王斯成国家发改委能源研究所光伏发电技术和系统设计1、光伏发电的特点2、光伏发电系统的设计（资源评估、系统构成、设备选型、太阳电池、逆变器、汇流箱、组串设计、发电量计算、数据采集和监控等）3、用户侧并网的光伏系统：“净电量计量”法、单向双表计量、最大并网容量、“逆功率”和“防逆流”，德国VDE标准等；4、特殊设计：遮挡计算、抗风计算、防雷和接地等；5、二氧化碳减排计算6、RetScreen软件介绍目录1、光伏发电系统设计并网光伏发电系统的设计步骤1、在考察的基础上进行预可行性研究（RetSchreen）；2、技术方案确定和设备选型（太阳电池、逆变器、监控、其它设备、运行方式等）；3、工程设计：与建筑结合、土建施工方案、抗风能力、防雷接地、电网接入系统；4、特殊设计：1)对于BIPV和BAPV：并网方式、遮挡计算、专用BIPV组件的安装设计、造型和美观等;2)对于大型光伏电站：占地计算、场地、基础、机房、围栏、自动跟踪系统等。太阳能资源评估5太阳辐射传输过程示意反射散射吸收直射地面反射670E80E90E100E110E120E130E目前进行日照观测的基本气象站15N25N35N45N55N中国气象局地面观测网——日照7中国目前可以取得的太阳辐射资料我国1953年开始测量太阳辐射，气象台站数量从解放初的70个发展到现在的2610个，其中气象站2300个（县级气象站），气象台310个。县级气象站的主要任务是对风（台风）、气温、湿度、降雨、雪、雹、地温等参数的观测和预报，与太阳辐射相关的数据只有“日照时数”。日照时数的测量是用感光纸记录光强大于120W/m2的时间，分辨率为10分钟。从国家气象局网站上可以查到全国122个气象台1957-2007年的辐射数据（不包括台湾、香港和澳门）。1993年以前，全国有66个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据，1993年以后，全国只有17个气象台有水平面太阳总辐射和散射辐射的数据。8布格-朗伯定律:SD’=S0FmS0=1350W/m2余弦定律:ST’=SD’COSZm=1/Sin×P/P0Sin=SinSin+CosCosCosN=23.5Sin(360(284+N)/365)DT’=Dp’(1+CosZ)/2RT’=ρQp’(1-CosZ)/2S9太阳能资源的单位换算1992年以前的太阳辐射单位：Kcal/cm21992年以后：MJ/m2光伏设计用辐射单位：kWh/m21卡=4.18焦耳，1焦耳=1ws甘肃武威水平面年辐射量：6141.6MJ/m26141.6106/3600/1000=1706kWh/m21706kWh/m2/365=4.70kWh/天甘肃武威水平面年辐射量：147Kcal/cm21471034.1810000/3600/1000=1706.8kWh/m21706kWh/m2/365=4.70kWh/天10太阳能资源数据(10年平均值MJ/m2(kcal/cm2))水平面上的太阳能资源太阳电池方阵倾斜面上的太阳能资源方阵倾斜面上的太阳辐射量由计算机辅助设计软件完成（RetScreen）.对于独立光伏系统：优化设计太阳电池方阵的倾角有利于增加冬天的充电电流，适当减少夏季的充电电流，从而有效避免蓄电池的过充电和过放电，也有利于减少蓄电池的冬季储备容量，减少初投资。对于并网光伏系统，追求全年发电量最大，倾角的选择又不相同。对于聚光太阳电池，要求DNI（DirectNormalInrradiation）的辐射数据，我们国家没有。11中国水平面太阳辐射分布图等级资源带号年总辐射量（MJ/m2）年总辐射量（kWh/m2）平均日辐射量（kWh/m2）最丰富带I≥6300≥1750≥4.8很丰富带II5040–63001400–17503.8–4.8较丰富带III3780–50401050–14002.9–3.8一般IV<3780<1050<2.912全国平均不同发电系统的年利用小时数Fullrunninghrs(peakhrs)fordifferentlocation独立光伏电站效率：60-65%；Eff.ofstand-alongsys.建筑并网光伏发电效率：70-75%；Eff.ofBIPV&BAPV大型并网光伏电站效率：75-80%。Eff.ofLS-PV不同地区水平面年太阳辐射Horizontal（kWh/m2)倾斜面年太阳辐射Tilted（kWh/m2)独立光伏电站Stand-along建筑并网系统BIPV&BAPV开阔地并网系统LS-PV西北地区West1610.801828.41125014501540东南沿海East1364.651502.04100012001250全国平均Average1487.731665.2311001250135013光伏电站的系统构成和设备选型14大型荒漠电站设备配置和选型太阳电池方阵接线箱直流配电逆变器交流配电数据采集、显示和通信太阳电池16导体绝缘体半导体NPFGPNNPN-P+I17太阳电池的结构18太阳电池、组件和方阵单体组件方阵19太阳电池的I-V特性及功率曲线I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压标准条件：AM=1.5Q’=1000W/m2T=25C光强I温度V(-20太阳光强与开路电压和短路电流的关系I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压21温度的影响随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C每片电池的电压减少2mV；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为－0.35%/C。也就是说，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。