哈密东南山口50Mwp光伏电站设计

毕业设计（论文）

题目新疆哈密东南山口

50Mwp光伏电站设计

专业电力

班级

学生

指导教师

2015 年

新疆哈密东南山口50M W光伏电站设计

摘要

随着日趋紧张的能源形势以及城市空气污染等问题的凸显，清洁能源发电越来越多的得到了社会的重视。而光伏发电以其污染物零排放、能源储量丰富、市场前景广阔等特点在国内外学术界和产业界得到了越来越多的关注。

本论文针对并网光伏电站工程概况，对光伏电站的发电系统进行了研究和设计，主要工作内容如下：

根据光伏电站的工程概况、装机容量，考虑光伏电站初期投资和后期维护成本问题，对光伏电站电气一次侧进行主接线设计、光伏阵列 -- 变压器组合方式设计以及光伏电站升压方式设计，并进行了电气一次侧主要设备的选型工作，在此基础之上从电站的调度管理与运行方式和光伏电站的计算机监控系统两个方面进行了电气二次设计。

关键词：光伏发电；并网；逆变器；电气主接线

新疆哈密东南山口50M W光伏电站设计

ABSTRACT

Clean energy has got more attention from the society with the nervous energy situation,as well as the pollution of urban air.Grid-connected PV has got more concern in the of academia and industry at home and abroad lately.

This paper focuses on the design of power generation systems of grid-connected photo-voltaic power plant according to the project overview.The main contents are as follow:

Design the main electrical wiring,PV array-transformer combinations, boots mode of photo-voltaic power plants and select the major equipment of primary side according to the project overview,installed capacity and select the initial investment and maintenance cost.On this basis,design secondary side from the two sides of management and operation,and computer monitoring system.

KEY WORDS :photo-voltaic power generation ,grid ,invert ,electrical main wiring

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目录

1、太阳能光伏发电系统的介绍..................................... - 2 -

1.1太阳能光伏系统的简介.................................... - 1 -

1.2太阳能光伏发电系统的类型................................ - 1 -

1.3太阳能光伏发电系统...................................... - 2 -

1.3.1太阳能光伏发电系统工作原理.......................... - 2 -

1.3.2太阳能光伏发电系统的组成........................... - 3 -

2、我国以及哈密地区光能资源分布状况............................. - 4 -

2.1、我国太阳能资源分布..................................... - 4 -

2.3、哈密地区太阳能资源..................................... - 5 -

2.4、项目任务及规模......................................... - 7 -

3、光伏发电系统总体方案设计及发电量计算........................ - 8 -

3.1、光伏发电系统构成....................................... - 8 -

3.2、光伏组件选型........................................... - 8 -

3.3、光伏阵列运行方式的设计................................ - 13 -

3.3.1、阵列安装方式选择................................. - 13 -

3.3.2、光伏阵列最佳倾角的计算........................... - 17 -

3.3.3、光伏阵列间距设计................................. - 17 -

3.4支架系统的设计.......................................... - 18 -

3.4.1场地基本资料...................................... - 18 -

3.5、逆变器的选择.......................................... - 21 -

3.6、光伏阵列设计及布置方案................................ - 25 -

3.6.1、太阳能电池组件的串、并联设计..................... - 25 -

3.6.2、单元光伏阵列排布设计............................. - 26 -

3.6.3、方阵布置设计..................................... - 26 -

3.7、年上网电量估算........................................ - 28 -

3.7.1、并网光伏发电系统的总效率......................... - 28 -

3.7.2、光伏电站发电量的测算............................ - 28 -

4、电气设计.................................................... - 29 -

4.1、电气一次........................................... - 29 -

4.1.1、电气设备选型及布置............................... - 29 -

4.1.3、一次电气设备布置................................. - 35 -

4.1.4、照明和检修....................................... - 36 -

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4.1.5、过电压保护及接地................................. - 36 -

