1MW光伏并网技术方案(265w-36V)

1MW 光伏并网发电系统 设 计 方 案 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计 1 目 录 一、方案简介 .................................... .....2 二、系统组成 ......................................... 2 三、相关规范和 ................................... 3 四、设计过程 ......................................... 3 4.1 并网逆变器 ....................................... 3 4.1.1 技术指标 ....................................... 4 4.2 太阳能电池组件 .................................... 4 4.3 光伏阵列防雷汇流箱 ................................ 5 4.4 直流防雷配电柜 .................................... 6 4.5 系统接入电网设计 .................................. 7 4.6 系统监控装置 .................................... 10 4.7 环境监测仪 ...................................... 12 4.8 系统防雷接地装置 ................................. 12 五、系统主要设备配置清单 ............................ 13 六、系统原理框图 .................................... 14 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 2 一、方案简介 针对 1MWp 的太阳能光伏并网发电系统项目，本公司建议采用分块发电、集中并网方案，将系统分成 4 个 250KW 的并网发电单元，每个 250KW 的并网发电单元都接入 10KV 升压站的 0.4KV 低压配电柜，经过 0.4KV/10KV(1250KVA)变压器升压装置，最终实现整个并网发电系统并入 10KV 中压交流电网。 系统的电池组件选用 265Wp-36V 多晶硅太阳能电池组件，其工作电压为 35V，开路电压约为 44V。经过计算， 每个光伏阵列按照 16 块电池组件串联进行设计，250KW 的并网单元需配置 4 个光伏阵列，960 块电池组件,其 功率为 254.4KWp。则整个 1MWp 并网发电系统需配置 240 个电池串,共 3840 块 265Wp-36V 电池组件，实 际功率约为 1.0176MWp。 为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，建议在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可 直接安装在电池支架上，每个汇流箱可接入 6 路太阳能电池串（每个光伏阵列按照 16 块电池组件串联），每 250KW 并网单元配置 10 台汇流箱，整个 1MWp 并网系统需配置 40 台光伏阵列防雷汇流箱。 为了将每个 250KW并网单元的 10台光伏阵列防雷汇流箱的直流输出汇入直流防雷配电柜后再接入 250KW逆变 器，系统需要配置 4 台直流防雷配电柜，每个配电柜直流输出分别接至 250KW 逆变器。 整个并网发电系统按照 4个 250KW的并网发电单元进行设计，每个发电单元配置1台 250KW逆变器，整个 1MWp 系统需配置 4 台 250KW 逆变器。每台逆变器的交流输出(AC380/220V,50Hz)分别接入 10KV 升压站的 0.4KV 三相 交流低压配电柜。 本系统需配置 1 套 10KV 升压站，包含 10kV 主变(0.4/10KV, 1250KVA)、10kV 开关柜、0.4KV 开关柜以及直流电 源、二次控制柜等装置，柜与柜之间通过铜排或电缆连接。其中，0.4KV 开关柜应配置 4 路三相交流低压输入 接口(AC380/220V,50Hz)，通过电缆分别接至 4 台 250KW 逆变器的交流输出端，从而实现整个并网系统并入 10KV 高压交流电网。 综上所述，本系统主要由太阳能电池组件、光伏阵列防雷汇流箱、直流防雷配电柜、光伏并网逆变器和 10KV 升压站所组成。另外，系统还配置 1 套监控装置，用来监测系统的运行状态和工作参数。 阵列方式为：16 片 265Wp 电池组件串联一个电池串；6 组电池串并联接入一个光伏阵列防雷汇流箱；10 个光 伏阵列防雷汇流箱汇入一个直流防雷配电柜；每个直流防雷配电柜输入一个光伏并网逆变器；4 组光伏并网逆 变器输入 10KV 升压站最后并入电网。 