大型集中并网光伏电站硬件设计要求及安全保护

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大型集中并网光伏电站硬件设计要求及安全保护王志刚 *龙维绪崔海昱邓菊莲刘祖明廖华 涂洁磊0 F肓 i l—

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随着传统能源的枯竭、太阳能光伏电源的推广应用和各国政府的大力支持，越来越多的国家已经开始有计划地推广并网光伏发电，主要是建设户用屋顶光伏并网发电系统和兆瓦级集中大型并网发电系统

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>咖卟卜淑1t 碱 l c5霪 D2A二 Co . vA; S一 -图2 1 MWp并网光伏发电系统原理框图

等，特别是建设地面安装的兆瓦级集中并网光伏电站。光伏电站初期投入较大，尤其是电站的硬件设备投资最大。我们知道，而

充分利用光伏方阵所发的电力减小了能量大型并网光伏电站的硬件设计包括： 在光伏发电系统的设计中做出的每个决定的损耗，降低了系统的成本。是系统中需光伏组件的选型、架设计、变器、制但支逆控都会影口造价，向由于不适当的选择，轻易要专用的并网逆变器，以保证输出的电监测系统、可电缆、电系统、雷接地的设配防地使系统投资成倍增加，因此必须依据正力满足电网电力对电压、频率等电性能计以及基础设施建设等方面。 确的设计要求选择合适的硬件设备，另外指标的要求。并网光伏电站的建立可以 21光伏组件的选型及支架的设计要求 . 应加强整个电站及人员的安全保护。 光伏组件包括晶体硅光伏组件、薄膜对公用电网起到调峰作用，但并网光伏电站作为一种分散式发电系统，对传统组件、跟踪组件和聚光光伏组件等。它是光

向，例如孤岛 l大型集中并网光伏电站集中供电系统会产生不良影口效应、波污染等 谐。的组成及原理大型集中并网光伏电站如图 1所示， 它主要由光伏阵列、率变换器、制装置

功控

伏系统的核心，在系统中太阳电池所占投资比重最大，因此选择合乎系统需要的光伏组件，整个系统都有重要影响。选择对在组件时首先要求具有非常好的耐气候性，能在室外严酷的条件下长期稳定可靠地运

2电站的硬件设计要求 在考虑并网光伏电站设计过程时，由于

等组成[ 1 1种系统的特点就是把太阳电。这池组件产生的电能经过并网逆变器转换成

系统中没有使用蓄电池，太阳电池方阵产光伏组件时，任何生产厂家生产的光伏组生的电能直接并入电网，系统直接给电网符合市电电网要求的交流电后直接并入公件都必须经过中国国内的常规检测或国际用电网，电气原理结构框图如图 2所示 提供电力。因此我们在设计过程中并不考其。著名机构的认证，如通过 G/ 5 5或 IC BT9 3 E 因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电虑太阳电池组件和蓄电池容量设计问题。 6 2 5的测试及 GB 1 9— 0 2I C 11丌 8 1 2 0/ 1 E池，掉了蓄电池储能和释放的过程，以而并网光伏电站的规模要由投资大小来决省所 6 6619 14:9 6的测试。目前光伏电站中的定，另外要注意系统的最佳倾角的选择，使光伏方阵还主要采用以晶体硅为主要材太阳电池组件全年的发电量最大。对于兆瓦料的太阳电池组件，时也可辅助采用部同级的大型并网光伏电站，们在设计过程中我

行，时具有高转换率和廉价性。外选择同另

一一嬲？一纛：■ l图 1大型并网光伏电站

需根据目前的并网逆变器的技术水平，考虑其灵活性、实用性、靠性等要求进行合可王志刚。 9 0年，士研究生， 18硕从事光伏科学技术的研究理的硬件设计。同时我们可以采用“中建集 E maljh 5 1 O i .o— i o n 2 x@sn c m: a设、多支路上网”的设计路线。 电话：3 5 5 2 5 1 7 92 2 1

订阅本刊请拨：0 0) 6 1 4 ( 1 8 8 8 3转 8 2 2 8 07 7

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P oo oti rjc h tv l cP oe t a分成熟的薄膜太阳电池组