22光强的影响光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100W/m2-1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在400W/m2-1000W/m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。23串联回路太阳电池的热斑现象1.d点，此时工作电流为零，组开路电压VGd等于电池1和电池2的开路电压之和；2.c点，电池1和电池2都有正的功率输出；3.b点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载；4.a点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电压已经反向，电池2成为电池1的负载；5.应当注意到，并不是仅在电池组处于短路状态才会发生“热斑效应”，从b点到a点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态，如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳电池短路，此时就很容易形成热斑。24并联回路太阳电池的热斑现象1.a点，此时电池组的工作电压为零，短路电流Isc等于电池1和电池2的短路电流之和；2.b点，电池1和电池2都有正的功率输出；3.c点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在开路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载；4.d点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电流已经反向，电池2成为电池1的负载，此时电池1的功率全部加到了电池2上，如果这种状态持续时间很长或电池1的功率很大，也会在被遮挡的电池2上造成热斑损伤。5.应当注意到，从c点到d点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态。25防止热斑现象发生-+负载防止热斑现象的办法就是加装旁路二极管和阻断二极管。旁路二极管的作用是在被遮挡组件一侧提供电流通路；阻断二极管的作用是阻断被遮挡组件上的反向电流。26逆变器27并网逆变器的要求1.逆变器转换效率2.可靠性（元器件选择、保护功能）3.输出电流总谐波4.电子兼容技术（电磁干扰、防雷、接地、浪涌、漏电等）5.最大功率点跟踪技术（MPPT）6.电网锁相技术7.孤岛检测和防护8.并网电路拓扑结构9.并网系统的群控、监控及调度技术并网逆变器的拓扑结构（自身带有隔离变压器）并网逆变器的拓扑结构（通过升压变压器并入高压电网）太阳电池的最大功率跟踪（MPPT）要求：快速、准确和稳定孤岛现象和防护孤岛现象：当电网的部分线路因故障或检修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围的负载构成一个自给供电的孤岛。IEC62116ed1.0（2005）光伏并网逆变器防孤岛测试方法TestingProcedure-IslandingPreventionMeasuresforPowerConditionersusedingridconnectedphotovoltaic(PV)generationsystems32大型荒漠电站关键设备和技术难点：太阳电池、逆变器、监控系统、自动跟踪、电站工程建设、电网接入系统。超大规模光伏发电（VLS-PV)超大规模光伏发电（VLS-PV）是国际能源机构（IEA）的第8项任务（Task8），主要研究、追踪超大规模光伏发电的技术和信息，并开展国际间的交流和合作。。VLS-PV是指10MWp以上的光伏发电系统，一般指荒漠光伏电站。大规模光伏电站（LS-PV）技术特点1、在输电网（发电侧）并网，电流是单方向的；没有储能系统；2、并入中压电网（10kV，35kV，110kV);3、不能自发自用和“净电表计量”，只能给出“上网电价”；4、少量自用电从电网取（小于1%）（BIPV的大部分电自用）；5、一般功率很大，1MW以上；6、一般都是无人值守；7、要求离负荷中心较近，就地消化；8、一般占用荒地；9、自动跟踪和聚光电池一般都是用在荒漠电站；10、带有气象和运行数据自动监测系统和远程数据传输系统。大型并网光伏电站配置大型荒漠电站设备配置和选型太阳电池方阵接线箱直流配电逆变器交流配电箱式变压器数据显示和通信光伏电站的组串设计1、取决于逆变器的直流输入电压范围和最高允许电压；2、取决于光伏组件的Vm和Voc；3、取决于当地冬季白天最低温度。电站场地整理1、炉渣铺垫、压实2、只对道路进行处理3、不做任何处理4、依势而建，没有平整。ConstructionPhases建设阶段(1)EarthMoving平整土地•Ifnecessary,useofheavymachinery如需要，使用重型机械•Nosealing/coatingneeded不需覆盖土地•Constructionsiteneedsstorageplaceforequipment施工地点需安排设备堆放场地Geodesy,Geology,MicroClimate测量，地质，微气候•Basicsforconstructiondrawings&scheduling施工图的基础•StaticAnalyses(WindSpeed,WeightofSnow)influencematerialcosts静力分析（风速、雪重）影响材料成本•PartofEnergyYieldCalculation产电量计算Source:PhoenixSolar41太阳电池支架水泥地基简单地埋直接埋地水泥墩地扦固定ConstructionPhases建设阶段(2)Ramming打桩•Deploymentofenvironmentallyfriendlyrammingtechnologies开发了环境友好的打桩技术•Levelingoffgeologicalspecialties按地质特性调整•Ideallyfacilitatestheexactalignmentofsupportbeams使得桩基的对直非常方便Source:PhoenixSolar43ConstructionPhases建设阶段(3)ErectionofSystems•InstallationofmainbeamsErectionofSystems•Installationofangel-irondependingongeographicalposition•InstallationofcrossbeamsSource:PhoenixSolar44电站机房预制机房混凝土机房木制机房没有机房电缆铺设ConstructionPhases建设阶段Electrical-TechnicalWorks电气连接•Constructionandinstallationofdistribution-,transformer,andinverters安装配电箱、变压器和逆变器InstallationofCables敷设电缆•Preparingfinalinstallation准备最后的安装•Digoutearthcablechannels开挖电缆沟•LayingofStrings&Strapping放入电缆Source:PhoenixSolar47大型电站组串汇流箱防雷（组串）汇流箱大型电站组串汇流箱大型电站组串汇流箱？直流保险太阳电池的反向电流能力一块36片电池串联而成的太阳电池组件，额定工作电流为5A，其反向导通电压（即二极管的正向导通电压）为18V，所能承受的反向电流为20A（需要测定）；太阳电池组件的正向开路电压为21V，假定2块组件并联，其中1块被遮挡，在标准日照下另一块组件对其注入的反向电流大约仅有2A（需要测定），则无保护条件下可以并联的组件数量最多为10块。太阳电池的反向电流能力（RCA）越来越多的光伏组件供应商开始在数据清单中标注这一参数。对于小型或中型电站，这一参数没有什么意义。大多数供应商认为IEC61215中10.3节的绝缘电阻测试已经足够了，但是对于大型光伏电站来说是不够的。对于没有安装组串保险或阻断二极管的组串，RCA的数值将决定组串的数量！如果安装组串保险，则使得系统变得更复杂。新标准ENIEC50380中3.6.2节明确规定组件必须标注反向电流能力（RCA）的数值。反向电流能力的数值越高，没有保险的组串的并联数也就可以越大。当每个组串被遮挡时，不会由于热斑而损坏。注意：询问组件供应商，如果安装保险，应当是什么型号。太阳电池的反向电流能力（RCA）并联连接的组串应当有保护，即直流保险。注意：“光伏保险”的技术参数尚不存在。一般来说组串之间出现的短暂的电流属于“缓升的短路电流”。因此，由持续电弧引起的过热/退火/接线盒和电缆的烧毁都可能发生！注意：一般来说可以在组件供应商提供的数据表上查到推荐的电流值，设法找到推荐的保险类型。例外：在不安装保险的情况下，就应当提供反向电流能力参数。对于并联组串，组串的并联数不应当超过其反向电流承受值的60%。例如：组件的反向电流能力（RCA）=25A组件的短路电流=6A组串的并联数：4(=RCA100%)正确的组串数=3(=RCA72%)，大约28%安全系数。无锡尚德太阳电池组件说明书样本maximumseriesfuseratingIEC61730-2“光伏组件安全性鉴定”第二部分：试验要求10.9ReversecurrentoverloadTestMST26反向电流过载试验10.9.1PurposeModulescontainelectricallyconductivematerial,containedinaninsulatingsystem.Underreversecurrentfaultconditions,thetabbingandcellsofthemoduleareforcedtodissipateenergyasheat,priortocircuitinterruptionbyanover-currentprotectorinstalledinthesystem.Thistestisintendedtodeterminetheacceptabilityoftheriskofignitionorfirefromthiscondition.AlaboratoryDCpowersupplyshallbeconnectedtothemodulewithpositiveoutputconnectedtothepositiveterminalofthemodule.Thereversetestscurrent(Itest)shallbeequalto135%ofthemodule’sovercurrentprotectionrating,asprovidedbythemanufacturer.ThetestsupplycurrentshouldbelimitedtothevalueofItest,andthetestsupplyvoltageshallbeincreasedtocausethereversecurrenttoflowthroughthemodule.Thetestshallbecontinuedfor2h,oruntilultimateresultsareknown,whicheveroccursfirst.NOTEConcerningthemaximumovercurrentprotectionrating,see12.2ofIEC61730-1.直流配电柜防雷和接地ConstructionPhases建设阶段(5)InstallationofModulesandSecuringofPlant安装组件和防护•SecuritySystems:安保系统,fences,cameras&motiondetectors•栅栏、监视器、移动探头Source:PhoenixSolar59电网接入系统自动跟踪系统和聚光电池不同跟踪方式全年太阳能收益对比0.02.04.06.08.010.012.014.0123456789101112月份辐射量(kWh/m2/天)水平面固定倾纬度角单轴水平跟踪双轴全跟踪固定纬度角：比水平面提高14%；单轴水平跟踪：提高40%；单轴跟踪倾纬度角：提高51%；双轴高精度跟踪：提高56%。