1、小型分布式光伏发电系统设计韩学栋，王海华，李剑锋(江苏省电力设计院，南京市211102)摘要：国内对于小型分布式光伏电站的开发研究还不成熟，为此提出了一种针对小型分布式光伏发电系统的设计方法。介绍了充放电控制器、逆变器的选择依据及储能电池的设计公式，根据光伏组件的电气特性阐述了其串并联设计公式、光伏电缆选型方法，根据光伏组件的不同布置情况推导出了光伏阵列间距计算公式，确定了光伏组件前后排的布置间距。通过上述方法辅以具体设备参数，实现了整个发电系统的参数化设计。关键词：分布式发电；光伏发电；家用小型分布式发电；储能电池Design of Small Distributed Photovoltai
2、c Generation SystemHAN Xuedong，WANG Haihua，LI Jianfeng(Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 21 1 102，China)ABSTRACT：At present，the research and development of small distributed photovoltaic(PV)power plants is not mature inChinaSo this paper proposed a centralized design method for small d
3、istributed PV generation systemThis paper introducedthe selection basis of charging controller and inverter，as well as the design formulas of energy storage battery；described theseriesparallel design formula of PV module and the selection method of PV cable according to the electrical characteristic
4、s ofPV modules；deduced the formula of PV array spacing according to the different layout of PV modules，and determined thelayout spacing between each rowFinally，the parametric design of the entire power system was achieved based on the abovemethods and the specific device parametersKEYWORDS：distribut
5、ed generation；photovoltaic generation；household small distributed generation；energystorage battery中图分类号：TM 615 文献标志码：A 文章编号：10007229(2014)01010405DOI：103969jissn1000-72292014010200 引 言2013年初，我国出现大范围的雾霾天气，对环境以及人体造成诸多损害，而大力发展绿色、无污染的可再生能源是人类可持续发展的必由之路。太阳能光伏发电是一种新型的可再生能源发电方式，现有针对分布式光伏发电的文献多为国内分布式发电现状的综述
6、和对整个发电系统拓扑结构的介绍，以及太阳能与其他能源的一体化应用u引。文献23介绍了分布式光伏发电的发展趋势以及在国内的应用，但未能提供对该分布式系统实现的支撑。文献4_6中介绍了光伏发电系统的设计方法，但在设备选型、组件串并联、组件间距、储能配置等环节未能提出理论的计算方法以及操作实例。我国首个家庭光伏电站于2012年12月在青岛实现并网，装机容量2 kW。国家电网公司于2013年2月发布了关于做好分布式电源并网服务工作的意见，在此背景下，本文提出一衄Electric Power Construction VoL 35，No，Jan，2014种小型分布式光伏发电系统的设计方法，并对该系统中的
7、各关键问题进行研究分析。1 小型分布式光伏发电系统结构家用分布式光伏发电系统主要包括太阳能光伏电池组件、并网逆变器、储能电池、用于蓄电池充放电的双向换流器、电能表计等部分。川。光伏发电系统具有诸多优点，如：安装方便、维护少、发电过程中不会排放污染物质等。本文针对一典型的分布式光伏发电系统拓扑结构展开分析和设计，拓扑结构如图1所示。其工作模式为：(1)白天通过太阳能光伏电池发电，所发电能首先通过充放电控制器向蓄电池组充电，当电池充满电之后，所发电量上送至公共电网。(2)白天用电时将首先选用就地的光伏系统所发电能，在不足以支撑用电负荷时切换到公共电网，从公共电网取电；晚上用电时首先通过充放电控制器