件及跟踪和聚效率，应达到 9%以上『 0同。作为大型并网光 IE 2、E 6 2 E E9 9 IC 1 7还有 IC 1 0—— 7 E 6 0 3 2 0光组件等。 伏系统中应用的逆变器，了具有直流一 等相关国际或欧洲标准，对并网光伏发电除系统的电路拓扑结构以及控制策略都提出了更高的要求。

考虑了光伏组件的选型后，要将平板交流转换功能外，必须具有光伏阵列的还式的地面型太阳电池方阵安装在方阵支架最大功率跟踪功能和各种保护功能，了为

上，于支撑太阳电池组件。架可分为固不对公用电网造成不利影响，求输出抑 23电缆及控制监测系统的设计要求用支要 .

定式和跟踪式两种，基于跟踪式支架造价制谐波电流的电流。此在设计时有很多因

系统中电缆用于不同部件之间的连

高且技术复杂等特点，在整个系统中多采特殊的设计与使用上的要求，考虑输出接。在选取电缆时，注重如下因素：如应电缆用固定式的支架。在设计支架时我们有如功率和瞬时峰值功率，逆变器输出效率、的绝缘性能、热阻燃性能、 耐防潮和防光、 下要求：光伏方阵及所有的紧固件的结构输出波形及逆变器输入直流电压的问题， 敷设方式、电缆芯的类型 (芯，芯 )大铜铝、设计要保证组件与支架的连接牢固可靠，这些是检验逆变器技术性能的重要指标。小规格等。对兆瓦级并网光伏电站设计 在并能够更换太阳电池组件，还必须能够抵另外当系统并网运行时，避免对公共电时，虑到整体的高效性，当的电缆尺为考适抗 1 0级风力而不被损坏；在设计支架时网的电力污染，要求逆变器电源输出正弦寸是非常重要的(面积 )因为不适当的截，需根据总体技术要求、地理位置、气候条波电源，且“岛”并孤检测保护响应快、可尺寸会导致系统中产生过多的热量，大在

件、太阳辐射能资源、场地条件等具体情况靠性好。来考虑支架的安装方式、方位角、支架倾一

电流的条件下甚至会引起电缆的燃烧，并

般情况下，台逆变器

容量越大，单单危及到整个系统。于不同部件之间的连对

角、阵列间距，及支承结构的基础、构、位造价相对越低，但是考虑到单台逆变器接，为环境和要求不同选择的电缆也有以结 因零件等内容；另外在设计时还应遵循用料容量过大，在故障情况下对整个系统影响所不同，:件与组件之间的连接，须如组必省、价低、固耐用、装方便的原则，造坚安而较大，所以需要结合光伏组件安装场地的 进行 UL试，热 9℃,酸，化学物测耐 0防防方阵支架的连接件，包括组件和支架的连实际情况，选择额定容量适当的并网逆变质，防潮，暴晒。阵内部和方阵之间的防方接件、支架与螺栓的连接件以及与方阵场器。目前国产并网逆变器单台容量最大可连接，以露天或者埋在地下，求防潮、可要 的连接件，应考虑防锈 1 都 4]。 22功率变换器的设计要求 _达到 5 0 V国外产品现已达到 1 0 k A, 0 k A, 0V 0防暴晒。建议穿管安装导管必须耐热

如德国 S MA公司 S 1 0 MV,额定容量 9。。室内连接 ( C00 0C环境干燥 )可以使用较短对于并网光伏电站中的控制监测设备

功率变换器如图 3所示，由将直流电 10 0 W, 0 k重量 3 t 5。但是考虑大功率光伏的直流连线 1 7]。转变为交流电的逆变器和当系统发生故障电站的安全及经济运行，并网逆变器可以时保护系统的并网保护装置构成。因为考虑分散组成相对独立并网的方式，这有通常是与逆变器设置在一起，通过电子装

功率变换器的主要部分是逆变器，所以它利于整个光伏发电系统的稳定运行。对于 置与外部计算机连接可以对整个电站的运也可称为逆变器。所谓逆变器就是把直流 兆瓦级的并网光伏电站可选用寿命长，可行状况进行实时测量和监控。因为控制装

