35kV并网接入时直接从开关柜出线。采用110kV或更高电压等级并网接入时，需设置相应高压间隔和配电装置。一般分GIS和室外敞开式配电装置。主要含断路器、隔离开关、接地开关、PT、CT、母线等。高压配电装置光伏发电的主要设备变压器中性点接地保护装置专用于电力变压器中性点，以实现变压器中性点接地运行或不接地运行两种不同的运行方式；从而避免由于系统故障，引发变压器中性点电压升高造成对变压器的损害。常用形式：小电阻接地、消弧线圈接地、间隙接地、接地变接地，或组合使用。中性点接地保护装置光伏发电的主要设备微机监控系统五防系统远动通信系统故障录波及解列电能质量在线监测系统光功率预测系统（天气预报数据采集系统）有功、无功功率控制系统母差保护、线路保护、光差保护主变测控及保护直流电源系统火灾报警系统视频监控系统光伏电站自动化系统•非晶硅薄膜太阳电池虽具有弱光性好，受温度影响小等优点，但非晶硅太阳电池换效率相对较低，且在长时间的光照下会出现衰减现象。•CIGS薄膜电池转换效率高，但成本高。•单晶硅、多晶硅太阳能电池技术成熟、性能稳定、光电转化效率相对较高，已被广泛应用于大型并网光伏电站项目。•单晶硅比多晶硅组件的光电转化效率略高，但单晶硅组件的价格比多晶硅组件的价格略高近10%左右。•多晶硅太阳能电池组件的功率规格较多，目前光伏电站使用的有60芯片组件（60块165165硅片串联，功率约250-265Wp，峰值电压约30V），和72芯片组件（72块165165硅片串联，功率约300-315Wp，峰值电压约36V）。•72芯片的组件可节省支架成本，但安装费用、其他电器设备单位成本也偏高。•转换效率需满足国家要求。电池组件五、关键设备选型•常用的有12汇1，,16汇1，分支15A，输出250A。•正负极熔断器保护。•一般都选择带监控通讯的，方便运维管理。•直流配电柜或逆变器未设置防反二极管，一般需安装55A/1600V低压降防反二极管。•偶用8汇1。•72芯片的组件可节省支架成本，但安装费用、其他电器设备单位成本也偏高。•转换效率需满足国家要求。直流防雷汇流箱关键设备选型•逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、顺势过载能力及各种保护功能。•逆变器在满载时，效率必须在95％以上，在10%额定功率下，也要保证90％以上的转换效率。•逆变器输入直流电压有较宽的范围。由于太阳能光伏电池的端电压随负载和日照强度的变化范围比较大。直流电压高可已降到成本。•大型电站1MW单元常用两台500kW的逆变器分裂运行。•针对山地光伏电站不同的倾角和朝向，宜采用组串式逆变器已提高发电性能。•逆变器的MPPT电压范围尽可能宽，最大直流电压尽可能高。•逆变器采用集成直流柜方案可降低成本。•100kW和250kW大机在分布式电站应用较多。•需考虑海拨、污秽等级的降容因素。光伏并网逆变器关键设备选型•一般都是采用美式箱变，容量按发电单元规模配置1000kVA。•在太阳资源较好的地方，可以考虑1100kVA。•必要时低压侧可以采用抽出式断路器方便检修。•需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。箱变关键设备选型•容量一般按系统接入批复配置。•依电压等级及接入要求选择是否配置连接变和内部功率模块的接法。•相应的开关柜宜选用SF6断路器。•需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。SVG•GIS占地小、价格高、稳定性好，现场安装快。•敞开式配电装置站地大、成本低。高压配电装置•一般采用固定倾角式钢制支架。•单轴跟踪系统约可增加12%的发电量（依不同纬度）。•双轴系统约可增加20%的发电量（依不同纬度）。•跟踪系统投入成本高、维护成本高，稳定性差，仅高纬度项目会考虑。•支架方案的优化。光伏支架关键设备选型•一般有钢制螺旋桩、混泥土灌注桩、混凝土预制桩、混凝土预制基础（配重式）。•螺旋桩适合土层较好、腐蚀性少的场地，工期快。•混凝土灌注桩现场调节性能好，成本稍低。支架基础光伏支架选取形式，支架倾角、前后防遮挡间距。