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(fā)電示范系統(tǒng)?！ ?/p>
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(fā)電示范系統(tǒng)，美觀非常重要，要求光伏系統(tǒng)的安裝應保持屋頂?shù)娘L格和美觀，并與整個學校整體環(huán)境相協(xié)調。
2）該光伏系統(tǒng)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(wǎng)為負荷供電?！ ?/p>
3、光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式可分為兩類，即獨立運行和并網(wǎng)運行。
獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲能裝置，主要用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)。由于必須有蓄電池儲能裝置，所以整個系統(tǒng)的造價很高。但這種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能獨立供給負載，不與公共電網(wǎng)連接，也就不會對公共電網(wǎng)發(fā)生任何干擾。
在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般與電網(wǎng)連接，即采用并網(wǎng)運行方式。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是可以省去蓄電池，而將電網(wǎng)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(huán)境造成污染，所以省去蓄電池后的光伏系統(tǒng)不僅可大幅度降低造價，還具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)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(wǎng)輸送電能，或者與公共電網(wǎng)同時端接輸出到低壓負載。這兩種方式都是當時發(fā)電當時使用，太陽能發(fā)出的電量直接與公共電網(wǎng)并接。只是根據(jù)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是否允許通過供電區(qū)的變壓器向主電網(wǎng)饋電，分為可逆流和不可逆流的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前，美國、德國等西方*國家大多采取可逆流的并網(wǎng)供電方式。
綜合考慮，該光伏發(fā)電系統(tǒng)擬采用不可逆流的并網(wǎng)運行方式，在廠房內局部并網(wǎng)，不考慮將電能輸入上級城市電網(wǎng)。采取局部并網(wǎng)運行方式提高了上級城市電網(wǎng)的安全性。預留可逆流并網(wǎng)運行功能。
4 設計依據(jù)
該系統(tǒng)的設計依據(jù)有：
GB/T 19939-2005 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術要求
GB/T 20046-2006 光伏（PV）系統(tǒng)電網(wǎng)接口特性（IEC 61727:2004,MOD）
GB/Z 19964-2005 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定
GB/T 2423.1-2001 電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗A：低溫試驗方法
GB/T 2423.2-2001 電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗B：高溫試驗方法
GB/T 2423.9-2001 電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)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(wǎng)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(guī)范
JGJ102-2003 玻璃幕墻工程技術規(guī)范
JGJT139-2001 玻璃幕墻工程質量檢驗標準當?shù)貧庀筚Y料。光伏系統(tǒng)現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經度和海拔；該地區(qū)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、氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)，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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)不僅僅要保證自身系統(tǒng)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的工程風險。特別是需要屋面承受空氣層流所產生的巨大風力。
光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)規(guī)模，降低投資費用。
光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)預留擴展接口便于以后規(guī)模容量的擴大。
具體實施時，太陽光伏發(fā)電組件板要用適當?shù)姆轿唤呛蛢A斜角安裝，確保太陽電池組件得到化的性能；安裝地點的選擇應能夠滿足組件在當?shù)匾荒曛泄庹諘r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(huán)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(fā)電系統(tǒng)組成
針對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，建議采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，將系統(tǒng)分成幾個發(fā)電單元，最終實現(xiàn)整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并入負載系統(tǒng)。
經過計算，整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需配置220塊235Wp多晶硅組件，實際功率約為51.7KWp。
考慮到并網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)需要配置1個直流防雷配電柜
并網(wǎng)逆變器采用三相五線制的輸出方式。整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照11個并網(wǎng)發(fā)電單元進行設計，配置了1臺50KW逆變器。
太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點選擇在并網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)整個并網(wǎng)系統(tǒng)并入負載交流電網(wǎng)。
綜上所述，本系統(tǒng)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(wǎng)逆變器和交流配電柜所組成。
二、光伏發(fā)電系統(tǒng)設計
1、光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設計
1.1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的傾角、方位角。
當?shù)氐木暥鹊挠绊?。并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)有著與獨立光伏系統(tǒng)不同的特點，在有太陽光照射時，光伏供電系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)電，而在陰雨天或夜晚光伏供電系統(tǒng)不能滿足負載需要時又從電網(wǎng)買電。這樣就不存在因傾角的選擇不當而造成夏季發(fā)電量浪費、冬季對負載供電不足的問題。在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中需要關心的問題就是如何選擇的傾角使太陽電池組件全年的發(fā)電量。通常該傾角值為當?shù)氐木暥戎怠?br> 風壓的影響。根據(jù)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(tǒng)計值，可以得到若干城市的風壓系數(shù)，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(shù)，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(shù)1.54，風速60kg/m2。當然，不同的建筑屋面形態(tài)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?shù)娘L壓與屋頂?shù)膬A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?shù)牟考赡軙幌?。根?jù)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(tǒng)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，每路光伏陣列的允許電流為10A；
