２０１１年１０月第ｌ４卷第ｌ０期 贵州电力技术 发电研究 ２０１１，Ｖｄ，１４，Ｎｏ．１０ ＧＵＩＺＨＯＵ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ 典型屋顶光伏太阳能发电系统设计 陈仕军，文贤馗，杨通江 （贵州电力试验研究院，贵州贵阳５５０００２） 摘要：介绍了典型屋顶光伏发电系统设计，通过计算确定太阳能光伏发电系统配置，光伏阵列间距要求，场地容量 核算，光伏阵列布置，直流柜、逆变器参数的选择，以及系统的接入运行方式。 关键词：太阳能；光伏发电；阵列；逆变器 文章编号：１００８－０８３Ｘ（２０１１）１０—００２５—０４中图分类号：ＴＭ６１５文献标识码：Ｂ 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源 大功率点附近，以获得最高效益。逆变器将太阳能 近７６％由煤炭供给，这种过渡依赖化石燃料的能源 电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化 结构已构成了很大的环境、社会影响。大量的煤炭 为负载需要的交流电，并对整个系统进行控制。太 开采、运输和燃烧，对我国的环境造成了极大的破 阳能光伏发电系统的组成如图１所示。 换，大力开发太阳能，风能等可再生能源技术是保证 我国能源供应安全和可持续发展的必然选择【１】。 “十二五”期间我国在能源领域将实行的工作重点 和主要任务是加快能源结构调整步伐，努力提高清 洁能源开发生产能力。以太阳能发电、风力发电、太 阳能热水器、大型沼气工程为重点，以“设备国产 化、产品标准化、产业规模化、市场规范化”为目 图１光伏发电系统组成 标 Ｊ，加快可再生能源的开发。截止２０１１年我国风 １．１场地情况 力发电装机４１８２．７万ｋＷ，太阳能发电装机约６０万 建设大楼楼高２０ｍ，南北朝向，西面临街，东面 ｋＷ，增长迅速。可再生能源的发展对改善我国能源 毗邻居民区，南北通透，大楼外周外无高层建筑遮 结构模式，保护环境具有重要的意义。 挡，光照条件优越。楼顶呈方形１８．３ｍｘ３１．３ｍ约 １光伏发电系统组成 ５７０ ｍ ，按照每平方米１２０—１３０Ｗ的光伏发电输出 可建设３２ｋＷ太阳能光伏发电。太阳能光伏发电系 太阳能光伏发电原理是利用半导体的光电效 统产生的电能通过逆变器转换为交流电后并入电 应，当带负电的Ｎ型半导体和带正电的Ｐ型半导体 网，供大楼照明使用。 结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能 １．２气候状况 电池。太阳光照射到Ｐ—Ｎ结后，半导体中的空穴 当地气候处于费德尔环流圈，常年受西风带控 由Ｎ区向Ｐ区移动，电子由Ｐ极区向Ｎ区移动，形 制，属于亚热带湿润温和型气候，兼有高原性和季风 成电流。太阳能光伏发电系统由太阳能电池板、控 性气候特点。年均风速约２．２ｍ／ｓ，年平均气温为 制器、蓄电池、直流柜、逆变器和配电系统等组成。 １５．３￣Ｃ，年极端最高温度为３５．１℃，年极端最低温 系统中最重要的是太阳能电池，它是收集太阳光的 度为一７．３￣Ｃ，其中，最热的七月下旬，平均气温为 核心组件，大量的太阳能电池组合在一起构成光伏 ２４℃，最冷的一月上旬，平均气温是４．６℃。年平均 组件方阵。蓄电池组是太阳能光伏发电系统中的储 相对湿度为７７％，年平均总降水量为１１２９．５ｒａｍ，年 能装置，由他将太阳能电池方阵从太阳能辐射能转 平均阴天日数为２３５．１天，年平均日照时数为 换来的直流电转换为化学能储存起来，以供负载应 １１４８．３小时，年降雪日数少，平均仅为１１．３天。气 用。控制器的作用是使太阳能发电系统始终处于最 候状况如表１所示。 ・２５・ 贵州电力技术 表１当地气候状况 第１４卷 ２．２阵列间距计算 为了避免阵列之间遮挡，防止产生热斑效应，使 电池功率最大化，一般计算原则为冬至日上午９：００ 至下午３：００太阳能电池不应被前排遮挡，光伏电池 组件阵列间距不小Ｄ： ｎ— 一Ｚ 丝 ｔａｎ［ａｒｃｓｉｎ（０．６４８ｃｏｓ￣一０．３９９ｓｉｎ￣）］ ：式中 为当地地理纬度（在北半球为正，南 半球为负），日为阵列前排最高点与后排组件低 注：１９７１—２００８年统计资料 ２技术条件 太阳能光伏发电系统中最重要的是太阳能电 池，它是收集太阳光的核心组件，大量的太阳能电池 组合在一起构成光伏组件方阵。太阳能电池的主要 成为晶体硅电池（包括单晶硅Ｍｏｎｏｅ—Ｓｉ、多晶硅 Ｍｕｌｔｉ—Ｓｉ、带状硅Ｒｉｂｂｏｎ）、非晶硅电池（ａ—Ｓｉ）、非 硅电池，实用中的太阳能电池是将若干单一电池经 串联、并联组成电池系统。 ２．１电池组件选择 目前，高效单晶硅太阳能电池的光电转换效率 可达２０％，大批量生产的单晶硅太阳能电池的光电 转换效率也已达１４％以上。设计可选用ＳＤ—ＰＰ一 １７５Ｗ型电池组件。ＳＤ—ＰＰ一１７５Ｗ型电池组件典 型技术参数如表２。 表２ ＳＤ—ＰＰ一１７５Ｗ型电池组件技术参数 ＳＤ—ＰＰ一１７５Ｗ 参数 峰值功率Ｐｍ １７５ Ｗ 开路电压 ４３．９ Ｖ 最佳工作电压 ３５．６ Ｖ 短路电流 ５．３Ｏ Ａ 最佳工作电流Ｌ ３５．６ Ｖ 绝缘强度 ＤＣ３５００Ｖ，１ｍｉｎ 组件发电效率叼 １４％ 重量 １５．６ ｋｇ 尺寸 １６３８ｍｍ×８１０ ｍｍ×４０ｍｍ ・２６・ 位置的高度差，当地位于北纬２６．３５度，太阳能 板安装角度按３０度计算，可计算出阵列间距为 ０．６ｍ。 ２．３容量核算 大楼楼顶面积５７０ｍ 按ＳＤ—ＰＰ一１７５Ｗ型 太阳能电池板尺寸规格，可布置６排太阳能电池 板，每排３０块，共计１８０块太阳能电池板，容量 为３２０００Ｗ。 ２．４太阳能方阵设置 单串太阳能电池的个数＝逆变器输人电 电 池组件工作电压，这里取逆变器输入电压为３００ Ｖ， ＳＤ—ＰＰ一１７５Ｗ电池组件最佳工作电压３５．６ Ｖ进 行计算，单串太阳能电池的个数为： ＝ ＝８．４，取整９，单串功率＝电池板功 率ｘ个数，单串功率为“１７５Ｘ９＝１５７５Ｗ，按场地可 布置１８０块太阳能电池板，共２０路。 ２．５直流柜配置 光伏直流配电柜主要应用在光伏电站，用来 连接汇流箱与光伏逆变器。并提供防雷及过流 保护、监测光伏阵列的单串电流、电压及防雷器 状态，短路器状态。光伏阵列的２Ｏ路太阳能串 列经防雷汇流箱接入直流柜。一台汇流箱可同时 接入７路，每路最大电流可达１０Ａ，最大开路电 压可达ＤＣ９００Ｖ，熔断耐压值不小于ＤＣ１０００Ｖ， 每路光伏串列具有二极管防反保护功能，配有光 伏高压防雷器，其正负极都具备防雷功能。按照 ７路太阳能电池串列单元配置一台光伏方阵防雷 汇流箱，３２ｋＷ光伏发电系统共计需要３台防雷 汇流箱，３台汇流箱经直流柜接人逆变器，直流柜 可选择如表３所示参数。 ２．６逆变器选择 并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设 第ｌＯ期 陈仕军：典型屋顶光伏太阳能发电系统设计 表４逆变器技术参数 备，其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直 流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电， 并把电力输送给与交流系统连接的负载，同时还具 发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的 保护功能 Ｊ，即： （１）能有效获取因天气变化而变动的太阳能电 最大直流电压 ４５０Ｖ 启动电压 满载ＭＰＰ电压范围 ２４ｏＶ ２２０—３８０Ｖ 池方阵输出所需的自动运行和停机功能，以及最大 功率跟踪控制功能； （２）保护电网安全所需的防单独运行功能和自 动电压调整功能； （３）电网或并网逆变器发生异常时，安全脱网 或停下逆变器的功能。 