張世翔, 沈 英

(上海電力學院 經(jīng)濟與管理學院, 上海 200090)

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3 MW屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設計

張世翔, 沈 英

(上海電力學院 經(jīng)濟與管理學院, 上海 200090)

利用Meteonorm軟件對我國北方地區(qū)的相關自然因素進行模擬考察,依次選擇最基礎的光伏組件以及并網(wǎng)所需要的逆變器、匯流箱、變壓器等器件,以一回10 kV線路T將系統(tǒng)發(fā)電接至電力系統(tǒng).添加防雷、監(jiān)控等裝置,使系統(tǒng)運行更加安全、可靠.通過經(jīng)濟性研究驗證,該設計方案可在預定期限內(nèi)收回成本.

分布式; 光伏發(fā)電系統(tǒng); 并網(wǎng)

目前,國內(nèi)大型光伏電站并網(wǎng)難的問題日益凸顯.分布式光伏發(fā)電將是我國今后光伏發(fā)展的重點方向.國家能源局發(fā)布的《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》明確提出將發(fā)展分布式光伏發(fā)電作為未來國內(nèi)光伏市場應用的重要領域.

分布式光伏的快速發(fā)展也對光伏電站的建設水平提出了新的要求,建立一個比較完善、可靠的光伏系統(tǒng)需要考慮資源評估、設備選擇以及后期維護等多方面因素.隨著技術的不斷成熟,光伏并網(wǎng)設計成為電站建設的重要組成部分[1-2].此外,電站的經(jīng)濟性也成為電站評估的重要因素.分布式電站的合理設計將為我國大力發(fā)展分布式新能源提供技術保障,也將使我國未來的電力行業(yè)呈現(xiàn)全新的面貌.

1 太陽輻射及太陽能資源評估

本文的研究對象處于我國北方臨海某省,由當?shù)貧庀笈_查得,該地每年平均光照時間約為2 502.1 h,屬于太陽能資源中等豐富地區(qū)[3-4].為獲得更確切的數(shù)據(jù),利用Meteonorm軟件對項目地各指標進行初步模擬,得到數(shù)據(jù)如表1,圖1,圖2所示.

由以上圖表可知,該地區(qū)每年5月至7月的輻射量較高,太陽輻射較低的月份分別是12月和1月,而每天的峰照小時數(shù)集中在6～8 h.根據(jù)我國的能源評估方法可知,該地輻射較強,光資源豐富,在開采應用方面有優(yōu)勢,適合建設光伏投資項目.

表1 研究地區(qū)的氣象資料

圖1 研究地區(qū)月平均太陽輻射量

圖2 研究地區(qū)月峰值日照小時數(shù)

2 組件排布及運行方案設計

2.1 光伏組件的選擇

在選擇設備之前,本文對整體的設計流程進行了初步構想,大致的設計框架如圖3所示.

光伏組件作為整個光伏系統(tǒng)的核心器件,主要從功率、材料等方面進行比較.目前,建設光伏電站的電池材料主要是晶體硅,而晶體硅又可分為單晶硅和多晶硅.在實際應用中,單晶硅的發(fā)電效率較高,成本也略高,但使用壽命長[5].本文選擇使用單晶硅太陽能電池片作為發(fā)電器件.

圖3 整體設計框架

2.2 單晶硅光伏組件的選擇

考慮到計劃裝機總?cè)萘繛? MW,需要組件數(shù)目較多,在安裝時工作任務也較大,因此優(yōu)先選用大功率光伏組件.此外,從經(jīng)濟角度分析,單晶硅功率越大,價格越高,每瓦價格差約為5元.275 W和280 W單晶硅組件的電氣參數(shù)如表2所示.由表2可以看出,兩種組件的性能參數(shù)相差不大,本文選用275 W單晶硅組件.

2.3 光伏方陣的運行方式

為了減小占地面積,合理利用土地,選擇將單晶硅電池板安排在廠區(qū)屋頂上,從正南方向順著彩鋼屋面坡度(0.5%)安裝.由于安裝傾斜度均相同,因此不存在因組件之間相互遮擋而影響發(fā)電量的情況,采用固定式安裝[6].考慮到以后器件的日常檢查以及定期維護,以24塊組件為一個單元,采用4×6的形式排布,每兩塊組件間距為0.02 m,過道間距為2.5 m,最后總的占地面積約50 000 m2.