8、万方数据竺兰堂篁!塑 壁兰竺：竺!：型坌主查堂堡垄皇至竺兰兰|基E量圜从蓄电池组获取电能，当蓄电池组蓄能不足时从公共电网获取电能。图1分布式光伏发电系统拓扑结构Fig1 Topology structure of distributed PV system图1中：W1为发电系统与公共电网相连的关口计量表，该表应具备双向计量的功能，一方面用以计量由发电系统输向公共电网的电量W另一方面用以计量从电网获取的电量W岫；W2为与就地负载母线相连的计量表，用以计算家用负载的用电量W：。家庭从电网获取的电量为W家庭自用的光伏发电量为W：一W岫，光伏发电系统输入电网的电量为W由此即可根据相应的电量计费标准进行
9、电费的结算。2电气系统设计设计太阳能光伏发电系统需根据装机容量以及应用类型选择合适的控制器、光伏组件等，同时，阵列间的距离对电站的输出功率和转换效率有较大的影响，如安装不妥，后排的电池阵列将被前排阵列的阴影遮挡，从而造成组件的热斑效应并影响发电量。因此，还需对光伏组件进行合理的串、并联以及空问布置设计。家用分布式光伏发电系统还应具有储能设备，因此，需要对储能蓄电池以及相应的充放电控制器进行设计选型。21 普通家用电负荷家庭负荷可概括为：5个20 w节能灯，日均工作5 h；1台150 W的29寸彩电，H均工作4 h；1台电功率为200 W的电冰箱，日耗电量约为1 kWh；1台300 W的洗衣机，
10、日均工作约05 h；2台70 w左右的笔记本电脑，Et均工作3 h；2台制冷功率约为1 200 W的空调，日耗电量每台约为2 kWh，1台制冷功率约为1 600 W的空调，日耗电量约为3 kWh。通过以上统计，家庭内的一般用电负荷最大约为49 kW，日最大用电量约为967 kWh。但考虑到用电设备的同时系数，3 kW左右的负荷即可满足一般使用，Et均用电量6 kWh左右，故本文将以3 kW负荷、日均用电量6 kWh作为分布式系统基础数据。22充放电控制器选择充放电控制器，即为双向换流器，即可实现太阳能光伏电池所发出的能量存储到蓄电池，也可实现蓄电池向家用交流负载或电网释放，是蓄电池充放电以及实
11、现相应保护功能的自动控制设备。本文考虑将充放电控制器置于交流母线侧，故该控制器的交流侧电压需为220 V(AC)，为便于选择现有的充电控制器以及方便电池单体串并联，蓄电池直流侧电压设计为48 V，本文选择了型号为BEG3000E的双向换流器，具体参数如表1所示。表1 BEG3000-E双向换流器技术参数Tab1 Technical parameters of BEG3000-Ebidirectional inverter技术参数 数值连续额定功率(25)VA交流电压V频率Hz连续交流均方根值输出(25)A最高效率最大交流输出电流A交流输入电压V交流输入频率Hz直流输入电压V电池充电连续输出电害
12、砂A23逆变器选择本文选用了3 kW的家庭负荷，故选用型号为SG3KTL、容量为3 kW的逆变器，其技术参数如表2所示。2。4蓄电池组容量计算对于海岛或者架设送电线路造价太高的地区，分表2 SG3KTL逆变器技术参数Tab2 Technical parameters of SG3KTL inverter技术参数 数值最大直流电压v最大功率点的工作电压V最大直流功率w最大输入电流A额定输出功率kW额定电网电矽V允许电网电肘v额定电网频率Hz功率因数最大效率5501504503 3001832301802605060099(额定功率)973Electric Power Construction V
13、oL 35，No，Jan，2014啁0jm姗瑚卯n娥笏一一稻2盼铊万方数据|垦尽塞璺E置 皇垄堡兰 兰!兰兰!里布式光伏发电系统需安装相应的储能设备；对于具有送电线路的家用小型分布式光伏发电系统，考虑到很多家庭白天用电负荷较小，用电高峰集中在晚上，而太阳能恰恰又是与日照密切相关的，晚上是不发电的，本着自发自用余电上网的原则，故该系统中需配备蓄电池组进行能量的存储以便晚间使用。8。1 0I。同时，考虑到蓄电池体积较大，家庭分布式光伏发电系统，在自发电量不足以供给用电负荷时，也可从公共电网取市电来使用。故本文仅从探索的角度出发，将蓄能容量满足每天6 kWh的用电为标准，在实际操作中可根据实际情况进
