太阳能光伏发电系统的整体配置与相关设计

第6章太阳能光伏发电系统的整体配置与相关设计本章主要介绍太阳能光伏发电系统的整体配置与设计，即各种电力电子设备、部件的配置选型和相关附属设施的设计。主要包括光伏控制器、交流逆变器的选型与配置，组件支架及固定方式的确定与基础设计，交流配电系统、防雷与接地系统的配置与设计，监控和测量系统的配置，直流配线箱及所用电缆的设计选择等。6.1太阳能光伏发电系统的整体配置太阳能光伏系统的整体配置主要是根据上一章计算出的太阳能电池方阵和蓄电池容量，来合理地选配其他电力电子设备并根据需要和系统的大小决定各个相关附属设施的取舍，例如有些中小型光伏发电系统由于容量或者环境的因素，就可以不考虑配置防雷接地系统和监控测量系统等。6.1.1太阳能光伏发电系统的配置构成太阳能光伏发电系统完整的配置构成如图6-1所示。主要由太阳能光伏组件或方阵、直流接线箱、控制器、逆变器、交流配电箱（系统)、蓄电池组、防雷接地系统、监控测量系统等组成。其中,需要选配的内容主要是：太阳能电池组件的形状和尺寸的确定、直流接线箱(成品)的选型、控制器的选型、逆变器的选型、交流配电柜（成品）的选型、蓄电池的选型、监控测量系统及其软件的选型及直流输送电缆的选型等。而需要设计的内容主要有：太阳能电池组件或方阵固定支架和基础的设计、直流接线箱的设计、交流配电柜的设计、防雷接地系统的设计等。下面就先介绍选型配置部分的内容。图6-1太阳能光伏发电系统配置构成示意图6.1.2设备、部件的配置和选型1.太阳能电池组件或方阵的形状与尺寸的确定在上一章的太阳能电池组件或方阵的设计计算中，虽然根据用电量或计划发电量计算出了电池组件或整个方阵的总的容量和功率，确定了电池组件的串并联数量，但是还需要根据太阳能电池的具体安装位置来确定电池组件的形状及外型尺寸，以及整个方阵的整体排列等。有些异型和特殊尺寸的电池组件还需要与生产厂商定制。例如从尺寸和形状上讲，同一功率的电池组件可以做成长方形，也可以做成正方形或圆形、梯形等其他形状；从电池片的用料上讲，同一功率的电池组件可以是单晶硅或多晶硅组件，也可以是非晶硅组件等，这就需要我们来选择和确定。电池组件的外形和尺寸确定后，才能进行组件的组合、固定和支架、基础等内容的设计。附录2提供了太阳能光伏发电常用晶体硅电池组件规格尺寸和技术参数等可供选型时参考。2.直流接线箱的选型直流接线箱也叫直流配电箱，小型太阳能光伏发电系统一般不用直流接线箱，电池组件的输出线就直接接到了控制器的输入端子上。直流接线箱主要是在中、大型太阳能光伏发电系统中，用于把太阳能电池组件方阵的多路输出电缆集中输入、分组连接，不仅使连线井然有序，而且便于分组检查、维护，当太阳能电池方阵局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作。图6-2是单路直流接线箱内部基本电路，图6-3所示的是多路直流接线箱的内部基本电路，它们由分路开关、主开关、避雷防雷器件、接线端子等构成，有些直流接线箱还把防反充二极管也放在其中。直流接线箱一般由逆变器生产厂家或专业厂家生产并提供成型产品。选用时主要考虑根据光伏方阵的输出路数、最大工作电流和最大输出功率等参数进行选择。当没有成型产品提供或成品不符合系统要求时，就要根据实际需要自己设计制作了。图6-4是图6-3所示的电路直流接线箱的实体连接图，图6-5是某大型光伏发电系统直流接线箱的局部连接实体图，供读者选型和自行设计时参考。3.光伏控制器的选型光伏控制器要根据系统功能、系统直流工作电压、电池方阵输入路数、蓄电池组数、负载状况以及用户的特殊要求等确定光伏控制器的类型。一般小功率光伏发电系统采用单路脉冲宽度调制型控制器，大功率光伏发电系统采用多路输入型控制器或带有通信功能和远程监测控制功能的智能控制器。选型时还要注意，控制器的功能并不是越多越好，注意选择在本系统中适用和有用的功能，抛弃多余的功能，否则不但增加了成本，而且还增添了出现故障的可能性。