1、2014-4-23 1 光伏发电系统 设计要点2014-4-23 2 太阳能利用方式 太 阳 能 利 用 光伏 光热 中、高温应用 聚光热发电系统 低温应用 太阳能热水系统 光伏发电2014-4-23 3 项目生命周期 项目前期阶段 项目建议书 可研报告 项目实施阶段 设计 采购施工安装 调试并网试运行 项目营运阶段 生产运行 维护 1 232014-4-23 4 介绍内容 1、设计前期工作 2、设计阶段各专业要点 3、设计后期工作 4、工程实例2014-4-23 5 设计前期注意事项 现场踏勘 地形测绘、地质勘探、灾害评估 协调电网接入 气象资料2014-4-23 6 相关的气象数据 数据一
2、般为近10年的累计数据，如有近30年的统计数据， 则会使数据分析更加准确。 多年平均气温 多年极端最高气温 多年极端最低气温 白天最低温度 多年平均风速 多年最大风速 多年平均雷暴日 多年最多雷暴日数 多年平均年总量降水量 多年一日最大降水量 多年最大冻土深度 多年最大积雪深度2014-4-23 7 特殊气候条件的影响 极端低温和极端高温：极端低温会导致地基产生冻胀现象，毁 坏基础；极端高温对电池板输出电能不利，气温的升高将导致 组件表面温度的升高，组件的发电效率也急剧下降。 极端大风：会影响电池板的安全，导致光伏组件被大风吹翻； 洪水：会造成基础沉降，导致光伏阵列变形，损坏光伏组件。 雷暴：
3、可能导致电气设备毁坏，影响光伏电站电能输出。 积雪：可能造成组件的大面积损坏，影响光伏电站电能输出。2014-4-23 8 设计-电气专业 光伏电池 光伏阵列 直流汇流箱 直流电线电缆 光伏并网逆变器 升压变压器 中压配电 配套设施 并网设施 监控设施2014-4-23 9 电气主要规范 光伏发电站设计规范（GB50797-2012） 光伏(PV)发电系统过电保护-导则 (SJT 11127-1997) 光伏发电站接入电力系统设计规范（GB/T50866） 电力工程电缆设计规范（GB 50217） 建筑物防雷设计规范 （GB50057-2010） 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T
4、620-1997） 交流电气装置的接地 (DL/T 621-1997 ) 高压配电装置设计技术规程 （DL/T 5352-2006） 3110KV高压配电装置设计规范 （GB50060-1998） 火力发电厂变电站 二次接线设计技术规程（DL /T 5136-2001） 继电保护和安全自动装置技术规程 (GBT 142852006) 2014-4-23 10 并网发电系统组成 光伏 电池板 直流1级 汇流箱 直流2级 汇流箱 并网 逆变器 交流低压 开关柜 一次升压 变压器 1035KV 并入 公共电网 中压 开关柜 1035KV 二次升压 变压器 110KV及以上 配电装置 1035KV中压
5、并网2014-4-23 11 光伏电池分类 按 基 体 材 料 分 类 晶体硅太阳能电池 硅薄膜太阳能电池 化合物太阳能电池 硒光电池 染料敏化太阳电池 有机薄膜太阳电池 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 带状硅太阳电池 球状多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 微晶硅薄膜太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 纳米晶硅薄膜太阳电池 硫化镉太阳电池 硒铟铜太阳电池 碲化镉太阳电池 砷化镓太阳电池 磷化铟太阳电池 铜铟镓硒太阳电池2014-4-23 12 光伏电池 由于目前硅材料价格大降，非晶硅薄膜 电池没有成本优势，使用的较少。单晶 硅由于制造工艺较多晶硅复杂，价格稍 高。 所以目前光伏电站使用较多的为多晶硅