场地地形地貌对遮挡及发电性能的影响。场平方案的取向。需考虑海拨、污秽等级修正绝缘水平。布置考虑因素六、光伏电站发电单元布置逆变器室宜位于发电单元中央，电缆成本低、发电量稍大。场内道路需满足消防要求，需过逆变器室，采用4米碎石道路。各发电单元宜整齐美观。注意汇流箱的布置和汇线方式，尽量减少前后排光伏阵列的组串汇流方式，以及控制汇流箱电缆的长度和选型。场内道路宜按东西方向设置，并利用前后排光伏阵列的防遮挡间距。南北方向尽量少修纵向道路。如无必要尽量减少场地四周道路。布置原则发电单元电池组件功率和逆变器功率配置1.05:1，一般在光照条件较好的区域，且按批复容量数设置发电单元数，无形节省了0.05MW单元数的路条成本；1.1:1，一般在光照条件稍不太好区域，且按项目总容量接近批复容量考虑，无形节省了部分电气设备（逆变器、箱变）的成本投入，但存在限发电的可能。EPC项目建议按1.1:1方案。宜选用72芯片的电池组件，光伏支架和基础成约低0.07元/Wp，但电气设备的利用率偏低，占地面积偏大，安装成本稍高。发电单元设计七、系统方案设计箱变容量和逆变器功率宜按1:1配置。发电单元宜采用2台500kW的逆变器，箱变应采用三绕组双分裂方式。宜采用逆变器集成直流柜方案节省成本。光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9:00~15:00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡宜按年均发电量最大选择最佳倾角，方向朝正南需要场地地形地貌，合理选择（多种）防遮挡间距在项目面积和地形的限制下，可适量降低倾角、缩短防遮挡间距，并调整朝向，以满足装机容量和发电性能要求倾角及防遮挡间距系统方案设计合理选择集中式逆变器还是组串式逆变器。逆变器器输出电压宜尽量高，节省至箱变的交流电流及箱变绕组成本。除低电压穿越外，宜选择具备零电压穿越、高电压穿越功能的逆变器。合理要求逆变器元器件配置品牌集中式逆变器宜选择集成直流柜方案。逆变器的结构应方便施工接线也运维。应要求易损件的清单和专项工具逆变器系统方案设计•GB50797-20112《光伏发电站设计规范》条文说明中7.2.2提供了一个固定式光伏方阵冬至日当天9:00~15:00不遮挡间距计算公式•其中：•D——两排阵列的间距•L——阵列倾斜面长度•Φ——当地纬度•β——组件倾角•如果竖直安装两排组件的话，那么阵列倾斜面长度L=1650+1650+20=3320•Φ=37.5°；β=37°经过计算得出D=7865.3•这只是没有南北坡度的时候的计算结果tan4338.0707.04338.0tan707.0sincosLLD系统方案设计组串串联数尽量多，减少连接线缆和施工难度；组串电压尽量高，可有效降低系统线缆损耗；组串在标准状态下，最大功率点电压应在逆变器MPPT范围内；组串在标准状态下，最大功率点电压，尽量在逆变器最大转换效率输入直流电压附近；组串在高温条件下，最大功率点电压降低，但仍应在逆变器MPPT范围内；组串在低温条件下，最大功率点电压升高，但仍应在逆变器MPPT范围内；组串在低温条件下，开路电压升高，但不得超过逆变器最高电压，以保障逆变器运行安全。在考虑电池组电压温度特性、弱光伏特性，意见项目地气候因素的情况下，组串输出电压应满足逆变器的的直流输入电压要求。组串数量还应考虑实际情况需要。（如组串式逆变器21串，22串）光伏组串设计系统方案设计光伏组串设计minmax'''[1(25)][1(25)]mpptmpptpmvpmvVVNVtKVtKKv——光伏组件的开路电压温度系数Kv'——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）t——光伏组件工作条件下的极限低温（℃）t'——光伏组件工作条件下的极限高温（℃）N≤Vdcmax/Voc×96％N＞Vdcmin/Vmp×96％式中：Vdcmax——逆变器绝对最大输入电压；Vdcmin——逆变器绝对最小输入电压；Voc——电池组件开路电压；Vmp——电