电能转变为交流电能供给负载的一种电能靠性高，效率高，噪声和谐波少，起动、停止置的存在可以对系统起到控制及并网保护转变装置，它正好是整流装置的逆向变换 平稳并可进行多机并联的产

品。另外根据 的作用，因此在设计监控系统时，保证为应

功能器件，因而被称之为逆变器。逆变器的相关国际标准光伏并网逆变器输出的并网有效取出受天气变化影响太阳电池的输出 重要的性能参数有：定输出、量输出、电流波形总谐波畸变率 ( H额容 T D)应小于数据，使其具有最大功率跟踪控制功能，并

电压稳定度、整机效率、护功能、保启动性 5各次谐波畸变率小于 3%,%。为了使光具有自动运行、止等功能。另外，过太停通能。优化设计中，要考虑逆变器的实际伏并网逆变器输出的并网电流满足例如阳能光伏发电系统的测量设备和显示装在主置，以监视整个系统运行状态，握发电可掌量，收集评价系统性能的数据。2 4其它 .

大型并网光伏系统除了以上的主要硬件设施，包括配电系统设计，还以及系统的 基础建设等。上述各种设备在设计和选取

过程中要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、户的要求等因素，客并参考国家标准做出正确合理的判断。

3安全保护31避雷、雷及接地保护 .防

因为太阳能电池方阵的面积宽，而且安装在没有遮盖物的室外，因此容易图 3功率变换器结构

受到雷电引起的过高电压影响。为保证

2新闻热线 ( 1 )8 3 5 0 E m icb 2 7 6 e 8 0 6 6 2 3 - al j 9@2 3n t 0 3

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P oo oti P oe t h tv l c rjc a电力系统的安全运行和光伏发电及附属对“岛效应”行检测。为被动方式，孤进作捕确的设计要求来选择合适的硬件设备，达设施的安全，大型并网光伏电站必须有捉从并网到孤岛运行过渡时的电压波形和到经济节约的目的。次，强对系统的避其加良好的避雷、雷及接地保护装置。雷相位变化等来判断电网是否失电；主动方雷、雷及接地保护和“岛效应”防护防避防孤的

和防雷的设计可参考 G 5 0 7 9《 B 0 5— 4建式是经常给逆变器带来变动因素，这种要 等安全防范措施，可以进~步提高对电站筑

防雷设计规范》接地则参考素在并网运行时没有体现在输出上，而在及人员的安全保护。,

(责编：李强 )

GB 0 6— 2电气装置安装工程接地装孤岛运行时则体现出来的检测异常的方 5 19 9《置施工及验收规范》的要求。式。 1示为各方式的概要。中一种方表所其

参考文献1茆美琴，苏建徽等大型光伏并网系统的建模与仿真 .合肥工业大学学报自然科学版 ) (,20 5, (: 6—10 2 0 28 9)10 9 7 .

根据规范要求在考虑避雷、防雷的措法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在施时要将整个场地划入保护范围内，对于并网点所产生的谐波电压值，通过计算电直接落到太阳电池方阵、压配电线路、低电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电气设备及其配线等处以及其近旁的直击网阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否

2马胜红，力等 .煌 8孔敦 MWp并网光伏发电系统预可行性研究【】阳能，0 4 6 5 9 J.太 2 0,:~ . 3袁晓，赵敏荣等 .阳能光伏发电并网技术太 J】 20, 3 23 7 雷，以通过在高处安装避雷针防止雷击，出现了电网失电情况。当逆变器检测到电网的应用【上海电力，0 64:4— 4 .可 4李安定太阳能光伏发电系统工程【北 M】但应尽量避免避雷针的投影落在太阳电池失电后，立即停止光伏电站的运行。电网京：工业大学出版社，0 17— 7会当北京 2 0:0 9 . 5太阳能光发电协会编旧】树民， .刘宏伟译 . 组件上。对于由感应雷引起的雷电浪涌，应恢复供电后，并网逆变器不能立即开始工作， 太阳能光伏发电系统的设计与施 I[ .: MI北京科学,

保证全部不带电的金属物都要可靠接地，需要对电网的电信号进行检测等其’ 恢复正每件金属物品都要单独接到接地干线，不常，再投入运行。需要指出，任何一种“岛效孤允许串联后再接到接地干线上。对于雷雨应”的检测方法均具有其局限性，要同时需多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压从电站管理上来杜绝检修人员伤亡事故的

出版社， 0 6 6 7 2 0:~ .