2.4 逆變器的選擇

本設計共分為3個發(fā)電單元,其中1#發(fā)電單元共布置4 940塊275 W組件,合計安裝功率為1 358.5 kW.此時,集中型逆變器擬采用兩臺630 kW的并網(wǎng)逆變器[7].2#發(fā)電單元共布置4 680塊275 W多晶硅組件,合計安裝功率1 287 kW,選擇兩臺630 kW大小的集中型并網(wǎng)逆變器.3#發(fā)電單元共布置1 700塊275 W組件,合計安裝功率467.5 kW,選用一臺額定功率為500 kW的逆變器.

表2 光伏組件的電氣參數(shù)

2.5 光伏方陣的串并聯(lián)設計

本文計劃總安裝容量為3 MW,因此需要電池板的數(shù)量最少為N=3 000 000/275≈10 909(塊),考慮到組件實際發(fā)電效率以及屋面的面積,最終計劃安裝組件數(shù)11 320塊,安裝功率為3.11 MW[8].

由于安裝功率較大,采用分單元發(fā)電再集中并網(wǎng)的模式.根據(jù)選用的逆變器型號,最大陣列開路電壓均為1 000 V,MPPT電壓范圍為460～850 V[8].設每一個光伏方陣的串聯(lián)組件數(shù)為S,最多可以串聯(lián)的組件數(shù)目為Smax,最少必須要串聯(lián)的組件數(shù)目為Smin.

光伏組件的開路電壓為38.6 V,工作電壓基本穩(wěn)定在32.74 V,電壓溫度系數(shù)為-0.41%,研究所在地的極端最低氣溫為-18.5 ℃,則有:

(1)Smax=850/32.74/[1+(-18.5-25)×(-0.41%)]=22.03塊,取22塊;

(2)Smin=460/32.74/[1+(85-25)×(-0.41%)]=18.63塊,取19塊;

(3)S′=1000/38.6/[1+43.5×0.0041]=21.98塊,取21塊.

由此可見,當組件串聯(lián)數(shù)19≤S≤21時,滿足并網(wǎng)逆變器的`MPPT范圍.綜合考慮方陣布置的合理性,選用20塊光伏組件串聯(lián).

3 電氣一次設計

3.1 電氣一次接線

光伏電池板分別經(jīng)直流匯流箱、逆變器和10 kV干式升壓變壓器后接入廠內(nèi)新建的10 kV配電裝置;采用分散發(fā)電集中并網(wǎng)的方式,共采用11 320塊275 W單晶硅組件,合計安裝功率3.113 MW.經(jīng)一10 kV匯集線路接入廠區(qū)新建10 kV開關站,最后以一回10 kV線路T接至市政電網(wǎng)[9-10].

光伏電站一次側(cè)主要電氣設備包括兩臺630 kW,10.5×2.5%/0.315/0.315 kV箱式升壓變電站,一臺500 kW,10.5×2.5%/0.315/0.315 kV箱式升壓變電站,以及無功補償成套裝置、站用電、低壓配電柜等.

3.2 主要設備選擇

系統(tǒng)中組件串聯(lián)數(shù)目為20個,考慮到如果單個匯流箱路數(shù)太多容易引起火災等事故,故匯流箱最大數(shù)目盡量不超過16路.本文主要選用16路、12路、10路3種匯流箱.

為補償在站內(nèi)消耗的無功功率,在配電站10 kV母線上配置一臺容量為-0.5～+1 MW的無功補償裝置(采用SVG裝置)[11-12].

在10 kV開關站內(nèi)各設置一臺30 kW所用變柜,每個箱式逆變器房、箱式升壓站房內(nèi)各設一個低壓配電箱,電源由各自內(nèi)部解決,無需供電.

電站直流控制電源系統(tǒng)設置一套220 V,50 A的蓄電池組(組屏安裝),一套充電/浮充電裝置和一套充放電設備,采用單母線接線方式連接;蓄電池和充電/浮充電裝置分別連接在控制母線上.為檢測系統(tǒng)的絕緣能力,在控制母線上安裝微型監(jiān)測裝置.在各個10 kV開關站分別設置一套5 kW交流不間斷電源系統(tǒng),對監(jiān)控及保護系統(tǒng)提供必要的交流電源.