已进入实用阶段的并网逆变器的回路方式 有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方 式和无变压器方式３种，其中无变压器回路方式 因在成本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而 被广泛采用。设计可采用一台３５ｋｗ的阳光能源 ＳＧ１０Ｋ３型逆变器，该逆变器具有过压保护、对地 故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保 护等完善的保护功能，并具有内置逆变采集器和 ＲＳ４８５、ＲＳ２３２通信接口，可方便地获取逆变器的 运行参数（直流输入电压和电流、交流输出电压 和电流、功率、电网频率等）。其技术参数如表 ３．４所示。 表３直流柜技术参数 直流柜 参数 直流输入电压 ＜８ｏｏＶＤＣ 直流输出电压 ＜８００ＶＤＣ 直流输入电流 ≤１５０Ａ／路（回路数可选） 直流输出电流 ＜１￣５０Ａ／路（回路数可选） 额定绝缘电压 ｌ００ｏＶＤＣ 输出功率 ≤加ｋＷ 防护等级 ＩＰ４０ 环境温度 —２５℃一４５℃ 海拔高度 ２０ｏＯＩｎ 相对湿度 ≤９５％ 最低电压 ２２０Ｖ 最大直流功率 ３５ｋＷ 最大输入电流 １２ＯＡ 推荐光伏阵列开路电压 ３ＯＯＶ 交流侧参数 额定输出功率 ３５ｋＷ 最大交流输出电流 ６ＯＡ 额定电网电压 ４００Ｖ 允许电网电压 ３１０～４５ＯＶ 额定电网频率 ５ＯＨｚ，，６ＯＨｚ 允许电网频率 ４７—５１．５Ｈｚ／，５７—６１．５Ｈｚ 总电流波形畸变率 ＜３％（额定功率） 直流电流分量 ＜０．５％ 功率因素 ０．９５ ３系统布置及接入 ３．１场地布置 建设场地东西长３１．３ｍ，南北宽１８．３ｍ，系统布 置如图所示，太阳能电池板尺寸１６３８ｍｍ×８１０ｍｍ× ４０ｍｍ，光伏发电系统采用６３０的阵列布置，阵列间 距０．６ｍ，共计１８０块太阳能电池板。风力发电机按 ５台布置，每台功率ｌｋＷ，间距５３２５ｍｍ，布置于场地 的北边。系统的直流柜、逆变器、功率变换器等控制 部件布置于大楼内。 蓥 ０ ０ 暑 暑 图３ ２ｋＷ光伏发电系统布置图 ・２７・ 贵州电力技术 第１４卷 ３．２系统接入 功率、交流输出电流（高次谐波）、频率和相位，使之 与电网相匹配。 通常太阳能光伏发电系统有两种不同的运行模 式，分为通过电池储能独立供电方式和与公共电网 并联的并网供电方式。独立供电方式突出的优点就 是发电与用电可以不同步。太阳能光伏发电系统所 ４结论 针对典型的大楼光伏发电，本文给出了３２ｋＷ 屋顶光伏发电系统的所需的配置，计算了光伏阵列 的间距和技术参数的选择，得出以下结论： 发出的电能可以存储起来，不在发电当时使用，并网 供电方式是即时发电即时使用 。目前国外大多 采取并网供电方式。在我国大多数还是采用电池储 能的独立供电方式，太阳能光伏发电光统发出的电 （１）通过计算５７０的大楼屋顶可布置６排间距 ０．６ｍ，每排３Ｏ块太阳能电池板的的阵列，系统容量 共计３２ｋＷ。 （２）系统按照７路太阳能电池串列单元配置一 台防雷汇流箱，３台汇流箱经直流柜接入逆变器，系 统接人采用并网运行的方式。 参考文献： 能独立供给负载，不与公共电网连接。但采用并网 太阳能光伏发电系统是最直接、最有效的供能方式， 经过电池的独立供电方式则会增加二次电能一化学 能一电能转换损耗，并增加投资成本，一般蓄电池部 分占整个系统投资成本的２５％以上。 