纬度：33.43ºN，经度：112.02ºE，海拔：339米。美国Arizona州PhenixWBANNo.：23183气象站1961-1990的测试数据：纬度：33.43ºN，经度：112.02ºW，海拔：339米，气压：974毫巴62自动跟踪系统分类太阳电池方阵可以固定向南安装，可以安装成不同的向日跟踪系统。分为地平坐标系和赤道坐标系。1、地平坐标跟踪系统以地平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳高度角（太阳射线与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正南方向的夹角）。地平坐标跟踪分为：方位角跟踪和全跟踪。太阳高度角太阳方位角DD正南Sin=SinSin+CosCosCosSinβ=CosSin/Cos地平坐标示意图64赤道坐标系图示2、赤道坐标跟踪系统以赤道平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳赤纬角（太阳射线与赤道平面的夹角）和太阳时角（地球自转的角度，正午为零，上午为正，下午为负）。赤道坐标跟踪分为极轴跟踪、全跟踪和水平轴跟踪。极轴坐标跟踪系统原理图全跟踪极轴跟踪极轴跟踪的最大跟踪误差为：±23.5度；COS23.5=0.917,仅有8.3%，全年平均误差：4%。平板自动向日跟踪系统67极轴跟踪系统连排极轴跟踪系统独立极轴跟踪系统68固定支架和单轴自动跟踪支架的比较自动跟踪支架固定支架69高倍聚光太阳电池400X500X250X250X低倍聚光太阳电池关于数据采集和远程监测IEEE1547规定，功率超过250kW的分布式电源必须安装监测系统，以监视DR的接入状态、有功、无功输出和连接点的电压。数据采集和远程监测系统工作界面宣传界面美国Springevell5.0MW光伏电站网站www.GreenWatts.com/pages/solaroutput.asp75与建筑结合的光伏系统BIPV和BAPV关键设备和技术难点：太阳电池、特殊BIPV组件、逆变器、数据采集和监控、与建筑结合的设计。什么地方可以安装太阳电池附加的特性：•太阳电池与建筑结合后还具有最为重要的特性————发电。•传统的建筑材料被太阳电池组件替代后还具有独特的光学效果。.安装方式onainaslopedonainaflatinfrontofcold/warmglazedsunshadeslopedroofroofflatroofroofthefacadefacaderoof77所需要的安装面积•RequiredareaforPVgeneratorswithdifferentcelltypes•不同朝向安装的太阳电池的发电量:–假定向南倾斜纬度角安装的太阳电池发电量为100；–其它朝向全年发电量均有不同程度的减少。78组件的遮挡和通风•好的通风条件对于冷却太阳电池组件很重要：–温度升高将减少发电量；–组件温度取决于安装方式。Facadeintegration,noventilationRoofintegration,noventil.ationOn/infacade,poorventil.On/infacade,goodventilationOn/inroof,poorventilationOn/inroof,goodventil.OnroofwithlargegapFreestanding•应当尽量避免遮挡：–对于晶体硅太阳电池，很小的遮挡就会引起很大的功率损失；–遮挡对于薄膜电池的影响要小得多。79并网光伏建筑的电气方案1：“上网电价”方式特点：1、电网公司以高电价收购PV电量；2、用户缴纳常规低价电费；3、PV电表接在用户电表之前（电网一侧）。80并网光伏建筑的电气方案2：“净电表计量”方案特点：1、电力公司不用高价收购PV电量；2、允许抵消用电量（自发自用）；3、PV计量电表装在用户电表之后（负载一侧）。81“净电表计量”三相电接线方案逆变器太阳电池用户缴费的电表计量PV电量的电表82数字式“防逆流”保护装置电源•电压：交流220V单相(－15%~＋10%)•频率：50Hz1Hz装置额定数据•交流电流：5A•交流电压：100V•频率：50Hz•功耗：0.5VA／相测量精度•交流电流：0.5%•交流电压：0.5%•有功功率：3%•无功功率：3%•频率：0.01Hz主要功能•方向功率保护•电量计量•故障记录•保护控制信号输出：常开或常闭触点3对。灵敏度：“逆向”电流：200mA响应时间：0.2秒83“金太阳工程”并网发电图解1、电力公司只同建筑业主结算；2、PV开发商同建筑业主结算；3、由电力公司确定并网点和电能计量装置。84“金太阳示范工程”技术经济分析光伏发电在用户侧并网的一些基本概念“上网电价”（Feed-inTariff）政策和并网方式何谓“净电量计量法”？（NetMetering)“光电建筑”项目和“金太阳工程”执行的是什么政策？何谓“逆流”、“逆功率”？如何实现“逆功率保护”？一些基本概念的澄清并网光伏建筑的电气方案1：“上网电价”方式特点：1、电网公司以高电价收购PV电量；2、用户缴纳常规低价电费；3、PV电表接在用户电表之前（电网一侧）。88并网方案2：“净电量”方式“Net-Metering”Model特点：1、不给特殊电价；2、允许抵消电量“自发自用”；3、PV电表接在电表负载一侧。。1、NospecialFITforPV；2、ReducepowerconsumptionfromgridbyPV；3、PVconnectgridatloadside。89并网光伏建筑的电气方案2：“净电量计量”方案特点：1、电力公司不用高价收购PV电量；2、允许抵消用电量（自发自用）；3、PV计量电表装在用户电表之后（负载一侧）。