3.3 電氣設備布置

將直流防雷匯流箱按區(qū)域分別就近安裝在光伏陣列旁的屋面上.

每個光伏發(fā)電單元區(qū)域設置一套箱式升壓站房,分別放置逆變器及升壓變壓器設備.逆變器室的通訊及數(shù)據(jù)采集裝置和配電箱均為壁掛式.全廠共3個發(fā)電單元,分散布置在道路旁邊并靠近光伏陣列.

3.3.1 防雷設計

(1) 直擊雷保護 光伏電池組件不設專門的避雷針(線)保護,電池組件邊框均為金屬材質(zhì),利用屋頂原有的防雷接地裝置,可有效地實現(xiàn)直擊雷保護[13].為強化雷電流散效果,將組件支架進行可靠連接,并采用自然接地體與人工水平接地體相結(jié)合的方式做全廠等電位連接.

(2) 配電裝置的雷電侵入波保護 為阻止雷電侵入造成系統(tǒng)故障,在設計時安裝避雷器.主要采用無間隙氧化鋅材料避雷器,可以保護系統(tǒng)在雷擊時過電壓不受影響.

3.3.2 接地

光伏發(fā)電板采用屋頂固定支架的方式,屋面組件的接地系統(tǒng)首先考慮利用建筑物原有的防雷接地系統(tǒng).安裝完畢后現(xiàn)場實測,如果不滿足要求,則圍繞廠區(qū)設計接地環(huán)網(wǎng),將逆變器室和10 kV配電室保護室的電氣設備接入接地環(huán)網(wǎng).

逆變器周圍應設接地網(wǎng),水平接地體敷設于室外深0.8 m處,水平均壓帶敷設于室外深0.8 m處,垂直接地體敷設間距應≥5 m.

垂直接地體的具體位置和數(shù)量可視逆變器周圍的場地環(huán)境及土壤情況來確定,其數(shù)量一般不少于5根.水平接地體在逆變器基礎周圍要形成閉合環(huán)網(wǎng);垂直接地體頂端與水平接地體、水平均壓帶應焊接牢固;引線上端接至需要接地的設備底座、支架上;電氣設備底座和支架應按接地規(guī)程的要求可靠接地.

3.4 監(jiān)控及保護系統(tǒng)

采用微機監(jiān)控系統(tǒng),使其與繼電保護、逆變器室通訊及數(shù)據(jù)采集裝置等構成一個分層分布系統(tǒng),在監(jiān)控室內(nèi)設一臺操作員站.監(jiān)控系統(tǒng)主要用于采集一些實時運行數(shù)據(jù)和某些工作狀態(tài),以便系統(tǒng)更好地工作.

4 光伏電站發(fā)電量及發(fā)電效率

4.1 光伏電站發(fā)電量計算

光伏電站某一時間段的發(fā)電量W為:

(1)

式中:P——光伏電站所有組件的峰值功率之和;

h——某一時間段;

η——該段時間內(nèi)光伏系統(tǒng)的平均效率.

4.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率

光伏電站的系統(tǒng)效率主要取決于整個發(fā)電過程中各個部分的損失.本文所涉及的損失部分如下:相對投射率損失為2.6%;弱光損失為0.5%;溫度損失為4%;污穢損失為2.7%;逆變器損失為2%;組件不匹配損失為4%;逆變器出口至并網(wǎng)點損失為2.3%;系統(tǒng)可利用率損失為99%;系統(tǒng)效率損失為80.7%.

4.3 年發(fā)電量計算

利用Meteonorm軟件模擬得到該地區(qū)年太陽輻射量為1 417 kWh/m2,則年峰值日照小時數(shù)t的計算式為:

(2)

式中:H——斜面年總太陽輻射; T0——標準太陽輻射強度,1 000 W/m2(電池組件標準測試條件).

由于η=80.7%,計算得出首年發(fā)電量為3.408×106kWh.根據(jù)本項目所選的光伏組件產(chǎn)品質(zhì)量保證書的功率曲線,第1年光伏組件輸出功率衰減率為2.7%,以后每年輸出功率平均衰減0.7%,則可以得到25年后本光伏電站總發(fā)電量為7.688 95×107kWh,平均年發(fā)電量為3.075 6×106kWh.

