太阳能光伏发电并网电站设计与研究

设计考虑三相平衡 ， 共选取 １０８ 块太阳能电池板 ， 分 ９组 ， 每组 １２块。每 ３组为一相接一个逆变器 ， 每个 逆变器容量为６ｋＷ， 具体连接方式详表２。
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ｂ． 方阵的支架和基础设计牢固 ， 能经受武汉地区
最大风力的考验。
ｃ． 考虑到季节和日夜温差变化， 在电池组件安装时，
要精心安装调整， 不让玻璃受过大的应力 （ 例如安装时
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
能源危机与环境污染是构建和谐社会和可持续 发展所面临的重大挑战。开发新能源和将可再生能源 作为我国未来能源的重要组成部分已十分迫切。太阳 能是一种清洁的、取之不尽的可再生能源 ， 利用太阳 能发电是开拓新能源和保护环境的有效途径。而太阳 能光伏发电是新能源和可再生能源中最具有发展前途 的方式之一 ， 对环境不会造成任何污染。太阳能光伏 发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏效应” ， 将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。
ｅ． 为防止人身误接触太阳能电池板方阵产生的高
电压大电流 ， 整个太阳能电池板方阵进行可靠的接地。
ｆ． 太阳能电池板设在屋顶 ， 应做防雷措施 ， 设计
选用避雷针作为防直击雷装置。
３ 逆变器
设计 采 用 ３ 台 高 效 逆 变 器 ＳＭＣ６０００， 每 台 逆 变 器 具有光伏最大功率跟踪功能 ， 可以实现太阳能电池板 与逆变器的最大可能的匹配 ， 提高综合发电量。采用 多台逆变器结构 ， 使系统具有冗余特 性 ， 可靠性高。 各逆变器的输出直接在交流侧并接 ， 并可通过统一交 流 ２２０Ｖ电缆与电网并接。 内置电脑控制系统记录运行数据功能 ， 采用计算 机及专业软件 ， 通过数据采集控制器对 太阳能电池板运行数据及逆变器参数等 进行监控。系统实现全自动运行 ， 无需 人员操作 ， 可靠性高 ， 维护方便。 采用了两种“孤岛效应”检测方法 ， 包括被动式和主动式两种。被动式检测 方法指实时检测电网电压的幅值、频率 和相位 ， 当电网失电时 ， 会在电网电压 的幅值、频率和相位参数上 ， 产生跳变 信号 ， 通过检测跳变信号来判断电网是 否失电。主动式检测方法指对电网参数 产生小干扰信号 ， 通过检测反馈信号来判 断电网是否失电。其中一种方法就是通 过测量逆变器输出的谐波电流在并网点 所产生的谐波电压值 ， 通过计算电网阻 抗来进行判断 ， 当电网失电时 ， 会在电 网阻抗参数上发生较大变化 ， 从而判断 是否出现了电网失电情况。 此外 ， 在并网逆变器检测到电网失 电后 ， 会立即停止工作 ， 当电网恢复供 电时 ， 并网逆变器并不会立即投入运行 ， 而是需要持续检测电网信号在一段时间 （ 如９０ｓ） 内完全正常 ， 才重新投入运行。 需要指出的是 ， 任何一种 “孤岛效 应”的检测的方法均具有其局限性 ， 要 同时从电站管理上来杜绝检修人员伤亡
太阳能光伏发电并网电站设计与研究
黄 磊 （ 华中科技大学建筑设计研究院 ， 武汉市
４３００７４）
Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｇｒ ｉｄ－ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ
Ｈｕａｎｇ Ｌｅｉ （Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４， Ｃｈｉｎａ）
图１ 独立运行的光伏发电系统框图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇｒｉｄ－ ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ
太阳能光伏发电并网电站设计与研究 （ 黄磊 ）
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!"ＬＤＩＮＧ
ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｉｄ － ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏ － ｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｇｒｉｄ － ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏ － ｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ． Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｐａｎｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｐｏｗｅｒ ｏｆ １８ ３６０Ｗ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ １０８ ｐｉｅｃｅｓ １７０ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＭＳＫ Ｉｎｃ． ｉｎ Ｊａｐａｎ． Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｐａｎｅｌｓ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ９ ｇｒｏｕｐｓ ａｎｄ ａ ＳＭＣ６０００ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅａｃｈ ３ ｇｒｏｕｐｓ． Ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ａｒｒａｙ ｉｓ ３５ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ， ｓｕｃｈ ａｓ， ｗｉｎｄ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｔｃ．， ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｅ ＳＢＣＰ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ “ｉｓｌａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ” ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｆｏｒ ｏｎｅ ｄａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｌｉｓｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ Ｓｏｌａｒ ｐａｎｅｌｓ Ｓｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｉｓｌａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
摘
要
以华中科技大学太阳能光伏发电并网
示范电站为例 ， 从设计、应用等角度对太阳能光伏发 电并网电站进行了浅析。该电站太阳能电池板总功率
１８ ３６０Ｗ， 选用日本ＭＳＫ公司的 １７０型单晶硅太阳能电 池板 １０８ 块 ， 分 ９ 组 ， 每 ３ 组接一个 ＳＭＣ６０００ 型逆变器。
太阳能电池方阵的倾角为 ３５° ， 在设 计 中 应 考 虑 风 力 和 温 差 等 影 响 因 素 。选 用 ＳＢＣＰ 控 制 器 进 行 系 统 检 测 和数据传输。介绍两种“孤岛效应”的检测方法。最 后列出了该电站某天的发电数据。 关键词 器 孤岛效应 太阳能光伏发电 太阳能电池板 逆变
ＥＬＥＣＴＲＩＣＩＴＹ
１．２ 并网运行
在有公共电网的地区 ， 光伏发电一般与电网连接 ， 即并网运行方式。本电站项目即采用此种方式。光伏并 网发电系统是将许多独立的太阳能发电系统的电力通过 并网逆变装置并入常规电网， 把常规电网作为光伏发电 系统的载体 ， 与常规电网实现高品质电能的双向传输 ， 其系统结构如图２所示。在本系统中， 逆变器起关键作用， 它具有同电网连接功能， 即①具有高性能滤波电路， 使 逆变器交流输出的电能质量很高， 不会对电网质量造成 污染， 满足国家电网电能质量要求； ②在输出功率≥５０％ 额定功率 ， 电网波动 ＜５％ 情况下 ， 逆变器的交流输出 电流总谐波分量 ＜５％ ， 各次谐波分量 ＜３％ ； ③ 在运行 过程中需要实时采集交流电网的电压信号， 通过闭环控 制使得逆变器的交流输出电流与电网电压的相位保持一 致， 功率因数能保持在１．０附近， 具备反弧岛保护措施。
２００５ 年 ６￣８ 月 ， 我校经过多次技术研讨 ， 决定在
华中科技大学校内兴建太阳能光伏发电并网示范电站 项目 ， 并将此项目设在校内景观地带—— —华中科技大 学国际学术交流中心喷泉广场。
１ 太阳能光伏发电系统运行方式
运行方式基本可分为二类， 即独立运行和并网运行。
１．１ 独立运行
独立运行的光伏发电系统是靠光电转换来发电， 需 要有蓄电池做储能装置 ， 其系统结构如图１所示。它主 要由太阳能电池阵列、蓄电池组、充电控制器和逆变控 制器等组成 ， 适用于无电网的边远地区及人口分散地 区。由于必须配置蓄电池储能装置， 所以整个系统造价 较高。
因太阳能电池方阵的发电量与其接收的太阳辐射 能成正比 ， 所以方阵的安装方位和太阳电池阵列的倾 角非常重要 ， 将太阳能电池板放在华中科技大学一号 楼屋顶 ， 能直面太阳 ， 不受建筑物的阴影遮挡。本设 计的方位为正南方设计。根据计算和武汉的纬度 ， 以 及考虑增大冬季发电量的需求 ， 太阳能电池板倾角增 大了一些 ， 设计倾角为３５° ， 采用钢架支撑 ， 底部采用 通长的１００ｍｍ× １２．５ｍｍ镀锌槽钢固定 ， 详图３。
Ｆｅｂ．２００７ Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．２
紧固螺钉， 要加橡胶垫且松紧适度等） ， 避免玻璃的损坏。 ｄ． 为便于分路控制 ， 太阳电池方阵分为多个支路 接入直流控制部分 ， 同时各个支路分别接有断路器。
事故的发生 ， 当停电对设备和线路进行检修时 ， 必须 先断开并网逆变器。同时 ， 逆变器均带有隔离变压器 ， 使得逆变器的直流输入和交流输出之间电气隔离开来。 直流侧的光伏组件阵列为“浮地” ， 正负极与地之间都 没有电气连接 ， 且逆变器在运行过程中 ， 随时检测直 流正负极的对地阻抗 ， 从而保证了逆变器直流侧的短 路故障不会影响到电网。 在 系 统 数 据 通 讯 系 统 中 ， 使 用 了 ＳＭＡ 的 Ｓｕｎｎｙ
图２
并网运行的光伏发电系统框图
Ｆｉｇ．２ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇｒｉｄ－ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ
２ 太阳能电池板
２．１ 性能参数
太阳能电池板是直接将太阳能转换为电能的关键 部 位 ， 本 项 目 的 太 阳 能 电 池 板 由 日 本 ＭＳＫ 公 司 捐 赠 。 国际国内已能商品化生产的太阳能电池板分别 为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池板 ， 其发电效 率分别为１２％￣１３％、１０％￣１２％、４％￣６％， 单晶硅发电 效 率 最 高 ， 价 格 也 最 贵 ， 达 到 ４５ 元 ／Ｗ， 占 地 面 积 最 省。目前国内多选用多晶硅太阳能电池板。日本 ＭＳＫ 公司提供目前国际上领先的 １７０ 型单晶硅太阳能 电池 板 ， 共计 １１２块 ， 其性能参数指标详表 １。