90美国的“净电量计量”法1、什么是“净电量计量”?“净电量计量”是一种付费管理模式，具有自己发电能力的用户，当多余的自发电量反向流到电力配电网（系统）时，用户能够得到费用以减少电费支出。自己发电以减少电费支出包括2个方面：你自己发的电替代了你原来必须付费的电网的电量，以及你自己发的电反送到电网里，从而减少了你的电费。2、“净电量计量”是如何实现的?如果你希望按照“净电量”法付费，你自己的发电系统必须接到地方电网的配电系统。无论何时，只要你自己的发电系统的电力大于你的负荷，多余的电量就会反向流过你自家的电表，并使其倒转。电表的倒转就使得每个月的电表读数减少，于是就节省了你的电费。3、当电表倒转超过了正转又当如何?在这样的情况下，电表的月读数将会少于上一次（收费时）电表的读数，于是你的电费帐单上会显示电力公司应当向你付费。4、电力公司如何向你付费?应当向你支付的费用（或多发的电量）可以结转到下个月用于抵消你的电费。作为净电量计量用户，你也可以要求一年或12个月结算一次。91美国的“净电量计量”法1、什么是“净电量计量”?“净电量计量”是一种简单计量发电电量和消耗电量的方式或者说是一种自己拥有可再生能源发电系统，如光伏发电系统，的商业模式。净电量计量条件下，光伏系统产生的多余电量将推着用户计费电表倒转，用户可以将这些富余电量储存以备需要的时候使用。这就保证了发电用户发出的所有电量都具有零售电价的价值。2、按照联邦法案（PURPA，210节），电力用户可以使用自己的光伏系统发出的电为自己的照明和其它电器设备供电，从而抵消如果自己不发电而必须以零售电价支付给电力公司的电量。但是如果用户发出了过剩的电量（满足了自己的用电需求之外），是不允许采用“净电量计量”模式运行的，此时电力公司将以“替代成本”趸购多余电量，这个趸购电价要远远低于零售电价。超出自用的电量应当另外计量，额外的电表的费用应由用户支付。(看来，美国的电力公司在一开始也是同样的顽固)3、“净电量计量”法简化了上述模式，即允许自发电用户在付费周期内，将某时多发的电量抵消其它时间消费的电量。换句话讲，就是用户在付费时段内支付净消耗的电量。（注：付费周期可以是月，也可以是年，在付费周期内，电表有时正转，有时反转，自己发出的总电量小于总用电量，用户按照净用电量付费。）92关于实施金太阳示范工程的通知财建〔2009〕397号2009年7月16日用户侧并网的光伏发电项目所发电量原则上自发自用，富余电量及并入公共电网的大型光伏发电项目所发电量均按国家核定的当地脱硫燃煤机组标杆上网电价全额收购。自发自用：没有疑问，在负载侧并网，直接被负载消耗。富余电量？电表是否可以双向计量？是否所有反向电流都属于“富余电量”？还是按照结算周期定义“富余电量”？93“金太阳工程”并网发电图解1、电力公司只同建筑业主结算；2、PV开发商同建筑业主结算；3、由电力公司确定并网点和电能计量装置。防逆流94“金太阳工程”并网发电计量方式95“金太阳工程”并网点（1）多个建筑、多个业主，多点计量。注:图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。96“金太阳工程”并网点（2）多个建筑、单一业主，单点计量。注:图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。97“金太阳工程”并网点（3）多个建筑、单一业主，单点计量。注:图中黄色屋顶上的光伏板代表整个并网光伏系统,含光伏组件、逆变器、隔离变压器、配电系统等。98关于最大接入容量关于适用于“净电量”模式的可再生能源系统的规模：所有电力公司都应该为具有可再生能源发电系统的用户发电商提供”净电量”模式的服务，即按照该州接入电网的规范允许可再生能源发电系统接入并并联运行。然而所接入的可再生能源发电系统的额定容量不得超过用户发电商的进户线路的容量。对于接入容量的限制，说明如下一些州并没有强制限制参与“净电量”运行的可再生能源发电系统的容量。对于那些强制限制系统容量的州，限制规模小到25kW，大到80MW，然而，大部分的州将最大容量限定在2MW。100101光伏发电接入配电网的容量限制（USA）TheUnitedStatesdoesnothaveuniformregulationsforinterconnectionacrossjurisdictions(statesandutilities).Ingeneral,small(under2MW)solarsysteminterconnectionruleshavethefollowingcharacteristics:1.Astreamlinedinterconnectionapplicationprocessthatensuresthatthedistributioncircuithasnomorethan15percentofitscapacityasdistributedgeneration.2.AninverterthatcompliedwithUL/IEEE1574standards,whichensures"anti-islanding."3.AlockableACdisconnecttoallowutilitypersonneltolockoutthegeneration.(Althoughthesemaynolongerberequiredinsomejurisdictions).ThesesimpleruleshaveworkedwellfortheUStodate,withalmostnodocumentedproblemsduetodistributedgeneration.The15percentrulehasbeenadoptedatthefederallevel,andaleadingutility(SouthernCaliforniaEdison)isusingthisrulewhendevelopingitsowndistributionsystemconnectedsolarsystems.