5 投資估算和經(jīng)濟性分析

5.1 投資估算

光伏電站的投資主要包括設備材料的采購、建筑安裝工程及投入的其他費用.主要設備的價格如下:單晶硅組件為4.2元/W;逆變器為0.27元/W.其他費用按照以往的工程經(jīng)驗估算.

本設計擬總投資2 550萬元,靜態(tài)投資2 120萬元,動態(tài)投資2 400萬元.主要包括設備以及安裝工程費1 785萬元;建筑工程費233.2萬元;施工輔助工程費212萬元;其他費用319.8萬元.根據(jù)以上結(jié)果估算,該屋頂分布式光伏發(fā)電站的建設成本為8.5元/W.

5.2 發(fā)電收益計算

就我國現(xiàn)有的政策以及發(fā)展水平來看,光伏發(fā)電并網(wǎng)主要分為3種方式,即用戶全部自發(fā)自用、發(fā)電全部上網(wǎng)以及自發(fā)自用、余電上網(wǎng).考慮到研究地區(qū)實際的太陽輻射以及用戶用電情況,選用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式.在該模式下,其發(fā)電量收益計算公式為:(自發(fā)自用的電量×當?shù)仉妰r+上網(wǎng)電量×賣電價+補貼)×全部發(fā)電量.

經(jīng)核算該工廠每天用電量約占發(fā)電量的20%,其余發(fā)電量全部用于并網(wǎng).該地分布式光伏發(fā)電國家補貼為0.42元/kWh,大工業(yè)用電電價為0.647 4元/kWh,脫硫燃煤收購電價為0.372 9元/kWh.分布式光伏發(fā)電國家補貼年限為20年,經(jīng)計算,本電站20年發(fā)電總量為6.258 72×107kWh,由發(fā)電量收益公式可得:光伏電站總收益=(0.2×0.647 4+0.42+0.8×0.372 9)×6 258.72=5 306.14(萬元),所以平均每年獲得收益為265.31萬元.

靜態(tài)投資回收期為:初始投資總額/年收益=2 550/265.31=9.61 a.電站可以在預期內(nèi)收回成本,具有良好的盈利能力,說明設計方案財務評價可行,具有較好的開發(fā)價值,可投入實際工程應用[14-18].

經(jīng)過初步設計和審核,目前該項目已進入實際施工應用階段,經(jīng)過一段時間的考察記錄,其后期效益與預期相差不大.

6 結(jié) 論

本文設計了一個3 MW的光伏并網(wǎng)系統(tǒng).根據(jù)原理以及實際情況,共安裝275 W光伏組件11 320塊,固定安裝在彩鋼瓦屋頂上,并以此確定了其他器件的容量大小.該設計在環(huán)境保護和經(jīng)濟收益方面都有較高的應用價值.通過估算可知,系統(tǒng)可在10年內(nèi)收回成本,投資周期不算太長;屋頂式光伏發(fā)電單晶硅能源償還時間約為2.5～3年,時間較短,效益較高.由于前期投資較大,因此一般以國家或大型公司為主導建設,個體用戶可選擇比較小型的光伏系統(tǒng).

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(編輯 白林雪)

A Photovoltaic Roof Distributed Design of 3 MW on a Factory in the North Area of China

ZHANG Shixiang, SHEN Ying

(SchoolofEconomicsandManagement,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Meteonorm is used to investigate the natural factors of the researched area before building the whole system.Photovoltaic modules,grid needed inverter,junction box,transformers and other major components are chosen.The electricity is connected to the electricity power system by one 10kV line T.The design of lightning protection devices and monitoring enable the system operation to be more reliable and safe.And finally the whole system is analyzed from the persective of economy.This design can recover the cost before the scheduled period and is feasible.

distributed; photovoltaic power generation system; interconnection

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.005

2016-07-27

張世翔(1979-),男,博士后,教授,安徽巢湖人.主要研究方向為能源經(jīng)濟與管理,能源互聯(lián)網(wǎng),智能電網(wǎng)與新能源.E-mail:zsxwh@126.com.

中國工程院咨詢研究重點項目(2016-XZ-29);上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點項目(14ZS146);上海市哲學社會科學規(guī)劃課題(2013BGL016);上海高校人文社會科學重點研究基地建設項目(WKJD15004).

TM615

A

1006-4729(2017)03-0234-05