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一、總體設計方案

1、50KW光伏電站

50KW光伏屋頂由南北朝向，南北均無高大建筑物，無遮陰情況，日照充分。計劃在教學樓屋頂裝設太陽能光伏電池組件板建設太陽能光伏發電示范系統。　　　

2、設計要求

1）該項目有一定的公眾影響力，作為太陽能光伏發電示范系統，美觀非常重要，要求光伏系統的安裝應保持屋頂的風格和美觀，并與整個學校整體環境相協調。

2）該光伏系統主要提供教室辦公樓的照明用電。包括：照明等其他用電器。要求在陰雨天氣時，應能使用城市電網為負荷供電。　　　

3、光伏發電系統運行方式

太陽能光伏發電系統的運行方式可分為兩類，即獨立運行和并網運行。

運行的光伏發電系統需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網的邊遠地區。由于有蓄電池儲能裝置，所以整個系統的造價很高。但這種太陽能光伏發電系統發出的電能獨立供給負載，不與公共電網連接，也就不會對公共電網發生任何干擾。

在有公共電網的地區，光伏發電系統一般與電網連接，即采用并網運行方式。并網型光伏發電系統的優點是可以省去蓄電池，而將電網作為自己的儲能單元。由于蓄電池在存儲和釋放電能的過程中，伴隨著能量的損失，蓄電池的使用壽命通常僅為5-8年。報廢的蓄電池又將對環境造成污染，所以省去蓄電池后的光伏系統不僅可大幅度降低造價，還具有更高的發電效率和更好的環保性能，且維護簡單、方便。

通過逆變器變換產生的交流電，或者向公共電網輸送電能，或者與公共電網同時端接輸出到低壓負載。這兩種方式都是當時發電當時使用，太陽能發出的電量直接與公共電網并接。只是根據并網光伏系統是否允許通過供電區的變壓器向主電網饋電，分為可逆流和不可逆流的并網光伏發電系統。目前，大多采取可逆流的并網供電方式。

綜合考慮，該光伏發電系統擬采用不可逆流的并網運行方式，在廠房內局部并網，不考慮將電能輸入上級城市電網。采取局部并網運行方式提高了上級城市電網的安全性。預留可逆流并網運行功能。

4 設計依據
   該系統的設計依據有：
   GB/T 19939-2005 光伏系統并網技術要求
   GB/T 20046-2006 光伏（PV）系統電網接口特性（IEC 61727:2004,MOD）
   GB/Z 19964-2005 光伏發電站接入電力系統技術規定
   GB/T 2423.1-2001 電工電子產品基本環境試驗規程 試驗A：低溫試驗方法
   GB/T 2423.2-2001 電工電子產品基本環境試驗規程 試驗B：高溫試驗方法
   GB/T 2423.9-2001 電工電子產品基本環境試驗規程 試驗C：設備用恒定濕熱試驗方法
   GB 4208 外殼防護等級（IP代碼）（equ IEC 60529:1998）
   GB 3859.2-1993 半導體變流器 應用導則
   GB/T 14549-1993 電能質量 公用電網諧波
   GB/T 15543-1995 電能質量 三相電壓允許不平衡度
   GB/T 21086-2007 建筑幕墻
   GB 50057-94 建筑物防雷設計規范
   JGJ102-2003 玻璃幕墻工程技術規范
   JGJT139-2001 玻璃幕墻工程質量檢驗標準當地氣象資料。光伏系統現場的地理位置，包括地點、緯度、經度和海拔；該地區的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長連續陰雨天數，最大風速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。

5、設計原則

太陽能光伏發電系統的安裝不能破壞建筑造型，不能破壞裝飾性藝術風格，不能造成結構的重新返工。

太陽能工程必須保證建筑物的安全。太陽能系統不僅僅要保證自身系統的安全可靠，同時要確保建筑的安全可靠。必須考慮安裝條件、安裝方式和安裝強度。包括太陽能光伏電池板在屋面安裝時對屋面負荷的影響問題，特別是太陽能電池板自身載荷和抗風能力、抗冰雹沖擊等工程應用問題。其中，太陽能電池板與屋面結合的抗風負荷問題是工程風險。特別是需要屋面承受空氣層流所產生的巨大風力。