分布式发电系统的容量不能超过配电线路额定容量的分布式发电系统的容量不能超过配电线路额定容量的15%15%。。102按照传统经验，分布式发按照传统经验，分布式发电系统的容量不能超过峰电系统的容量不能超过峰值负荷的值负荷的15%15%。。103关于“逆功率”和“防逆流”“逆功率”的概念IEEE1547分布式发电系统接入电网的技术标准1、并入输电网的光伏系统类似于大型风电场和大型光伏电站，没有逆流的问题，只能向中压电网送电，也没有双向计量的问题。2、在负载侧并网的光伏系统复杂，既有管理模式的问题也有“逆流”技术问题。105不同的配电网结构—二次网络结构（点供电网络）一个负荷区由多台配电变压器供电（在次级测并联）。优点：供电可靠性高，缺点：造价高，必须防“逆流”。有分布式发电系统的情况下必须防止误动作。106不同的配电网结构—放射型配电网中国绝大部分都是属于放射型配电网结构，每个供电区域由一台配电变压器供电。优点：互不干扰，缺点：支路发生问题后不能及时恢复，必须等到修复。107“净电表计量”三相电接线方案逆变器太阳电池用户缴费的电表计量PV电量的电表在变压器次级并网，有放逆流功能时，不需要加装逆流计量电度表。108数字式“防逆流”保护装置电源•电压：交流220V单相(－15%~＋10%)•频率：50Hz1Hz装置额定数据•交流电流：5A•交流电压：100V•频率：50Hz•功耗：0.5VA／相测量精度•交流电流：0.5%•交流电压：0.5%•有功功率：3%•无功功率：3%•频率：0.01Hz主要功能•方向功率保护•电量计量•故障记录•保护控制信号输出：常开或常闭触点3对。灵敏度：“逆向”电流：200mA响应时间：0.2秒109“逆流”的发生1HighvoltageduetoDG:Highvoltagesmaybecausedbyreversepowerflow.Underlightloadforalocationwheretheprimaryvoltageisalreadyhigh,thevoltagerisecanbeenoughtopushthevoltageabovenominallimits.ThiscanevenhappenforasmallDGlocatedonthesecondarybecauseofthevoltagedropalongtheservicedrop,thesecondarywiring,andthedistributiontransformer.分布式发电系统引起的高电压：反向功率流可能引起高电压。当负载很轻的时候，此时初级电压已经很高了，这个高电压足以超过电压的上限。当次级侧的分布式发电功率很小的时候，也有可能引起高电压，这是由于架空线路、次级线包和配电变压器上的电压降引起的。110“逆流”的发生2“StudyonD-UPFCintheClusteredPVSystemwithGrid”Reversepowerflowfromthegrid-connectedphotovoltaic(PV)systemsincreasesthevoltageofpowerdistributionline.InthecasethatlargenumbersofresidentialPVsystemsareconnectedtothepowergridwithinasmallarea,thissituationcalled“clustered”.并网“集群光伏系统”功率流控制器的研究一文指出：光伏系统的反向功率流将引起配电线路电压的上升，尤其是当众多户用光伏系统集中在一个小区域内并网，这被称作“集群”。这个控制器在发生“逆功率流”情况下也能稳定配电网的电压。111“防逆流”的措施KeepthePVsystemsizedlowerthantheminimumdaytimeloadatthecustomermeter.Indoingso,thesystemisdesignedtoensurethatthesiteloadisalwaysdrawingsomepowerfromtheutilitygridwithessentiallynochanceofexportingenergyfromthePVsystemtothenetwork.将光伏输出设计成在白天总是小于负荷。Installaminimumimportrelay(MIR)orareversepowerrelay(RPR).（IEEE1547）安装最小正向电流断路器或逆向功率断路器。Installadynamicallycontrolledinverter(DCI).ThisinvertercontrolstheoutputofthePVsysteminverter(s).ThistypeofsystemmonitorsthelevelofenergycomingintothecustomerlocationandwillrampdownthePVenergyproductioniftheloaddropsbelowaspecificthreshold.安装动态功率可调逆变器。当负荷小到一定，逐级断开光伏。AllowsmallerPVsystemstoconnecttoanetwork.MostsmallPVsystems,of30kilowatts(kW)orless.减少光伏系统的安装功率（30kW或更小）。112允许“逆流”的情况下Usenon-unitypowerfactoroperationtogivePVinvertersvoltagecontrolcapability.Inverterscanphase-shifttheiroutputtosupplyvolt-amperesreactive(VArs)to(ordrawthemfrom)theutility.However,tosignificantlyreducevoltageincrease,thePVinverterwouldneedtobedesignedforadditionalapparentpowercapability(e.g.,a5-kilowattinvertermightneeda6-to7-kilovolt-ampererating).