6、电池组件，根据工艺水平及造价，采用 245250Wp功率较多 。2014-4-23 13 光伏电池的基本特性 短路电流 :光伏电池的短路电流等于其光生电流 开路电压 :当光伏电池处于开路状态时，对应光 电流的大小产生电动势，这就是开路电压 转换效率 :转换效率表示在外电路连接最佳负载 电阻R时，得到的最大能量转换效率2014-4-23 14 温度影响 电流随温度的升高有所增加。 电压随温度的升高急剧下降。 转换效率随温度的升高而降低2014-4-23 15 影响电池效率的因素 材料能带宽度：开路电压随能带宽度的增大而增 大. 温度：随温度的增加，效率下降。 光生载流子复合寿命:复合寿命越长，短
7、路电流会 越大。 掺杂浓度及剖面分布：半导体掺杂浓度愈高， Voc愈高。2014-4-23 16 影响电池效率的因素 表面复合速率：低的表面复合速率有助于提高ISC， 并由于I0的减小而使VOC改善。 串联电阻：在任何一个实际的光伏电池中，都存在着 串联电阻，其来源可以是引线、金属接触栅或电池体 电阻。 金属栅线和光反射：在前表面上的金属栅线不能透 过阳光。 一个光伏电池的转换效率是其输出功率与输入功率之 比。为获取高效率，希望有大的短路电流，高的开路 电压和大的填充因子。2014-4-23 17 光伏阵列 光伏阵列，由若干个光伏组件在机械和电气上 按一定方式组装在一起，并且有固定的支撑结 构
8、而构成的直流发电单元 太阳能是一种低密度的平面能源，需要用大面 积的太阳能电池方阵来采集。 太阳能电池组件的输出电压不高，需要用一定 数量的太阳能电池组件经过串并联构成方阵。2014-4-23 18 组串设计 组件串联数量须同时满足下列条件： 组件串的最大开路电压不应大于组件的最大系统电压。 组件串的工作电压应在逆变器的最大功率跟踪（MPPT） 电压范围内 （应考虑温度因素）。 组件串的最大开路电压不应大于逆变器的最大直流输入电 压。 组件串并联总功率不应大于逆变器的最大直流输入功率。 同一组件串中太阳电池组件的电性能参数宜一致。 必须考虑直流线路实际压降所产生的影响2014-4-23 19
9、阵列设计 太阳能电池串并联所需要注意的原则： （1） 串联时需要工作电流相同的组件。 （2） 并联时需要工作电压相同的组件，（必要 时加防反充二极管）。 （3） 尽量考虑组件互连接线最短的原则。 （4） 要严格防止个别性能变坏的太阳能电池组 件混入太阳能电池方阵。2014-4-23 20 阵列设计 光伏组件最低点距地距离： 1、高于最大积雪深度 2、高于洪水水位 3、防止动物破坏 4、防止泥沙溅上组件表面2014-4-23 21 热斑效应 一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作 负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能 量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是 热斑效应。 这种效应能严
10、重的破坏太阳电池。有光照的太阳 电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所 消耗。在较大的方阵中，严重时热斑的温度有可 能高达200左右。热斑效应会使焊点融化，破坏 封装材料（如无旁路二极管保护），甚至会使整 个方阵失效。2014-4-23 22 热斑效应 造成热斑效应的原因是： （1）有个别坏电池的混入； （2）电极焊片虚焊； （3）电池由裂纹演变为破碎； （4）个别电池特性变坏； （5）电池局部受到阴影遮挡等。 为避免热斑效应，主要方法是加设旁路二极 管，以增加方阵的可靠性。2014-4-23 23 光伏阵列的倾角 太阳电池方阵的固定倾角设计应综合考虑站址当地的多 年月平均辐照度、直射分量