光伏發電系統應當在可靠地滿足負載需要的前提下，進行合理的配置，盡量減少系統規模，降低投資費用。

光伏發電系統設計必須要求其高可靠性能，保證在較惡劣條件下的正常使用；同時要求系統的易操作和易維護性，便于用戶的操作和日常維護。

整套光伏發電系統設計、制造和施工的低成本，設備的標準化、模塊化設計，提高備件的通用互換性，要求系統預留擴展接口便于以后規模容量的擴大。

具體實施時，太陽光伏發電組件板要用適當的方位角和傾斜角安裝，確保太陽電池組件得到最優化的性能；安裝地點的選擇應能夠滿足組件在當地一年中光照時間最少天內，太陽光從上午9：00到下午3：00能夠照射到組件。

組件安裝結構要經得住風雪等環境應力，安裝孔位要能保證容易安裝和機械的受力，推薦使用正確的安裝結構材料可以使得組件框架、安裝結構和材料的腐蝕減至最小。

6、光伏發電系統組成

針對太陽能光伏并網發電系統，建議采用分塊發電、集中并網方案，將系統分成幾個發電單元，最終實現整個并網發電系統并入負載系統。

經過計算，整個并網發電系統需配置220塊235Wp多晶硅組件，實際功率約為51.7KWp。

考慮到并網系統在安裝及使用過程中的安全及可靠性，為了減少光伏陣列到逆變器之間的連接線及方便日后維護，建議在室外配置光伏陣列防雷匯流箱，該匯流箱可直接安裝在電池支架上，每個匯流箱可接入16路光伏陣列，整個并網系統需配置臺光伏陣列防雷匯流箱。

為了將光伏陣列防雷匯流箱的直流輸出匯流后再接入逆變器，系統需要配置1個直流防雷配電柜

并網逆變器采用三相五線制的輸出方式。整個并網發電系統按照11個并網發電單元進行設計，配置了1臺50KW逆變器。

太陽能并網發電系統，將光伏系統的并網點選擇在并網點的低壓配電柜上。逆變器的交流電輸出，通過電纜分別接至交流配電柜的交流輸入端，同時來自市電網低壓配電柜的輸入也接入交流配電柜，從交流配電柜向負載供電。從而實現整個并網系統并入負載交流電網。

綜上所述，本系統主要由太陽能組件、光伏陣列防雷匯流箱、直流防雷配電柜、光伏并網逆變器和交流配電柜所組成。

二、光伏發電系統設計

1、光伏發電系統容量設計

1.1 并網光伏系統的最佳傾角、方位角。

當地的緯度的影響。并網光伏供電系統有著與獨立光伏系統不同的特點，在有太陽光照射時，光伏供電系統向電網發電，而在陰雨天或夜晚光伏供電系統不能滿足負載需要時又從電網買電。這樣就不存在因傾角的選擇不當而造成夏季發電量浪費、冬季對負載供電不足的問題。在并網光伏系統中需要關心的問題就是如何選擇最佳的傾角使太陽電池組件全年的發電量最大。通常該傾角值為當地的緯度值。
      風壓的影響。根據氣象資料，通過中國海平面的三十年一遇的１０分鐘平均風速統計值，可以得到若干城市的風壓系數，再結合陸上建筑不同高度的風壓值與海平面風壓之間的風壓高度系數，就可以計算出單位面積建筑屋面的風壓值。鹽池縣陸上風壓系數1.54，風速60kg/m2。當然，不同的建筑屋面形態和結構所產生的空氣層流作用是各不相同的。斜頂式建筑物屋頂的風壓與屋頂的傾斜角度有關，角度大時，受壓面與迎風面墻相同，壓力為正壓力；角度小時，壓力為負壓力，屋頂或其他安裝于屋頂的部件可能會被掀。根據以上情況，及實際安裝地點情況，采取以下設計：支架傾角33°。