3）光伏陣列的開路電壓值為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(shù)：
| 性能 | 參數(shù) |
|---|---|
| 光伏陣列電壓范圍 | 200-900V |
| 光伏陣列并聯(lián)輸入路數(shù) | 16 |
| 每路光伏陣列的電流 | 10A |
| 直流總輸出空開 | 是 |
| 光伏專用防雷模塊 | 是 |
| 輸出端子大小 | M10 |
| 防護等級 | IP65 |
| 每路光伏陣列電流監(jiān)控（選配） | 是 |
| 通訊接口（選配） | RS485 |
| 環(huán)境溫度 | -25-+60℃ |
| 環(huán)境濕度 | 0-95% |
| 寬/高/深mm | 400×500×180 |
| 重量 | 16Kg |
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(wǎng)系統(tǒng)配置的1臺光伏陣列防雷匯流箱。
2.3 并網(wǎng)逆變器
此次光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計，配置1臺型號為GSG50K3并網(wǎng)逆變器，
2.3.1 并網(wǎng)逆變器性能特點
該GSG50K3并網(wǎng)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）太陽電池組件功率點跟蹤技術(MPPT)；
3）50Hz工頻隔離變壓器，實現(xiàn)光伏陣列和電網(wǎng)之間的相互隔離；
4）具有直流輸入手動分斷開關，交流電網(wǎng)手動分斷開關，緊急停機操作開關；
5）具有*的孤島效應檢測方案及具有完善的監(jiān)控功能；
6）具有過載、短路、電網(wǎng)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(shù)據(jù)、實時故障數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)、總發(fā)電量數(shù)據(jù)和歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)。
9）可提供包括RS485或Ethernet（以太網(wǎng)）遠程通訊接口。其中RS485遵循Modbus通訊協(xié)議；Ethernet（以太網(wǎng)）接口支持TCP/IP協(xié)議 ，支持動態(tài)(DHCP)或靜態(tài)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(wǎng)逆變器主電路
GSG50K3并網(wǎng)逆變器主電路的拓撲結構如圖所示。
并網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電。為了使光伏陣列以功率發(fā)電，在直流側加入了*的MPPT算法。
2.3.3 并網(wǎng)逆變器技術參數(shù)
| 產品外觀參考圖片 |  | ||||
| 光伏輸入 | 額定容量（KW） | 50 | |||
| 允許電池陣列功率（KW） | 55 | ||||
| 開路電壓（VDC） | 850 | ||||
| 可接入陣列串聯(lián)數(shù)（推薦） | 18串（推薦35V左右/塊） | ||||
| 串聯(lián)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(wǎng)電壓范圍（VAC） | 330～460 | ||||
| 電網(wǎng)頻率范圍（Hz） | 50±4.5 | ||||
| 隔離變壓器 | 有 | ||||
| 效率 | 95.0% | ||||
| 歐洲效率 | 94.5 % | ||||
| 顯示方式 | 觸摸屏顯示 | ||||
| 電網(wǎng)監(jiān)控 | 數(shù)據(jù)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(shù)(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(xié)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(wǎng)干擾 | EN61000-3-2 | ||||
| 電網(wǎng)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(wǎng)電源保護功能 | 系統(tǒng)過電壓OV | 自動復位 | |||
| 系統(tǒng)欠電壓UV | |||||
| 系統(tǒng)過頻率OF | |||||
| 系統(tǒng)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(huán)境 | 噪音(dB、1米) | ≤50 | |||
| 使用環(huán)境溫度(℃) | －20～＋50 | ||||
| 儲存環(huán)境溫度(℃) | -25～+55 | ||||
| 使用環(huán)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(wǎng)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(tài)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(tài)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(fā)電系統(tǒng)的輸入輸出功率要求。
2）能夠在光伏發(fā)電系統(tǒng)與市電網(wǎng)之間切換，在出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不足、輸出電壓過低等條件時自動切換到市電網(wǎng)線路。
3）交流配電柜應適應于三相低壓交流電網(wǎng)（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(wǎng)雷擊串入。
（1）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測軟件可連續(xù)記錄運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)如下：
實時顯示電站的當前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計總發(fā)電量、累計CO2總減排量以及每天發(fā)電功率曲線圖。
可查看每臺逆變器的運行參數(shù)，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(fā)電功率
K、日發(fā)電量
L、累計發(fā)電量
M、累計CO2減排量
N、每天發(fā)電功率曲線圖
監(jiān)控所有逆變器的運行狀態(tài)，采用聲光報警方式提示設備出現(xiàn)故障，可查看故障原因及故障時間，監(jiān)控的故障信息至少包括以下內容：
A、電網(wǎng)電壓過高；
B、電網(wǎng)電壓過低；
C、電網(wǎng)頻率過高；
D、電網(wǎng)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?。?br> （3）監(jiān)控軟件具有集成環(huán)境監(jiān)測功能，主要包括日照強度、風速、風向、室外和室內環(huán)境溫度和電池板溫度等參量。
（4）監(jiān)控裝置可每隔5分鐘存儲一次電站所有運行數(shù)據(jù)，可連續(xù)存儲20年以上的電站所有的運行數(shù)據(jù)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(tǒng)。
（7）監(jiān)控主機同時提供對外的數(shù)據(jù)接口，即用戶可以通過網(wǎng)絡方式，異地實時查看整個電源系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。
（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(wǎng)逆變器的監(jiān)控界面：