池组件最佳工作电压光伏系统装机总容量：P系统发电效率：η=η1η2η3=81%光伏阵列效率η1=88%，出力系统、温度、灰尘、线损、MPPT精度等影响逆变器效率η2=95%，系统并网效率η3=97%当地水平面年均峰值日照小时数（太阳总辐射量、辐射功率）光伏斜面峰值日照小时数：H系统年有效发电天数：T（360天）系统发电衰减率：0.8%/年系统首年发电量：Ep=PηHT单位容量首年发电量：E=Ep/P等比数列（EXCEL表）求25年累计发电量和年均发电量系统发电量估算系统方案设计Ep=HA×PAZ×K式中：HA——为水平面太阳能年总辐照量(kW·h/m2);Ep——为上网发电量(kW·h);PAZ——系统安装容量(kW);K——为综合效率系数（η）Ep=HA×S×K1×K2式中：HA——为倾斜面太阳能总辐照量(kW·h/m2);S——为组件面积总和(m2);K1——组件转换效率;K2——为系统综合效率系统发电量其他公式系统方案设计发电单元采用2台500kW的逆变器，箱变应采用三绕组双分裂油浸美式箱变。箱变组别宜采用Y,D11,D11，控制谐波。箱变检修变容量宜合理箱变宜按使用要求确定高压侧接线端子的数量箱变宜设置电缆固定支架应要求易损件的清单和专项工具箱变系统方案设计八、电气系统设计卷册分类：电气总的部分（含设计说明、主接线、电气平面布置、总材料清单）设计光伏发电系统（含汇流箱、逆变器、箱变等电气图）35kV配电装置（含电气原理图、设备布置图）主变（含主变电气原理图、接地装置图）110配电装置（含相应配电装置电气原图、设备布置图）站用电系统（含站区供电、配电设计和设备）防雷接地（含管理区和光伏场区）电缆敷设及防火封堵（含管理区和光伏场区）设备采购技术规范书电气一次电气系统设计注意事项：依接入批复设计电气主接线系统短路电流计算方案及设备的优化设计确定好关键设备选型（含高压开关柜、SVG、主变、接地装置等）站用电系统中，空调和采暖负荷不重复统计跨专业提资和会签电气一次电气系统设计卷册分类：总的、公用部分35kV部分电源部分视频及火宅报警部分其它部分（发电部分）（主变部分）（110kV部分）（10kV部分）电气二次电气系统设计总的、公用部分公用测控屏各类告警信号各段母线电压站用电电压电流其它信号等后台监控系统遥控输出计算量输出总的、公用部分一般包含通讯部分、对时部分、公用信号部分、公用电压部分等（设计说明、电缆编册）。包含网络图、对时图、信号图、PT原理图等。电气系统设计35kV部分保护系统测量系统35kV开关柜一次二次母差保护安稳系统控制信号系统计量系统接地系统录波系统其它信号35kV部分包含35kV开关柜原理图、35kV系统的保护测量计量图、断路器控制原理图等电气系统设计电源部分直流屏交流屏操作电源，继保综自电源，通讯电源等UPS屏其它需电源地方监控、通讯、视频、火宅报警电源等电源部分一般包含交流屏、直流屏（充电、馈线屏、电池屏、）、UPS电源屏、通讯电源屏等。电气系统设计视频监控、火灾报警部分视频监控、火宅报警部分一般独立成册，与其它二次分册联系不大。包含视频监控系统图、摄像头定点布置图、火灾报警系统图、探测器报警器布置图等。合理规划、以人为本参考电气总平面布置设计总图合理制定场平方案需考虑防排洪措施逆变器室的排风需考虑当地常年主动风向场区绿化总图九、土建结构设计地勘报告要准确、真实综合楼的设计需考虑生活及办公的需要，并满足消防验收要求。注意电气专业的衔接相应原材料宜就近选用土建按规范及标准合理设计满足抗震要求需因地制宜结构设计土建结构设计注意支架方案的优化、降本支架需考虑组件最低点距地面的距离不宜低于300mm，并考虑当地最大积雪深度、当地的洪水水位、植被高度等因素围栏宜考虑当地特色支架及围栏水工：根据相应要求及标准，合理设计管理区给水、排水、污水系统场内一般不设水工设施，需考虑场内排水设计个别有设置组件清洗官网消防：预防为主，防消结合逆变器室设干粉灭火器管理区可设消防水池、消防沙、消防推车、灭火器等暖通：依据当地情况合理设计采暖及空调系统逆变器房一般仅做通风轴流风机环境保护及水土保持针对项目情况合理设计环境保护及水土保持方案十、其他