要求逆变器必须具有无功补偿功能，以防止“逆流”情况下网压升高。目前国内电网要求：对于大型光伏电站，功率因数调节范围在超前或滞后0.98，对于小型电站要求功率因数接近1，且不调整。StudyonD-UPFCintheClusteredPVSystemwithGridKyungsooLee,KosukeKurokawaTokyoUniversityofAgriculture&Technology,2-24-16Naka-cho,Koganei-shi,Tokyo184-8588,JapanAbstract:Reversepowerflowfromthegrid-connectedphotovoltaic(PV)systemsincreasesthevoltageofpowerdistributionline.ThispaperproposesD-UPFC(Distribution-UnifiedPowerFlowController)tosolvetheover-voltageconditionwhentheclusteredPVsystemisinjectedtothedistributionsystem.为防止“逆流”情况下配电网电压升高，已有很多公司开发了稳定电压的控制装置。113光伏电站接入中压输电网并入中压电网（10kV-110kV）的光伏系统一般属于类似大型荒漠光伏电站和风电场的光伏发电站。光伏发电站的功率潮流是单向的，不存在“逆功率流”的问题，“净电量计量”法也不适用，管理办法与大型电站一样，只能以“上网电价”将电量卖给电网公司，不可能“自发自用”。德国已经公布了BDEW标准“发电站接入中压电网的技术规定”（Generatingplantsconnectedtothemedium-voltagenetwork），对于接入中压电网（1kV-60kV）的发电站（包括风力发电、水电站、生物质发电、燃气轮机和光伏发电）做出了技术规定，包括电压、频率等电能质量，有功无功调节能力，低电压穿越能力等。低电压穿越能力（Low-voltageRideThrough）第二类发电装置（PV）的电网连接点116有功功率调节（ActivePowerControl）117无功功率调节（ReactivePowerControl）118并网点的最大允许短路电流（Max.AdmissibleShort-CircuitCurrent）并网点的最大允许短路电流由于光伏电站的接入增加了，这有可能超过线路允许的短路电流值，需要重新计算和核实。一般同步发电机的短路电流是额定电流的8倍左右，而光伏电站的短路电流则基本与额定工作电流相当，因此一般情况下，对于光伏电站不需要增设限制短路电流的装置。1194、特殊设计（遮挡和占地计算、抗风能力设计、系统的防雷接地）太阳电池方阵间距计算计算当太阳电池子阵前后安装时的最小间距D。一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。按照国家标准公式计算间距：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达建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，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：冬至当天早9：00至下午3：00太阳电池方阵不应被遮挡。计算公式如下：太阳高度角的公式：sin=sinsin+coscoscos太阳方位角的公式：sinβ=cossin/cos式中：为当地纬度；为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5度；为时角，上午9:00的时角为45度。D=cosβ×L，L=H/tan，=arcsin(sinsin+coscoscos)122太阳电池方阵抗风能力设计（依据：GB50009-2006建筑结构荷载规范、GB50017-2003《钢结构设计规范》）1、需要计算受风梁在受风条件下的弯曲应力和弯曲度；2、需要计算支撑臂在顺风条件下的压曲强度和逆风条件下的拉伸强度；3、需要计算在受风条件下螺栓的剪切力（折断力）的耐受强度。太阳电池支架抗风能力的设计1、受风梁弯曲强度和弯曲度的计算弯曲力矩M：M=WL2/8（Nm）W：单位长度上的风压（N/m）L：跨距长度（m）弯曲应力P：P=M/Z（N/cm2）Z：角钢的截面系数弯曲度A：A=（5WtL3）/（384EIm）（cm）Wt：受风梁上的总风压（N）L：跨距长度（m）E：材料的纵向弹性系数（N/cm2）Im：横截面二次力矩(cm4)2、支撑臂的压曲荷载（顺风时）欧拉公式计算支架所能承受的压曲荷载：Pk=n2（EIm）/L2(N)n：有支撑条件决定的系数，紧密无松动为1；Im：截面轴向二次力矩(cm4)；E：材料的纵向弹性系数（N/cm2）L：轴长（cm）总荷重（W+G）/2应小于Pk。3、支撑臂的拉伸强度（逆风时）拉伸张力B（N/cm2）:B=W/AW：每根支撑梁所承受的风压（N）A：支撑臂的截面积（cm2）4、安装螺栓的强度（逆风时）虽然有4只螺栓，但受理最大的是后面2根。所以有：螺栓最大折断力：=1/2W/A（N/cm2）W：总的逆向风压（N）A：螺栓截面积（cm2）：设计用风压（N/m2）：受风面积（m2）设计用风压Q：QoHI：基准风压：高度修正系数环境系数环境系数：对风无遮挡的空旷地带：1.15对风有少量遮挡：0.9对风有较大遮挡：0.7高度修正系数：太阳电池支架抗风能力的设计1.风压荷载太阳电池方阵支架结构的设计要考虑风压荷载，防止因强风导致普破坏。