二、系统组成 1MW 太阳能光伏并网发电系统主要组成如下： 太阳能电池组件及其支架； 光伏阵列防雷汇流箱； 直流防雷配电柜； 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 3 光伏并网逆变器（带工频隔离变压器）； 10KV 升压站； 系统的通讯监控装置； 系统的防雷及接地装置； 土建、配电房等基础设施； 系统的连接电缆及防护材料； 三、相关规范和标准 本并网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准： GB 4208 外壳防护等级（IP 代码）（equ IEC 60529:1998） GB/T 191 包装储运图示标志 GB/T 20046-2006 光伏（PV）系统电网接口特性（IEC 61727:2004,MOD） GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求 GB/Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T 2423.1-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验 A：低温试验方法 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T 2423.2-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验B： 高温试验方法 GB/T 2423.9-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Cb：设备用恒定湿热试验方法 GB 3859.2-1993 半导体变流器 应用导则 四、设计过程 4.1 并网逆变器 此次光伏并网发电系统设计为 4 个 250KW 并网发电单元，每个 250KW 并网发电单元配置 1 台型号为 250KW 并 网逆变器，整个系统配置 4 台 250KW 并网逆变器，组成 1MWp 并网发电系统。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 4 4.1.1 技术指标 直 流 侧 参 数 ： 额定输入功率 250KW 最大直流电压 880Vdc 最大功率电压跟踪范围 450~820Vdc 最大直流功率 275kWp 最大输入电流 600A 交 流 侧 参 数 输出功率 250kW 额定电网电压 400Vac 允许电网电压 310~450Vac 额定电网频率 50Hz~60Hz 允许电网频率 47~51.5Hz/57~61.5Hz 总电流波形畸变率 < 3% (额定功率) 功率因素 ≥0.99（额定功率） 系 统 最大效率 97.1% 欧洲效率 96.5% 防护等级 IP20（室内） 夜间自耗电 <100W 允许环境温度 -25~+55℃ 冷却方式 风冷 允许相对湿度 0~95%，无冷凝 允许最高海拔 6000 米 4.2 太阳能电池组件 本系统选用单块为 265Wp（36V）单晶硅太阳能电池组件，其工作电压为 35V，开路电压约为 44V。 250KW 并网逆变器的直流工作电压范围为：450Vdc～820Vdc，最佳直流电压工作点为：560Vdc。 经过计算:560V/35V=16,得出：每个光伏阵列可采用 16 块电池组件串联。 每个光伏阵列的峰值工作电压：560V，开路电压：704V，满足逆变器的工作电压范围。 对于每个 250KW 并网发电单元，需要配置 960 块 265Wp 电池组件，组成 4 个光伏阵列。整个 1MWp 并网系统 需配置 3840 块 265Wp 电池组件。 每个光伏阵列的原理接线图如下图所示： 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 5 + - -+- - + - +- + - +- + - +- + - +- + - +- + - +- + - +- - + 注：由16片 265W组件组成一个阵列。 4.3 光伏阵列防雷汇流箱 为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接 安装在电池支架上。 光伏阵列防雷汇流箱的性能特点如下： 户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，满足室外安装使用要求； 可同时接入 6 路光伏阵列，每路光伏阵列的最大允许电流为 10A； 光伏阵列的最大开路电压值为 DC900V； 每路光伏阵列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为 DC1000V； 直流输出正负极之间配有光伏专用高压防雷器，进行防雷； 直流输出母线端配有可分断的直流断路器； 光伏阵列防雷汇流箱的电气原理框图如下图所示： 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 6 太 阳 能 电 池 串 阵 列 - + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 + 太 阳 能 电 池 串 阵 列 太 阳 能 电 池 串 阵 列 太 阳 能 电 池 串 阵 列 太 阳 能 电 池 串 阵 列 太 阳 能 电 池 串 阵 列 太 阳 能 电 池 串 阵 列 - - - - - s 6+ s 5+ s 4+ s 3+ s 2+ s 1+ s 6- s 5- s 4- s 3- s 2- s 1- - + 防 雷 器 每个 250KW 并网单元配置 10 台汇流箱，整个 1MWp 并网系统需配置 40 台光伏阵列防雷汇流箱。 