2 電氣設計

2.1 直流防雷匯流箱

為了減少光伏陣列到逆變器之間的連接線，方便日后維護，本系統在室外配置光伏陣列防雷匯流箱，該匯流箱可直接安裝在支架上。
    光伏陣列直流防雷匯流箱(型號SPVCB-16)的性能特點如下：
     1）戶外壁掛式安裝，防水、防銹、防曬，滿足室外安裝使用要求；
     2）可同時接入16路光伏陣列，每路光伏陣列的最大允許電流為10A；
     3）光伏陣列的最大開路電壓值為DC900V；
     4）每路光伏陣列配有光伏專用高壓直流熔絲進行保護，其耐壓值為DC1000V；
     5）直流輸出母線的正極對地、負極對地、正負極之間配有光伏專用高壓防雷器，防雷器采用菲尼克斯品牌；
     6）直流輸出母線端配有可分斷的直流斷路器，斷路器采用ABB品牌。

直流防雷匯流 箱                直流防雷配電柜

直流防雷匯流箱技術參數：

2.2 直流防雷配電柜

光伏組件陣列通過直流防雷匯流箱在室外進行匯流后，通過電纜接至配電房的直流防雷配電柜再進行一次總匯流。

50KWp并網系統配置的1臺光伏陣列防雷匯流箱。

2.3 并網逆變器

此次光伏并網發電系統設計，配置1臺型號為GSG50K3并網逆變器，

2.3.1 并網逆變器性能特點

該GSG50K3并網逆變器的主要性能特點如下：

采用美國TI公司DSP芯片進行控制；

1）采用日本三菱公司第五代智能功率模塊（IPM）；

2）太陽電池組件最大功率點跟蹤技術(MPPT)；

3）50Hz工頻隔離變壓器，實現光伏陣列和電網之間的相互隔離；

4）具有直流輸入手動分斷開關，交流電網手動分斷開關，緊急停機操作開關；

5）具有先進的孤島效應檢測方案及具有完善的監控功能；

6）具有過載、短路、電網異常等故障保護及告警功能；

7）寬直流輸入電壓范圍(450V～880V)，整機效率高達95%；

8）人性化的LCD液晶界面，中英文菜單，通過按鍵操作，液晶顯示屏可顯示實時各項運行數據、實時故障數據、歷史故障數據、總發電量數據和歷史發電量數據。

9）可提供包括RS485或Ethernet（以太網）遠程通訊接口。其中RS485遵循Modbus通訊協議；Ethernet（以太網）接口支持TCP/IP協議 ，支持動態(DHCP)或靜態獲取IP 地址；

10）逆變器具有CE認證資質部門出具的CE安全證書。

2.3.2 GSG50K3并網逆變器主電路

GSG50K3并網逆變器主電路的拓撲結構如圖所示。

并網逆變電源通過三相半橋變換器，將光伏陣列的直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓，并通過濾波器濾波變成正弦波電壓接著通過三相變壓器隔離升壓后并入電網發電。為了使光伏陣列以最大功率發電，在直流側加入了先進的MPPT算法。