作用于太阳电池阵列的风压荷载由下式计算：W=CwQAwW：风压荷载（N）Cw：风荷载体型系数风荷载体型系数顺风方阵倾角逆风0.79150.940.87301.181.06451.43风压高度修正系数距离地面高度地面粗糙度类别（m）ABCD51.171.000.740.62101.381.000.740.62151.521.140.740.62201.631.250.840.62301.801.421.000.62401.921.561.130.73502.031.671.250.84Qo基准风压：基准高度为10米Qo=1/2Vo2：空气密度（NS2/m4）冬季空气密度取：1.274（NS2/m4）Vo：地面10米处50年最大风速（m/S）取：42（m/S）BAPV的安装方式生根不生根BAPV的安装方式G:GravityofPVArrayG=mg(N)m=水泥墩+光伏组件+光伏支架g=9.8m/s2方阵面积：Aw=2.636=15.78预制混凝土敦：0.37×0.37×0.6×2.5=0.205吨=205kgG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N太阳电池支架抗风能力的设计最大风速：30米/s(12级风）体型系数Cw：逆风25度取：1.1环境系数I：无遮挡取：1.15高度系数：20米，粗糙度B，取：1.25：空气密度（冬季）1.27（NS2/m4）Qo=1/2Vo2=572N/m2方阵面积：Aw=2.636=15.78m2Q=QoHI=5721.251.15=821.5N/m2W=CwQAw=1.1821.515.78=14260NG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N不生根方阵水泥墩重量计算支点W=CwQAw=1.1821.515.78=14260NG=(205×8+12×16+300)×9.8=20894N力矩平衡：W×动力臂=14260×1.75=24955NmG×阻力臂=20894×1.4=29251.6Nm风力矩：1.75米（三分之二处）阻力炬：1.2米方阵中心点设备的防雷和接地措施1：架设避雷针防止低空直击雷措施2:太阳电池方阵支架可靠接地；措施3：太阳电池方阵接线箱内，输入、输出处加装防雷器，各机壳均可靠接地；措施4：机房设备需可靠接地。措施5：控制室进、出线处均增设防雷隔离箱，内装防雷保安器，防止感应雷；130雷击对电路板的损坏131防雷措施防低空雷防感应雷LN可恢复的防雷器不可恢复的防雷器保护半径：r=1.5h132基本概念接闪器：直接截受雷击的避雷针、避雷线、避雷网等，架空安装。引下线（建筑）：连接接闪器和接地体的金属导体。1、2、3类建筑的引下线均不得少于2根。接地体：埋入土壤中或混凝土基础中作为散流作用的导体。接地线：连接引下线和接地体的导体。过电压保护器：避雷器、放电间隙、压敏电阻等。防雷装置：接闪器、接地体、接地线、引下线、过电压保护器的总合。接地：将接闪器、被保护装置、设备或过电压保护器用接地线与接地体连接，称为接地。接地包括：工作接地、保护接地和过电压保护接地。133设备接地和系统接地SJ/T11127-1997光伏（PV）发电系统过电压保护-导则134与建筑结合的光伏系统的防雷和接地依据：《建筑物防雷设计规范GB50057-94》建筑物的防雷和接地已经有标准，也已经很完善。因此，在建筑物上安装的光伏系统一般不单独安装避雷装置。GB50057-94中规定：突出屋面的金属物体可不装接闪器，但应和屋面防雷装置相连；需要保护的突出屋面的飞金属物体则需要装接闪器。建筑物等级：一类建筑：储存爆炸物、易燃物和其它受雷击易造成巨大损失或伤亡的建筑；二类建筑：重要的政府机构、博物馆、档案馆、计算中心、通信中心等；三类建筑：一般公共建筑、办公建筑、民居等。135大型并网光伏电站的防雷和接地接地装置示意图：1-接地体2-接地干线3-接地支线4-电气设备34根据《工业与民用电力装置的接地设计规程》《通信局（站）防雷与接地工程设计规程》，水平接地体为主，垂直接地体为辅。接闪器只对机房。当地平均年雷暴日：25天以下属于少雷区，接地电阻允许≤10欧姆。与土壤电阻率相关：土壤电阻率≤100欧姆.米，接地电阻≤5欧姆；土壤电阻率100-700欧姆.米，接地电阻≤10欧姆；136并网逆变器的防雷和接地太阳电池方阵的线路防雷逆变器交流侧和直流侧的线路防雷防雷和接地等电位连接5、如何评估光伏项目的温室气体减排？1吨CH4=25吨CO2(IPCC2007)1吨N2O=298吨CO2(IPCC2007)各国不同燃料的二氧化碳排放指数各国不同燃料的排放指数（kg/kWh）国家燃煤燃油(6号)燃气加拿大0.8670.6730.384巴西1.4140.7840.455中国0.8930.6450.311澳大利亚1.0420.5250.586美国0.9410.7210.439德国0.9080.5170.327日本0.9120.5760.453印度1.2070.8150.410数据来源：RetScreen世界各国混合燃料二氧化碳排放指数（kg/kWh）数据来源：ReportIEA-PVPS-T10-01:20066、RetScreen介绍www.RETScreen.netwww.RETScreen.net网站主页网站主页143RETScreenRETScreen®®软件所能完成的工作软件所能完成的工作©MinisterofNaturalResourcesCanada2001–2002.1、资源评估：太阳辐射数据、环境温度、10米风速、气压等；2、不同安装和运行方式下的辐射量计算：固定安装，不同朝向和不同倾角，单轴跟踪，双轴跟踪等；3、设备选型和容量计算：太阳电池、蓄电池、系统各个环节的效率、发电量测算；4、成本分析：可研、设计、设备、土建、运输、安装、运行维护、周期性投资等；5、温室气体减排分析：按照IPCC标准；6、财务评估：贷款、赠款、利息、税收、CDM、光伏电价测算、IRR、现金流、资金回收期等；7、敏感性分析：影响电价或IRR的主要因素分析。145ThankYouforYourAttention!146