4.4 直流防雷配电柜 太阳电池阵列通过光伏阵列防雷汇流箱在室外进行汇流后，通过电缆接至配电房的直流防雷配电柜再进行一次 总汇流，每个 250KW 并网单元配置 1 台直流防雷配电柜。每台直流配电单元接入 10 台光伏阵列防雷汇流箱， 汇流后接至 250KW 逆变器。整个并网系统需配置 4 台直流防雷配电柜。 直流防雷配电柜的电气原理接线图如下图所示： 光伏阵列防雷汇流箱 防 雷 器 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 光伏阵列防雷汇流箱 逆 变 器 V 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 7 直流防雷配电柜的每个配电单元都具有可分断的直流断路器、防反二极管和防雷器。 4.5 系统接入电网设计 （1）系统概述 本系统采用的 250KW 并网逆变器适合于直接并入三相低压交流电网（AC380V/50Hz），由于整个系统需要并入 10KV 的交流中压电网，所以本系统需配置 1 套 10KV 升压站，该升压站主要包含 10KV 主变(0.4/10KV,1250KW)、 10KV 开关柜、0.4KV 开关柜以及直流电源、二次控制柜等装置。 系统配置 4 台 250KW 并网逆变器的交流输出直接接入变电站的 0.4KV开关柜，经交流低压母线汇流后通过 10KV 主变(0.4/10KV, 1MWp)并入 10KV 中压交流电网，从而最终实现系统的并网发电功能。 本系统的 10KV 中压交流电网电气原理框图如下： 1 0 k v中 压 电 网 1 0 k v开 关 柜 10 k v 主 变 0 . 4 / 1 0 k v 5 0 0 k w 0 . 4 k v开 关 柜 馈 线 1 馈 线 2 馈 线 3 馈 线 4 A C 3 8 02 2 0 5 0 H Z （2）重要单元的选择 ①10/0.4KV 配电变压器的保护 10/0.4KV 配电变压器的保护配置采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器组合的保护配置，既可提供额定 负荷电流，又可断开短路电流，并具备开合空载变压器的性能，能有效保护配电变压器。 系统中采用的负荷开关, 通常为具有接通、隔断和接地功能的三工位负荷开关。变压器馈线间隔还增加高遮断 容量后备式限流熔断器来提供保护。这是一种简单、可靠而又经济的配电方式。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 8 开合空载变压器的性能好。本系统中 10KV 接入配电的负荷为 1MWp 的 10/0.4KV 配电变压器，其空载电流一般 为额定电流的 2%左右。 有效保护配电变压器，特别是对于油浸变压器，采用负荷开关加高遮断容量后备式限流熔断器比采用断路器更 为有效，有时后者甚至并不能起到有效的保护作用。有关资料明，当油浸变压器发生短路故障时，电弧产生 的压力升高和油气化形成的气泡会占据原属于油的空间，油会将压力传给变压器油箱体，随短路状态的继续， 压力进一步上升，致使油箱体变形和开裂。为了不破坏油箱体，必须在 20 ms 内切除故障。如采用断路器，因 有继电保护再加上自身动作时间和熄弧时间，其全开断时间一般不会少于 60 ms，这就不能有效地保护变压器。 而高遮断容量后备式限流熔断器具有速断功能，加上其具有限流作用，可在 10 ms 之内切除故障并限制短路电 流，能够有效地保护变压器。因此，应采用高遮断容量后备式限流熔断器而尽量不用断路器来保护电器，即便 负荷为干式变压器，因熔断器保护动作快，也比用断路器好。 从继电保护的配合来讲，在大多数情况下，没有必要在接入柜中采用断路器，这是因为 10KV 配电网络的首端 断路器(即 110 kV 或 220 kV 变电站的 10KV 馈出线断路器)的保护设置一般为：速断保护的时间为 0s，过流保护 的时间为 0.5s，零序保护的时间为 0.5s。若环网柜中采用断路器，即使整定时间为 0s 动作，由于断路器固有动 作时间分散，也很难保证环网柜中的断路器而不是上一级断路器首先动作。 高遮断容量后备式限流熔断器可对其后所接设备，如电流互感器、电缆等都可提供保护。高遮断容量后备式限 流熔断器的保护范围可在最小熔化电流(通常为熔断器额定电流的 2～3 倍)到最大开断容量之间。限流熔断器的 电流-时间特性，一般为陡峭的反时限曲线，短路发生后，可在很短的时间内熔断，切除故障。如果采用断路器 作保护。