11、辐照度、散射分量辐照度、 风速、雨水、积雪等气候条件，并符合下列要求： 对于并网光伏系统，太阳电池方阵的倾角宜使倾斜面 上受到的全年辐照量最大。 对于独立光伏系统，太阳电池方阵的倾角宜使最低辐 照度月份倾斜面上受到较高的辐照量。 一般依赖于软件确定。2014-4-23 24 光伏阵列的方位角 太阳电池方阵的方位角宜朝向正南方向。 与建筑物相结合的太阳电池方阵的方位角 宜与建筑物方向保持一致。 在北半球，理论上电池组件朝向正南方布 置，即组件方位角为0度时，发电量最大。2014-4-23 25 间距计算 光伏组件布置一般确定原则：冬至当天9:0015:00太阳 电池方阵不应被遮挡。 计算公式如下
12、： 式中：为纬度(在北半球为正、南半球为负) ； H为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差， D为光伏方阵阵列最小间距。 计算小软件 () sin 399 . 0 cos 648 . 0 arcsin tan 707 . 0 = H D2014-4-23 26 间距计算(任意时间段发电） 光伏方阵阵列间距距离应不小于d（任意发电时间段） 式中：为项目所在地纬度(北半球为正、南半球为负) ； ：太阳时角（am正、pm负） ：赤纬角（-23.5） H为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差， d为光伏方阵阵列最小间距。 特别说明：时间段均指项目所在地的标准时间2014-4-23
13、27 系统效率 根据组件温度系数估算各月平均损耗 组件工作温度损耗 设备故障、电网故障等，现估算取值1% 1.00% 其它损耗(故障等) 系统二次升压按3%损耗计算 3.00% 升压变压器 组件之间的电气特性差异导致效率的损耗 2.00% 光伏组件性能差异 因早晚时阳光辐照强度低，不能达到逆变器的启 动条件，此部分损耗取值2% 1.00% 早晚不可利用辐射 损失 取逆变器平均损耗3% 3.00% 逆变器平均损耗 由于光伏组件上有灰尘或积雪造成的污染， 5.00% 尘土覆盖损耗 根据电缆长度及负荷估算 2.00% 交直流线路损耗 备注 参数 损耗项目2014-4-23 28 发电量计算 光伏发电
14、站上网电量Ep计算如下： kWh 其中： H A 为水平面太阳能总辐射量，单位kWh/m2； E p 为上网发电量，kWh； P AZ 组件安装容量，kW； K为综合效率系数， 综合效率系数为考虑了各种因素影响后的修正系数 K P H E AZ A p =2014-4-23 29 直流汇流箱 对于大型光伏并网发电系统，为了减少光伏 组件与逆变器之间连接线,方便维护，提高可 靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增 加直流汇流装置。根据逆变器输入的直流电 压范围,把一定数量的规格相同的光伏组件串 联组成1个光伏组件串列，再将若干个串列接 入光伏阵列防雷汇流箱进行汇流，通过防雷 器与断路器后输出。2
15、014-4-23 30 直流汇流箱 防护等级，防水、防灰、防锈、防晒、防盐雾，满 足室外安装的要求； 每路接入电池串列的开路电压值可达900V； 每路电池串列的正负极都配有光伏专用中压直流熔 丝进行保护，其耐压值为DC1000V； 直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间 配有光伏专用防雷器； 直流输出母线端配有可分断的直流断路器； 具有串电流检测功能 。2014-4-23 31 直流汇流箱2014-4-23 32 直流汇流箱2014-4-23 33 电线电缆 组件串联所用的电缆线应满足抗紫外 线、抗老化、抗高温、防腐蚀和阻燃 等性能要求，选用双绝缘防紫外线阻 燃铜芯电缆，电性能符合 GB
16、/T18950-2003性能测试要求。 必须进行电压损耗计算。2014-4-23 34 电线电缆 根据设定的直流电压损失，计算 所需直流电缆的最小截面积 S min =2L*I*/ U2014-4-23 35 直流配电柜 直流防雷配电柜，安装在室内，主要是将汇流箱输出的直流 电缆接入后进行汇流，再与并网逆变器连接，方便操作和维 护。 每一台直流防雷配电柜容量符合一台逆变器的容量配置； 直流防雷配电柜直流输入接口，可接汇流箱； 每路直流输入侧都配有可分断的直流断路器和防反二极管； 直流母线输出侧都配置光伏专用防雷器； 直流母线输出侧配置直流电压显示表；2014-4-23 36 逆变器 逆变器是将