6丁町，容强.

崔光伏电站系统优化设计及实际设计中相关问题的处理 .安徽科学院学报，2 0, 0 3)3~ 3 0 62 (:0 3 .

7沈辉，曾祖勤 .太阳能光伏发电技术【 . M】北京：工业出版社，0 5 17 1 0化学 2 0:0~ 1器会更加安全。路的防雷，常可以安装发生，线通当停电对设备和线路进行检修时，需 8 G 5 0 7 9建筑防雷设计规范【】 B 0 5— 4, S. 9 GB 0 6— 2 5 1 9 9,电气装置安装工程接地装避雷器 (般选择放电电流额定值大的避要先断开并网逆变器[ 1 ~ 1 1。￣置施工及验收规范【】 S. 雷器 )连接在导线与地之间，,保护电站和 1太阳能光发电协会编旧】树民，伟 0 .刘宏译 .阳能光伏发电系统的设计与施工【 .京：太 M】北 电力设备不受线路侵入的雷电流的危害 。科学出版社， 0 6 4~ 5 2 0:3 4 . 系统接地保护的设计，要求接地均须 1许洪华等 .深圳国际园林花卉博览园 1 通过对系统硬件设计要求的了解，首 1 MW p并网光伏电站系统描述及效益分析【】 J.建连接在一个接地体上，接地电阻满足其中先使我们更加明确在设计过程中应根据正筑与自然能源，0 5 1) 2 2 . 2 0 (:~ 6 2

5结束语

的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。大型并网光伏电站对接地电阻值的要求较严格，所有电气设备的接地电阻1检测 .~l R≤4Q,满足电子设备的金属屏蔽接地 ( )被动方式 (时间 0 5秒以内，保持时间 5 0秒 )并类别概要

和逆变器、变压器等工作接地的要求；雷防接地应该独立设置，求 R≤3 Q,和主要 0且接地装置在地下的距离保持在 3以上； m

检测向孤岛运行过度刚功率调节器从功搴因数 l运行向负载的功率因数的电愿相位跳变检测变化的瞬间的电压相位跳变方式向孤岛运行过度时若没有香蛛变化就不能检测。

在中性点直接接地的系统中，要求重复接地，≤ 1 Q口。 R 0一

误动作少且实用。 三次谐波电压突增检测向孤岛运行过度时的伴随变压器励磁电流的电瓤失

真的激增。 检测方式因与负荷变医器组合,

32“岛效应”护手段 _孤防

“岛效应”指在电网失电情况下，孤发电设备仍作为孤立电源对负载供电这~现象。“岛效应”设备和人员的安全存在孤对重大隐患，现在以下两方面：方面是当体一

所以误动作概率比较高。

频率变化率检测

主要检测因阳孤岛运行迁度时发电功率和负载不平等等致的频率突变。

检修人员停止电网的供电，并对电力线路和电力设备进行检修时，若并网光伏电站的逆变器仍继续供电，会造成检修人员伤亡事故：另一方面，当因电网故障造成停电时，并网逆变器仍继续供电，旦电网恢若一

()主动方式 ( 2检测时间 o5 1 ) .~秒类别概要

频率偏移方式

使功攀调节器内部振荡器产生频偏，后检测孤岛运行时出现的频率变化。然 馒功率调节器的输出产生周期性有功功率变化，然后枪测孤岛运行时出现

有功功率变化方式的电援、电流或者频率的变化慧

复供电，电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异，会在这一瞬间产生很大的冲击电流，致设备损坏。导 对于“岛效应”孤的检测防护，以在可逆变器内设置防护功能。这里有两种方式负载变化方式

平时输出也可能变化。

.

无功功率变化方式使功率凋节器的输池产生闵期性无功功率变化，然后测福岛运行时 m现的频率变化等。 与功率调节器的输出并联、瞬间弱期性地介入阻抗，然后检测电鹾、电刷流的突变。

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