必定使其它电器如电缆、电流互感器、变压器套管等元件的热稳定要求大幅度提高，加大了电器设备 的造价，增大费用。 在这里，同时需要注意在采用负荷开关加高遮断容量后备式熔断器组合时，两者之间要很好地配合，当熔断器 非三相熔断时，熔断器的撞针要使负荷开关立即联跳，防止缺相运行。 ②高遮断容量后备式限流熔断器的选择 由于光伏并网发电系统的造价昂贵，在发生线路故障时，要求线路切断时间短，以保护设备。 熔断器的特性及使用作为线路保护的优缺点分析。 选用性能优良的熔断器，如美国 S ＆ C 公司的熔断器及熔丝，该类产品具有如下特性： 具有精确的时间-电流特性（可提供精确的始熔曲线和熔断曲线）； 有良好的抗老化能力； 达到熔断值时能够快速熔断； 要有良好的切断故障电流能力，可有效切断故障电流 根据以上特性，可以把该熔断器作为线路保护，和并网逆变器以及整个光伏并网系统的保护使用，并通过选择 合适的熔丝曲线和配合，实现上级熔断器与下级熔断器及熔断器与变电站保护之间的配合。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 9 线路安装熔断器保护后，为了实现熔断器保护与变电站内线路保护之间的配合，必须对站内线路保护的电流定 值和时间做出调整，把线路电流速断保护动作时间延时 0.1s，过电流时间取 0.5s，保护定值做如下调整： 根据线路负荷情况选定熔丝大小，根据熔丝的熔断曲线，选择熔丝在 0.5s 以内熔断的电流值，作为线路的过电 流保护定值，核对该定值能可靠躲过线路最大负荷并在最小运行方式下，线路末端两相短路时有足够的灵敏度 （该灵敏系数≥1.5 时，过流保护定值即为合格）。在满足以上条件的前提下适当提高线路过电流保护定值，以 保证故障电流达到过电流定值时，熔丝熔断，而断路器不需要跳闸。 根据该熔丝熔断曲线，选择熔丝在 0.1s 以内熔断的电流值，作为线路的电流速断保护定值，核对该定值在最小 运行方式下，10KV 母线两相短路时的灵敏度（该灵敏系数≥2 时，速断值即为合格）。在满足以上条件的前提 下适当提高线路速断保护定值，以保证故障电流达到速断定值时，熔丝熔断，变电站断路器不跳闸。 对于 10KV 线路保护，《3-110kV 电网继电保护装置运行整定规程》要求：除极少数有稳定问题的线路外，线路 保护动作时间以保护电力设备的安全和满足规程要求的选择性为主要依据，不必要求速动保护快速切除故障。 通过选用性能优良的熔断器，能够大大提高线路在故障时的反应速度，降低事故跳闸率，更好地保护整个光伏 并网发电系统。 （3）中压防雷保护单元 该中压防雷保护单元选用复合式过电压保护器，可有效限制大气过电压及各种真空断路器引起的操作过电压， 对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用。 该复合式过电压保护器不但能保护截流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压，而且能保护雷电过电 压。 过电压保护器采用硅橡胶复合外套整体模压一次成形，外形美观，引出线采用硅橡胶高压电缆，除四个线鼻子 为裸导体外，其他部分被绝缘体封闭，故用户在安装时，无需考虑它的相间距离和对地距离。该产品可直接安 装在高压开关柜的底盘或互感器室内。安装时，只需将标有接地符号单元的电缆接地外，其余分别接 A、B、C 三相即可。 设置自控接入装置对消除谐振过电压也具有一定作用。当谐振过电压幅值高至危害电气设备时，该防雷模块接 入电网，电容器增大主回路电容，有利于破坏谐振条件，电阻阻尼震荡，有利于降低谐振过电压幅值。所以可 以在高次谐波含量较高的电网中工作，适应的电网运行环境更广。 另外，该防雷单元可增设自动控制设备，如放电记录器，清晰掌控工作动作状况。可以配置自动脱离装置，当 设备过压或处于故障时，脱离开电网，确保正常运行。 （4）中压电能计量表 中压电能计量表是真正反应整个光伏并网发电系统发电量的计量装置，其准确度和稳定性十分重要。采用性能 优良的高精度电能计量表至关重要。 为保证发电数据的安全，建议在高压计量回路同时装一块机械式计量表，作为 IC 式电能表的备用或参考。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 10 该电表不仅要有优越的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。同时，该电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（ZV）、状态信息、警报、参数等。 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，还可以处理报警信号，读取电表数据和参数。 【注】 对于本系统的 10KV 变电站，应由专业设计人员进行设计。 4.6 系统监控装置 采用高性能工业控制 PC 机作为系统的监控主机，配置光伏并网系统多机版监控软件，采用 RS485 通讯方式， 连续每天 24 小时不间断对所有并网逆变器的运行状态和数据进行监测。 