控制器选择时要特别注意其额定工作电流必须同时大于太阳能电池组件或方阵的短路电流和负载的最大工作电流。为适应将来的系统扩容，和保证系统长时期的工作稳定，建议控制器的选型最好选择高一个型号。例如，设计选择12V/5A的控制器就能满足系统使用时，实际应用可考虑选择12V/8A的控制器。下列几个表是合肥阳光电源和德国施德凯生产的各种光伏控制器的技术参数与规格尺寸，供选型时参考。4.光伏逆变器的选型光伏逆变器选型时一般是根据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压，根据负载的类型确定逆变器的功率和相数，根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。在离网（独立）光伏发电系统中，系统电压的选择应根据负载的要求而定。负载电压要求越高系统电压也应尽量高，当系统中没有12V直流负载时，系统电压最好选择24V、48V或以上，这样可以使系统直流电路部分的电流变小。系统电压越高，系统电流就越小，从而可以使系统损耗变小。在并网光伏发电系统中，逆变器的输入电压是每块（每串）太阳能电池组件峰值输出电压或开路电压的整数倍（如17V、34V或21V、42V等），并且在工作时，系统工作电压会随着太阳能辐射强度随时变化，因此并网型逆变器的输入直流电压有一定的输入范围。表6-5和表6-6列出了合肥阳光电源公司生产的部分逆变器产品的技术参数与规格尺寸，供选型时参考。5.蓄电池的选型蓄电池的选型一般是根据光伏发电系统设计和计算出的结果，来确定蓄电池或蓄电池组的电压和容量，选择合适的蓄电池种类及规格型号，再确定其数量和串并联连接方式等。为了使逆变器能够正常工作，同时为了给负载提供足够的能量，必须选择容量合适的蓄电池组，使其能够提供足够大的冲击电流来满足逆变器的需要，以应付一些冲击性负载如电冰箱、冷柜、水泵和电动机等在启动瞬间产生的很大电流。利用下面的公式可以用来验证一下我们前面设计计算出的蓄电池容量是否能够满足冲击性负载功率的需要：其中蓄电池容量单位是Ah，逆变器功率单位是w，蓄电池电压是V。蓄电池选型举例如表6-7所示。附录3提供了光伏发电系统常用储能电池及器件的规格尺寸和技术参数，可供蓄电池选型时参考。6.直流输送电缆的选型在太阳能光伏发电系统中低压直流输送部分使用的电缆，因为使用环境和技术要求的不同，对不同部件的连接有不同的要求，总体要考虑的因素有：电缆的绝缘性能、耐热阻燃性能、抗老化性能及线径规格等。具体要求如下。（1）组件与组件之间的连接电缆，一般使用组件接线盒附带的连接电缆直接连接，长度不够时还可以使用专用延长电缆如图6-6所示。依据组件功率大小的不同，该类连接电缆有截面积为2.5mm2、4.0mm2、6.0mm2等的三种规格。这类连接电缆使用双层绝缘外皮，如图6-7所示，具有优越的防紫外线、水、臭氧、酸、盐的侵蚀能力，优越的全天候能力和耐磨损能力。（2）蓄电池与逆变器之间的连接电缆，要求使用通过UL测试的多股软线，尽量就近连接。选择短而粗的电缆可使系统减小损耗，提高效率，增强可靠性。（3）电池方阵与控制器或直流接线箱之间的连接电缆，也要求使用通过UL测试的多股软线，截面积规格根据方阵输出最大电流而定。各部位直流电缆截面积依据下列原则确定：组件与组件之间的连接电缆、蓄电池与蓄电池之间的连接电缆、交流负载的连接电缆；一般选取的电缆额定电流为各电缆中最大连续工作电流的1.25倍；电池方阵与方阵之间的连接电缆、蓄电池（组）与逆变器之间的连接电缆，一般选取的电缆额定电流为各电缆中最大连续工作电流的1.5倍。7.测量系统与软件的选型太阳能光伏发电中的监控测量系统是各相关企业针对太阳能光伏发电系统开发的软件平台，一般可配合逆变器系统对系统进行实时监视记录和控制，系统故障记录与报警以及各种参数的设置，还可通过网络进行远程监控和数据传输。监控测量系统运行界面一般可以显示:当前发电功率、日发电量累计、月发电量累计、年发电量累计、总发电量累计、累计减少CO2排放量等相关，如图6-8所示。