2.3.3 并網逆變器技術參數

產品外觀參考圖片
光伏輸入	額定容量（KW）			50
	允許最大電池陣列功率（KW）			55
	最大開路電壓（VDC）			850
	可接入陣列串聯數（推薦）			18串（推薦35V左右/塊）
	串聯范圍			16串~18串
	MPPT范圍（VDC）			440～800
交 流 輸 出	額定交流輸出功率（KW）			50
	電網電壓范圍（VAC）			330～460
	電網頻率范圍（Hz）			50±4.5
	隔離變壓器			有
	最大效率			95.0%
	歐洲效率			94.5 %
	顯示方式			觸摸屏顯示
	電網監控			數據通過帶電氣隔離的RS485進行傳輸
	總電流波形畸變率 (THD)			THD(Iac)<4 %(滿功率時)
	過載能力			120% ， ≥1分鐘；120%~150% ，≥10秒鐘；短路電流≤150%
	功率因數(PF)			0.99（半功率以上）
	MPPT效率			99％
	設備夜間自耗電能（W）			＜20
	通訊協議			IEC-60870-5-101、IEC-60870-5-104
	電磁兼容			EN50081,part1/EN50082,part1
	總諧波電流分量（均方根）			GB/T 14549-1993
	電壓偏差			GB/T 12325-2008
	電壓波動和閃變			GB/T 12326-2008
	電壓不平衡			GB/T15543-2008
	電網干擾			EN61000-3-2
	電網檢測			DIN VDE 126
	直流電壓分量			VPP＜0.5％
	冷卻方式			強制風冷
參考外觀尺寸（深寬高mm）				600×800×1800
參考包裝尺寸（深寬高mm）				690*890*1890
參考重量（Kg）				530
防護等級				IP20(室內)
保護功能		孤島效應保護			主動式孤島運行檢出
					被動式孤島運行檢出
		并網電源保護功能	系統過電壓OV		自動復位
			系統欠電壓UV
			系統過頻率OF
			系統欠頻率UF
			直流過電壓 OVDC		自動復位
			溫度異常 OH
			直流欠電壓 UVDC
			交流過電流 OCAC		人工復位
			直流過電流 OCDC
環境		噪音(dB、1米)		≤50
		使用環境溫度(℃)		－20～＋50
		儲存環境溫度(℃)		-25～+55
		使用環境濕度		0~95%（不結露）
		使用海拔（m）		≤5000

2.3.4 液晶顯示

GSG50K3光伏并網逆變電源智能化程度高，每天自動啟停工作，無需人為控制。在逆變電源的最上端有狀態顯示LED燈，LCD面板上有5個LED燈和6個按鍵，通過這些指示燈和按鍵可知道逆變電源的工作狀態并對逆變器進行控制。

2.4 交流配電柜
交流配電柜主要滿足以下功能需求：
1）滿足50KWp光伏發電系統的輸入輸出功率要求。
2）能夠在光伏發電系統與市電網之間切換，在出現光伏發電系統輸出功率不足、輸出電壓過低等條件時自動切換到市電網線路。
3）交流配電柜應適應于三相低壓交流電網（AC380V/50Hz），應配置相應電氣保護裝置；同時配置防雷裝置，以防市電網雷擊串入。

（1）光伏并網系統的監測軟件可連續記錄運行數據和故障數據如下：
實時顯示電站的當前發電總功率、日總發電量、累計總發電量、累計CO2總減排量以及每天發電功率曲線圖。
可查看每臺逆變器的運行參數，主要包括：
A、直流電壓
B、直流電流
C、直流功率
D、交流電壓
E、交流電流
F、逆變器機內溫度
G、時鐘
H、頻率
J、當前發電功率
K、日發電量
L、累計發電量
M、累計CO2減排量
N、每天發電功率曲線圖
監控所有逆變器的運行狀態，采用聲光報警方式提示設備出現故障，可查看故障原因及故障時間，監控的故障信息至少包括以下內容：
A、電網電壓過高；
B、電網電壓過低；
C、電網頻率過高；
D、電網頻率過低；
E、直流電壓過高；
F、逆變器過載；
G、逆變器過熱；
H、逆變器短路；
I、散熱器過熱；
J、逆變器孤島；
K、DSP故障；
L、通訊失敗；
（3）監控軟件具有集成環境監測功能，主要包括日照強度、風速、風向、室外和室內環境溫度和電池板溫度等參量。
（4）監控裝置可每隔5分鐘存儲一次電站所有運行數據，可連續存儲20年以上的電站所有的運行數據和所有的故障紀錄。
（5）可提供中文和英文兩種語言版本。
（6）可長期24小時不間斷運行在中文WINDOWS 2000，XP 操作系統。
（7）監控主機同時提供對外的數據接口，即用戶可以通過網絡方式，異地實時查看整個電源系統的實時運行數據以及歷史數據和故障數據。
（8）顯示單元可采用大液晶電視，具有非常好的展示效果，下圖是本公司的并網逆變器的監控界面：