监控主机系统特点如下： 嵌入式低功耗 Pentium M 处理器 CRT/LVDS 接口 以太网接口 RS232/485 接口 USB2.0 512M 内存 80G 硬盘 工控机和光伏并网逆变器之间的通讯采用 RS485 总线通讯方式。 (2)光伏并网系统的监测软件可连续记录运行数据和故障数据如下： 实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计 CO2 总减排量以及每天发电功率曲线图。 可查看每台逆变器的运行参数，主要包括： A、直流电压 B、直流电流 C、直流功率 D、交流电压 E、交流电流 F、逆变器机内温度 G、时钟 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 11 H、频率 J、当前发电功率 K、日发电量 L、累计发电量 M、累计 CO2减排量 N、每天发电功率曲线图 监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障 信息至少包括以下内容： A、电网电压过高； B、电网电压过低； C、电网频率过高； D、电网频率过低； E、直流电压过高； F、逆变器过载； G、逆变器过热； H、逆变器短路； I、散热器过热； J、逆变器孤岛； K、DSP 故障； L、通讯失败； (3)监控软件具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外和室内环境温度和电池板温度等参 量。 (4)监控装置可每隔 5 分钟存储一次电站所有运行数据，可连续存储 20 年以上的电站所有的运行数据和所有的 故障纪录。 (5)可提供中文和英文两种语言版本。 (6)可长期 24 小时不间断运行在中文 WINDOWS 2000，XP 操作系统。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 12 (7)监控主机同时提供对外的数据接口，即用户可以通过网络方式，异地实时查看整个电源系统的实时运行数据 以及历史数据和故障数据。 (8)显示单元可采用大液晶电视，具有非常好的展示效果。 4.7 环境监测仪 本系统配置 1 套环境监测仪，用来监测现场的环境情况： 该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，适用于气象、军事、船空、 海港、环保、工业、农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。可测量环境温度、风速、风向 和辐射强度等参量，其 RS485 通讯接口可接入并网监控装置的监测系统，实时记录环境数据。 4.8 系统防雷接地装置 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。系统的防雷接地装置措施有多种方法，主要有以下几个方面供参考： （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，选择电厂附近土层 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 10mm2 铜芯电 缆，接地电阻应小于 4 欧姆。 （2）在配电室附近建一避雷针，高 15 米，并单独做一地线，方法同上，配电室在地下室不需要避雷针。 （3）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 0.4KV 开关柜接入电网，10KV 变电站应配置防雷装置，有效 地避免雷击和电网浪涌导致设备的损坏，且所有的机柜要有良好的接地。 【注】:对于本系统的防雷及接地装置，应由专业设计人员进行设计。 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 13 五、系统主要设备配置清单 序号 名称 型号规格 数量 备注 1 太阳电池组件(及电池支架) 265W (36V) 3840 块 2 光伏阵列防雷汇流箱 SPVCB-6 40 台 3 直流防雷配电柜 SDCPG-3(300KW) 4 台 4 光伏并网逆变器 SG250K3 4 台 5 监控 装置 多机版监控软件 SPS－PVNET 1 套 6 工控机 ARK3389 1 台 7 液晶显示器 19 寸 1 台 8 环境监测仪 SSYW-01 1 台 9 10KV 升压站 10/0.4KV(1MWp) 1 套 用户自建 10 系统的防雷和接地装置 － 1 套 用户自备 11 土建及配电等基础设施 － 1 套 用户自建 12 系统连接电缆线及防护材料 － 1 套 用户自备 张朝兵 2010 年 2 月 15 日 1MW 光伏并网发电系统设计方案 14 六、系统原理图 直流防雷配 电柜 光伏并网 逆变器 级变压器 （ ， ） 交流低 压配电 柜 开关 柜 电网 变电 站 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列 光伏阵列防 雷汇流箱 光伏阵列防 雷汇流箱 光伏阵列防 雷汇流箱 光伏阵列防 雷汇流箱 直流防雷配 电柜 光伏并网 逆变器 系统监控装置 环境监测仪