17、直流电能转换成交流电能的变流装置。按照逆变器的主 电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器隔离方式，高频变 压器隔离方式，无变压器方式。2014-4-23 37 逆变器选型要点 a、安全可靠 可靠的孤岛效应防护 完善的并网保护功能 可靠的地震、雷击、对地短 路等防护措施 b、高电能质量 优质的纯正正弦波交流输出 低谐波分量 C、高效电能转换率 含MPPT功能 高转换效率 d、简明的人机交互方式 显示发电参数、信息 通信功能（通信接口 LAN/RS232/485) e、智能自动运行能力 自动与电网同步 自动电压调整 输入宽电压 f、节能低噪 自耗电较低 低噪音2014-4-23 38 逆变器的
18、转换效率 最大效率： 逆变器所能达到的最大效率 MPPT效率： 最大功率点跟踪的精度 系统效率： 逆变器效率 X MPPT效率 欧洲效率（EU效率）：按不同功率点效率根据加权公式计算（5%- 0.03， 10%-0.06， 20%-0.13， 30%-0.1， 50%-0.48， 100%-0.2） 加州效率（CA效率）：按不同功率点效率根据加权公式计算（10%- 0.04， 20%-0.05， 30%-0.12， 50%-0.21， 75%-0.53， 100%-0.05） EU效率与CA效率的区别在于50%、75%、100%功率点处权重不同 目前水平：系统效率97%，欧洲效率96%2014
19、-4-23 39 逆变器 并网逆变器相关标准 CNCA/CTS0004:2009 IEEE929-2000，UL1741 主要保护功能如下： 电网电压过、欠压保护 电网频率过、欠频保护 电网短路保护 孤岛效应保护 逆变器过载保护 逆变器过热保护 逆变器对地漏电保护 逆变器防反放电保护 直流输入极性反接保护 直流输入过压保护 防浪涌保护2014-4-23 40 逆变器 工频变压器隔离方式 采用工频变压器进行电压变换和电气隔离， 其优点是结构简单，抗冲击性好，安全性能 较好。 该类型逆变器体积和重量较大，且整体效率 下降。2014-4-23 41 逆变器 高频变压器隔离方式 采用高频变压器绝缘方式
20、的逆变器，高频 变压器经多级变换，回路较为复杂，逆变效 率不高。 由于有SPWM控制和周波数变换，输出波 形畸变小，能满足电网对谐波要求。 该类型逆变器故障率较高。2014-4-23 42 逆变器 无隔离变压器方式 降低了成本，提高了效率。 无变压器方式逆变器增加了升压部分，输入电压 比较稳定，同时提高了电压，减少了电流，降低 了逆变部分的损耗，提高效率。 升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。 输出波形畸变小，能满足电网对谐波要求，符合 电力入网标准，在大型的太阳能并网发电系统中 大量使用。2014-4-23 43 逆变器选用 从工程运行及维护考虑，若选用单台容量小 的逆变设备，则设备台数
21、较多，会增加后期 建设的维护工作量。 在技术成熟情况下，一般应尽量选用容量较 大的逆变设备，在一定程度上也能降低投 资，并提高系统的可靠性； 但单台逆变器容量过大，则会导致一台逆变 器故障时，发电量损失过大，因此工程一般 选用容量为500kW的逆变器。2014-4-23 44 逆变器选用 逆变器直流输入及输出：要求直流输入电压有较 宽的适应范围， 可靠性和可恢复性：逆变器应具有一定的抗干扰 能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功 能，如：故障情况下，逆变器必须自动从主网解列。 逆变器输出电能质量：为使光伏阵列所产生的直 流电源逆变后向公共电网并网供电，就必须使逆变器 的输出电压波形、幅值