采用并网供电方式需要解决的问题是，保证太 阳能光伏系统向本身交流负载提供电能质量始终处 于受控状态，并在电网低压接人时对外供电网的影 响最小。在太阳能光伏系统的逆变器输出端与公共 电网在低压端并接时，自控装置对公共电网的电压、 相位、频率等参数进行采样，并以采样值实时调整逆 变器的输出。保证并网光伏发电系统与公共电网的 ［１］刘邦银，段善旭，胡欢，等．直流模块式建筑集成光伏系统的协 调控制［Ｊ］，中国电机工程学报，２００９，２９（１４）：１０９—１１４． ［２］汪海宁．光伏并网功率调节系统及其控制的研究［Ｄ］．合肥： 合肥工业大学，２００５． 中国电机工程学报，２００７，２７（１６）：６０—６４． ’ ［３］赵清林，郭小强，邬伟扬．单相逆变器并网控制技术研究［Ｊ］， ［４］ 尚华，王惠荣．太阳能光伏发电效率的影响因素【Ｊ］，宁夏电 力，２０１０，５（５）４８—５０． 收稿日期：２０１１—０２—２３ 作者简介： 同步运行。具体可采取两方面的措施：一是在负荷 设计上采用三台逆变器和保证多运行模式下光伏系 统三相输出的平衡；二是采用交流电源跟踪技术，当 公共电网供电端的电压和频率等参数在正常范围内 变化时，并网光伏发电系统的输出可跟踪公共电网 陈任军（１９８２一），男。工程师，硕士，主要从事高电压技术研 究。ｅ—ｍａｉ１：７５１３９０９１＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 的电压和频率、相位等的变化，随时调整其交流输出 （本文责茌编辑：龙海丽） Ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｏｆｉｎｇ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｃｈｅｎ Ｓｌｌｉｉｕｎ，ＷｅｎＸｉａｎｋｕｉ，ＹａｎｇＴｏｎｇｊｉａｎｇ （Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００２ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｈａｓ ｓ４ｖｅｎ ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｏｆｒｉｎｇ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ，ｉｔ ｉｓ ｄｅ－ ｔｅｎｎｉｎｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ ａｒｒａｙｓ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ，ｔｈｅ ａｃｃｏｕｎｔ－ ｉｎｇ ｏｆ ｓｉｔｅ ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ，ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｒｒａｙｓ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ＤＣ ｃａｂｉｎｅｔ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｃｅｓｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ａｒｒａｙ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ ・２８・