14、行具体调整。储能蓄电池的容量应按下式计算：C。=PDF(UKa) (1)式中：c。为储能电池容量，kWh；P为日均用电量，kWh；D为蓄能天数，d；F为储能电池放电效率的修正系数，通常为105；U为储能电池的放电深度，其数值为0508；Ka为包括逆变器等交流回路的损耗率，通常为0708。本文中，放电深度取80，损耗率取08，根据上述用电负荷以及储能时长，可算得蓄电池容量C。=984 kWh。由于蓄电池充放电控制器直流输入电压为4268 V，充电电流恒定，为了使蓄电池尽快充满电，本文选择蓄电池侧电压为60 V，则蓄电池安时数为164 Ah。选用单体标称电压为12 V，容量为170 Ah的蓄电池5
15、块，全部串联，蓄电池型号为12SPl70，其单体电池参数如表3所示。表3蓄电池技术参数Tab3 Technical parameters of batteries电气参数 数值额定电压v充电截止电压v放电截止电压V额定容量(Ah)尺寸(长、宽、高)ram质量kg1213610170500、192、23554725光伏组件设计及选型251 光伏组件串并联设计由逆变器参数可知，其最大功率跟踪电压为150450 V，且光伏电池组件的最大装机容量需小于3 300 W。同时，考虑到光伏组件型号的普遍应用性以便安装以及后期维护，使光伏电池方阵的电气特性与逆变器匹配，本文选择了型号为TSM一240的组件，其
16、技术参数如表4所示。衄Electric Power Construction VoL 35，No，Jan，2014表4光伏组件技术参数Tab4 Technical parameters of PV modules电气参数 数值最大功率W最大功率点的工作电压V最大功率点的工作电流A开路电压V短路电流A组件效率太阳能电池片组件尺寸(长、宽、高)nun开路电压温度系数(。1)240304789372837147125 mill125 mm单晶硅l 650、992、40一O32光伏组件的串联数可如下式计算a成立。当屋面坡度较大时，为了保证光伏组件安装的可靠性、抗风压性能等，屋面北坡将不宜布置组件。27
17、防雷接地设计因光伏组件置于屋顶之上，有可能遭受直击雷或感应雷电波的侵人，因此，光伏组件边框上的接地孔须用BVR一16铜绞线逐个跨接，直至两边缘与光伏组件固定支架的连接螺栓用线鼻可靠固定；光伏组件固定支架采用一50 miil5 lllnl热镀锌扁钢与屋顶的避雷带相连，连接点不少于2处，连接处焊接的长度应不小于扁钢宽度的2倍。同时，逆变器直流输入以及交流输出等处应附带有避雷器，以防止雷电波的侵入。3 结 论(1)在国内大力鼓励发展分布式光伏发电的背景下，本文提出了一种家用小型分布式光伏发电系统结构，并实现其系统设计。根据系统要求，合理地配置了系统中充放电控制器、额定功率3 kW的逆变器以及170
18、Ah的储能蓄电池等重要设备。通过相应皿ElPctric Power Construction VoL 35，No，Jan，2014设备的具体参数佐证了选择的合理性，并设计了由13块太阳能光伏组件组成的一串光伏阵列以满足系统要求。(2)根据光伏组件在不同屋面的布置情况，推导出了光伏阵列在平面上以及屋面的南坡和北坡布置时前后间距的理论公式，可为光伏组件的布置提供参考。4 参考文献1王长贵，王斯成太阳能光伏发电实用技术M北京：化学工业出版社2009：1-302孙李平，李琼慧，黄碧斌分布式光伏发电现状及走势J中国电力教育，2013(6)：90-913孙燕分布式光伏并网系统在国内的应用J太阳能，2012
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20、12，33(8)：222611GB 50797-2012光伏发电站设计规范S北京：中国计划出版社，201212DLT 5044-2004电力工程直流系统设计技术规程s北京：中国电力出版社，200413蒋华庆，田景奎，姜在骏，等采用自动跟踪系统对光伏电站电价的影响J电力建设，2009，30(6)：767814朱丹丹，燕达太阳能板放置最佳倾角研究J建筑科学，2012(28)：277-281收稿日期：20130708修回日期：20130909作者简介：韩学栋(1987)，男，硕士，主要从事电力系统工程咨询规划设计工作，Email：hanxuedongjspdicomcn；王海华(1979)，女，高级工程师，主要从事电力系统工程咨询规划设计工作；李剑锋(1971)，男，高级工程师，高级项目经理，主要从事电力工程总承包项目管理工作。(编辑：蒋毅恒)万方数据小型分布式光伏发电系统设计作者： 韩学栋， 王海华， 李剑锋， HAN Xuedong， WANG Haihua， LI Jianfeng作者单位： 江苏省电力设计院,南京市,211102刊名： 电力建设英文刊名： Electric Power Construction年，卷(期)： 2014,35(1)本文链接：http:/