逆变器各种运行数据提供RS485接口与监控测量系统主机连接。监控测量系统一般用在中大型光伏发电系统中，可根据光伏发电系统的重要性和投资预算等因素考虑选用。8.交流配电柜的选型交流配电柜是在太阳能光伏发电系统中，连接在逆变器与交流负载之间的接受和分配电能的电力设备，它主要由开关类电器（如空气开关、切换开关、交流接触器等）、保护类电器（如熔断器、防雷器等）、测量类电器（如电压表、电流表、电能表、交流互感器等）以及指示灯、母线排等组成。交流配电柜按照负荷功率大小分为大型配电柜和小型配电柜；按照使用场所的不同，分为户内型配电柜和户外型配电柜；按照电压等级不同，分为低压配电柜和高压配电柜。中小型太阳能光伏发电系统一般采用低压供电和输送方式，选用低压配电柜就可以满足输送和电力分配的需要。大型光伏发电系统大都采用高压配供电装置和设施输送电力，并入电网，因此要选用符合大型发电系统需要的高低压配电柜和升、降压变压器等配电设施。交流配电柜一般可以由逆变器生产厂家或专业厂家设计生产并提供成型产品。当没有成型产品提供或成品不符合系统要求时，就要根据实际需要自己设计制作了。图6-9是一款最简单的交流配电柜产品的内部电路图。无论是选购或者设计生产光伏发电系统用交流配电柜，都要符合下列各项要求。（1）选型和制造都要符合国标要求，配电和控制回路都要采用成熟可靠的电子线路和电力电子器件。（2）操作方便，运行可靠，双路输入时切换动作准确。（3）发生故障时能够准确、迅速切断事故电流，防止故障扩大。（4）在满足需要、保证安全性能的前提下，尽量做到体积小、重量轻、工艺好、制造成本低。（5）当在高海拔地区或较恶劣的环境条件下使用时，要注意加强机箱的散热，并在设计时对低压电器元件的选用留有一定余量，以确保系统的可靠性。（6）交流配电柜的结构应为单面或双面门开启结构，以方便维护、检修及更换电器元件。（7）配电柜要有良好的保护接地系统。主接地点一般焊接在机柜下方的箱体骨架上，前后柜门和仪表盘等都应有接地点与柜体相连，以构成完整的接地保护，保证操作及维护检修人员的安全。（8）交流配电柜还要具有负载过载或短路的保护功能。当电路有短路或过载等故障发生时，相应的断路器应能自动跳闸或熔断器熔断，断开输出。6.2太阳能光伏发电系统的相关设计6.2.1太阳能光伏组件（方阵）支架和基础的设计1.太阳能电池组件及方阵支架的设计（1）杆柱安装类支架的设计。杆柱安装类支架一般应用于各种太阳能路灯、庭院灯、高速公路摄像机太阳能供电等，设计时需要有太阳能电池组件的长宽尺寸及电池组件背面固定孔的位置、孔距等尺寸，还要了解使用地的太阳能电池组件最佳倾斜角或者在系统设计中确定的经过修正的最佳倾斜角等。设计支架可以根据需要设计成倾斜角固定、方位角可调，倾斜角和方位角都可调等。基本设计原理示意图如图6-10所示。支架的框架材料一般选用扁方钢管或角钢制作，立柱选用圆钢管。材料的规格大小和厚薄要根据电池板的尺寸和重量来定，表面要进行喷塑或电镀处理。图6-11至图6-17给出了部分太阳能电池组件杆柱安装支架的实例图片，供大家设计制作时参考。（2）屋顶类支架的设计。屋顶类支架的设计要根据不同的屋顶结构分别进行，对于斜面屋顶可设计与屋顶斜面平行的支架，支架的高度离屋顶面10cm左右，以利于太阳能电池组件的通风散热，也可以根据最佳倾斜角角度设计成前低后高的支架，以满足电池组件的太阳能最大接收量。平面屋顶一般要设计成三角形支架，支架倾斜面角度为太阳能电池的最佳接收倾斜角，三种支架设计示意如图6-12所示。如果在屋顶采用混凝土水泥基础固定支架的方式时，需要将屋顶的防水层揭开一部分，抠开混凝土表面，最好找到屋顶混凝土中的钢筋，然后和基础中的预埋件螺栓焊接在一起。不能焊接钢筋时，也要使做基础部分的屋顶表面凸凹不平,增加屋顶表面与混凝土基础的附着力，然后对屋顶防水层破坏部分做二次防水处理。对于不能做混凝土基础的屋顶一般都直接用角钢支架固定