22、及相位与公共电网一致，实现 无扰动平滑电网供电。2014-4-23 45 升压变压器 就地升压变压器选择原则： 应优先选用自冷式、低损耗电力变压器。 容量可按光伏发电单元最大输出功率选取。 可选用箱式变电站、组合式变压器以及由变压器与高低压电气元 件等组成的敞开式设备、与逆变器集成一体化设备。 对于在沿海或风沙大的光伏电站，当采用户外布置时，沿海防护 等级应达到IP65，风沙大的光伏发电场防护等级应达到IP54。 就地升压变压器可采用双绕组变压器或分裂变压器。 就地升压变压器宜选用无载调压变压器。2014-4-23 46 箱变 欧式箱变 美式箱变2014-4-23 47 交流主接线方式 一台升
23、压变压器连接两台不带隔离的逆 变器时，宜选用分裂绕组变压器。 光伏电站发电母线电压，应综合比较后 确定（容量、接入电压等）： 一般采用0.4kV、10.5kV、38.5kV。2014-4-23 48 交流主接线方式 光伏电站发电母线的接线方式： 光伏发电站安装容量小于或等于20MW，宜 采用单母线接线。 光伏发电站安装容量大于20MW，小于等于 50MW，宜采用单母线或单母线分段接线。 光伏发电站安装容量大于50MW，宜采用单 母线分段接线。 当母线分段时，应采用分段断路器。2014-4-23 49 交流主接线方式 光伏电站内各发电单元与光伏电压母 线的连接方式： 辐射式连接方式。 “T”接式
24、连接方式。 环网式连接方式。但电压不大于10kV的环 网正常应开环运行。2014-4-23 50 二次系统 直流电源配置（UPS电源） 继电保护（内部、外部） 并网接入（远动、通信、调度、电能 质量监控、光功率预测装置、线路保 护）2014-4-23 51 电能计量 电能计量装置（包括CT、PT）应得到主管部门的认 可，并经校验合格。 计量点设置在产权分界处。 自用电取自外网电的，应设置计量点。 应在关口电能计量点配置、安装具有通信功能的电能计 量装置和电能量采集装置。 相同的主、副电能表各一套。 电能计量信息应上传电网调度机构。2014-4-23 52 无功补偿 无功补偿装置应根据就地平衡和
25、便于调整电压的原 则配置。 符合并联电容器装置设计规范的规定。 无功补偿装置设备的型式根据容量可选用成套设备 或装配式设备，可选用动态连续可调或其它型式 （ SVC、SVG等） 根据接入报告要求，容量1520% 安装在中压系统中2014-4-23 53 接地系统 光伏方阵的场地应设置接地网，接地网 除采用人工接地极外，还应充分利用光 伏组件支架。 光伏方阵接地应连续、可靠。接地电阻 应10。2014-4-23 54 站用电系统 宜采用380V、应采用动力与照明共用的 中性点直接接地方式。 站用电工作电源引接方式： 当光伏电站有发电母线时，宜从发电母线引接。 当技术经济合理时，可由外部电网引接电
26、源供给。 当技术经济合理时，也可由分散在各发电单元逆变器 交流出线侧引接。但升压站（或开关站）除外。2014-4-23 55 站用电系统 应设置备用电源，宜由外部电网引接。 工作电源与备用电源间应设自投装置。 自用电变压器容量： 自用电工作变压器容量宜为计算负荷的1.1倍。 自用电备用变压器的容量与工作变压器容量相同。2014-4-23 56 监控系统 监控系统可连续记录运行数据和故障数据： （1）要求提供多机通讯软件，采用 RS485 或 Ethernet（以太网）远程 通讯方式，实时采集电站设备运行状态及工作参数并上传到监控主机。 （2）要求监控主机至少可以显示下列信息： 可实时显示电站的
