哈尔滨九州电气3MW屋顶光伏电站项目设计分析案例

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：根据性价比计算，本方案计划采用165Wp太阳能光伏组件，其峰值功率为165Wp，峰值电压为24V，峰值电流为7A。按照九州电气3MW光伏电站的初步计划设计，该工程需要165Wp的多晶硅太阳能电池组件18360块，18块串联，1020列支路并联的阵列。

1.项目设计构想

哈尔滨九州电气新建厂区位于哈尔滨市松北区，本期项目为九州电气科研楼屋顶光伏发电项目，预计安装容量为3MW。楼房建设凸显节能环保主题，屋顶安装光伏阵列，引出端经控制器和逆变器与公共电网相连接，为节约造价不安装蓄电池组，而是由光伏方阵和电网并联为公司提供电力，当光伏发电系统工作时，产生的电能通过转换作为公用部分照明及试验、生产用电，当有多余的电能产生时，则馈入电网。

2.可行性分析

太阳每秒到达地面的能量达80万kW，如果能把太阳光照射到地面1h的能量聚积起来，就能满足人类一年的能源需求。太阳能是取之不尽，用之不竭的。我国的绝大多数地区，都具有发展太阳能光伏发电的条件。本项目所处的哈尔滨地区，位于东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′。哈尔滨的气候属中温带大陆性季风气候，特点是四季分明，春季山野披绿，满城丁香，夏季清凉宜人，休闲避暑；秋季秋高气爽，层林尽染；冬季银装素裹，雪韵冰情。冬季1月平均气温约-19℃；夏季7月的平均气温约23℃。全年平均降水量569.1mm，夏季降水量占全年的60%。水平面日平均辐照度为3.63kWh/m2，45°的倾斜面辐照度日平均辐照度为4.5kWh/m2，太阳能资源相对丰富，再加上厂区大楼南面无高层建筑阻挡，具有良好的项目实施条件。依据系统效率（25年平均效率）保守数据75%来计算，3MW屋顶发电项目年度可发电量约为3695625kWh。在不考虑国家、省市上网电价补贴政策的前提下，按照目前工业用电价格，以1.0元/kWh计算，每年累计可减少市电购买3695625元。由此判断，此项目可行。

3.主要部件设计

哈尔滨九州电气3MW屋顶光伏发电系统，计划采用分块发电、集中并网方案。如图3-23所示，将系统分成3个1MWp的光伏并网发电单元，并且每个1MW发电单元采用4台250kW的并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成太阳能电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入变压配电装置，最终实现将整个光伏并网系统接入交流电网进行并网发电方案。

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图3-23　九州电气3MW太阳能并网发电系统设计方案框图

（1）太阳能电池阵列。

1）太阳能光伏组件选型。

多晶硅光伏组件与单晶硅光伏组件相比较，使用寿命均能达25年，功率衰减均小于15%。

虽然多晶硅转换效率略低于单晶硅，但具有生产效率高，成本较低的优点，在高功率光伏并网发电系统中一般采用多晶硅组件。

根据性价比计算，本方案计划采用165Wp太阳能光伏组件，其峰值功率为165Wp，峰值电压为24V，峰值电流为7A。

2）并网光伏系统效率计算。

并网光伏发电系统的总效率主要由光伏阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率三部分组成。

光伏阵列效率η1：光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度及直流线路损失等，取效率85%计算。

逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取效率95%计算。

交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取效率95%计算。

系统总效率η总：η总=η1×η2×η3=77%。

3）倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算。

从气象站得到的资料，均为水平面上太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾斜角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

RD=S×[sin（α+β）/sinα]+D

式中

RD——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量；

S——水平面上太阳直接辐射量；

D——散射辐射量；

α——中午时分的太阳高度角；

β——光伏阵列倾角。

通过将气象站得到的数据代入公式计算得出的一系列数据，通过分析得出，哈尔滨市区45°倾斜角照射时全年接收的太阳能辐射能量最大，所以确定光伏阵列按照45°倾角固定安装。

4）太阳能光伏组件串联并联方案。

此工程计划采用250kW并网逆变器，其直流工作电压范围为450～880VDC，最佳直流电压工作点为560VDC。

太阳能光伏组件串联的数量N S=560V/24V=23块，这里考虑到温度变化系数，以18块太阳能电池组件串联，单列串联功率=18×165Wp=2970Wp；单台250kW逆变器需要配置太阳能电池组件并联的数量N P=250kW/2970W≈85列，1MWp的光伏电池阵列单元则需要设计85×4=340列支路并联，共计340×18=6120块太阳能电池组件。

则实际整个3MW光伏系统所需165Wp的电池组件数量M=3×6120=18360块，实际功率达3.029MW。

按照九州电气3MW光伏电站的初步计划设计，该工程需要165Wp的多晶硅太阳能电池组件18360块，18块串联，1020列支路并联的阵列。

（2）逆变器选择。

此太阳能光伏并网发电系统为3个1MWp的光伏并网发电单元并联组成，每个并网发电单元需要4台功率为250kW的并网逆变器（直流工作电压范围为450～880VDC，最佳直流电压工作点为560VDC，最大阵列输入电流560A），整个系统配置12台此型号的光伏并网逆变器，组成3MW并网发电逆变系统。

（3）监控系统。

如图3-24所示，监控系统是以sunny WebBox为总控单元，此系统可以连接最多50台并网逆变器，可以监控每台逆变器的日发电量、累计发电量等，同时系统配备环境传感器可以采集辐照量、温度、风速等信息为分析系统发电量提供依据。

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