27、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 H、频率 I、功率因数 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2014-4-23 57 监控系统 监控所有逆变器的运行状态，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少因 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、直流电压过低； G、逆变
28、器过载；H、逆变器过热；I、逆变器短路；J、散热器过热； K、逆变器孤岛；L、DSP 故障；M、通讯失败； 可检测组件串的电流，并将汇流箱故障信号上传至监控系统。 （3）要求监控软件集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外温 度和电池板温度等参量。 （4）要求最短每隔5分钟存储一次电站所有运行数据，包括环境数据。故障数据需 要实时存储。 （5）要求至少可以连续存储 20 年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。 （6）要求提供多种远端故障报警方式，至少包括： SMS（短信）方式，E_MAIL 方式，FAX 方式。 （7）监控器在电网需要停电的时候应能接收电网的调度指令。2014
29、-4-23 58 监控系统2014-4-23 59 安保 视频监控 出入口控制 入侵报警系统2014-4-23 60 站区布置 光伏电站站区由以下部分组成： 1. 光伏方阵； 2. 升压站及配套建、构筑物； 3. 场区集电线路； 4. 光伏方阵逆变升压单元； 5. 站内道路； 6. 其他防护功能设施。2014-4-23 61 土建工程 大型地面电站按场地条件可分为： 戈壁电站、荒原电站、 沙漠电站、 山地电站、 填方地区电站、 沿海鱼光互补电站等。2014-4-23 62 土建工程 戈壁、荒原地区地面电站 通常地势变化较缓，根据场地土的腐蚀性评 价可采用条形基础、微孔灌注桩基础、钢桩 基础、墩
30、形基础等，组件固定支架可采用前 后双立柱支架，单立柱支架等；2014-4-23 63 土建工程 沙漠地区光伏电站 地形多较为起伏，为减少施工难度及误差，可采用 单立柱支架，基础可采用预制混凝土桩、螺旋桩 等。 山地电站 由于施工难度相对较大，可采用微孔灌注桩基础、 钢桩基础、条形基础等。2014-4-23 64 土建工程 填方地区电站 如填方整平完成时间短、土质较软且多数未经压实，则应 采用自重较轻的螺旋钢桩基础。 沿海鱼光互补电站 通常选用预制混凝土桩基础，桩上部兼作支架的单立柱， 支架与预制桩桩身通过抱箍连接，预制混凝土桩需根据桩 所处的环境类别确定桩的混凝土配料要求、保护层厚度、 抗渗要
31、求等，由于预制混凝土桩基的施工误差相对较大， 组件支架在设计和制作时应预留一定的调节余量。2014-4-23 65 光伏支架基础 钢筋混凝土独立基础 混凝土灌注桩2014-4-23 66 光伏支架基础 混凝土灌注桩2014-4-23 67 光伏支架基础 预制混凝土管桩（单立柱、鱼光互补）2014-4-23 68 光伏支架基础 钢制管桩基础 型钢制作基础2014-4-23 69 光伏支架基础 型钢桩基施工 灌注桩基钻孔2014-4-23 70 光伏支架系统2014-4-23 71 暖通与给排水 站房的采暖、通风、空调。 室内外生活给排水、雨水系统、消 防给水系统、电池组件清洗给水系 统等。2014-4-23 72 消防系统 建筑工程防火 电气设备防火 消防措施： 消防水系统、灭火器、防排烟、火灾报警系 统、贮油挡油设施及事故油池、应急照明等2014-4-23 73 设计后期工作 施工图报审 施工图送市级审图中心或相关机构报审 电气一次、二次评审 电气施工图到地、市级电力公司进行评审， 确认电气主接线与对侧接入点相关调度、通 信等内容。2014-4-23 74 工程实例2014-4-23 75 工程实例2014-4-23 76 工程实例2014-4-23 77 工程实例2014-4-23 78 工程实例2014-4-23 79 工程实例2014-4-23 80 工程实例