4.1.6、电缆敷设及电缆防火............................... - 36 -

4.2、电气二次.............................................. - 37 -

4.2.1、电场监控系统..................................... - 37 -

4.2.2、计量及同期....................................... - 37 -

4.2.3、元件保护......................................... - 38 -

4.2.4、直流系统......................................... - 38 -

5、施工组织设计................................................ - 38 -

5.1、施工条件.............................................. - 38 -

5.1.1、交通运输............................. 错误！未定义书签。

5.1.2、施工用水......................................... - 38 -

5.1.3、施工电源和建材................................... - 38 -

5.2、施工总布置............................................ - 38 -

5.3、主要工程项目的施工方案................................ - 39 -

5.3.1箱变基础工程施工.................................. - 39 -

5.3.2太阳能光伏电池组件方阵的安装...................... - 40 -

5.3.3 升压站施工........................................ - 41 -

5.4、施工综合进度.......................................... - 43 -

5.4.1、编制原则......................................... - 43 -

5.4.2、分项施工进度安排................................. - 43 -

5.4.3、施工控制进度..................................... - 44 -

6、环境影响评价................................................ - 44 -

6.1、评价依据.............................................. - 44 -

6.2、评价标准.............................................. - 45 -

6.3、环境影响分析及治理措施................................ - 45 -

6.3.1、工程施工期对环境的影响及防治..................... - 45 -

6.3.2、运行期的环境影响................................. - 46 -

6.3.3、光污染及防治措施................................. - 47 -

6.4 环境保护措施........................................... - 47 -

6.5、节能及减排效益分析.................................... - 48 -

6.6、综合评价.............................................. - 48 -

1、太阳能光伏发电系统的介绍

1.1太阳能光伏系统简介

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。我们对太阳能的利用大致可以分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏发电）是近些年来发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。太阳能电池是光伏发电系统中的关键部分，包括硅系太阳电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅电池）和非硅系太阳能电池等。在晶体硅太阳能电池的产业链上分布着晶硅制备、硅片生产、电池制造、组件封装四个环节。

光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器构成。光伏发电系统可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统：独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。

1.2太阳能光伏发电系统类型

光伏发电系统按照应用的基本形式可分为三大类：独立发电系统、微网发电系统和并网发电系统。未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统称为独立发电系统；与偏远地区独立运行的电网相连接的太阳能光伏发电系统称为微网发电系统；与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网发电系统。

并网光伏发电系统按照系统功能又可以分为两类：不含蓄电池环节的“不可调度式并网光伏发电系统”和含有蓄电池组的“可调度式并网光伏发电系统”。

（1）离网光伏蓄电系统这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。

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（2）光伏并网发电系统 当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。

图1.1光伏并网发电系统图

（3）A, B 两者混合系统 这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。

1.3太阳能光伏发电系统

1.3.1太阳能光伏发电系统工作原理

光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。光伏发电系统的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。光伏发电系统的模拟原理电路图2.3.1：

DC-

AC

U d

I d

i o1

u o

u REF

+

-

R L

u F

u o1

滤

波器

控制电路

n 1n 2

n 3

U S

R S

+

-

T

i o

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图1.3.1光伏发电系统的模拟原理电路图

1.3.2太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：

（1）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

图1.3.2.1太阳能电池板

（2）太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

（3）蓄电池一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（4）逆变器在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC 逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。

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图1.3.2.2

2.我国以及哈密地区光能资源分布状况

2.1、我国太阳能资源分布

我国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富的

太阳能资源。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的

太阳辐射年总量大致在3.35×103～8.40×103MJ/m2之间，其平均值约为5.86

×103MJ/m2。

图2.1我国太阳能资源分布图

按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：

一类地区：全年日照时数为3200～3300h ，年辐射量在6700～8370MJ/m2。

新疆哈密东南山口50M W 光伏电站设计 - 5 - 相当于228～285kgce(标准煤)燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北

部、宁夏北部和新疆南部等地。这是我国太阳能资源最丰富的地区。

二类地区：全年日照时数为3000～3200h ，年辐射量在5860～6700 MJ/m2，

相当于200～228kgce 燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内

蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区

为我国太阳能资源较丰富区。

三类地区：全年日照时数为2200～3000h ，年辐射量在5020～5860MJ /m2，

相当于171～200kgce 燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、

山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、

福建南部、江苏北部和安徽北部等地。

四类地区：全年日照时数为1400～2200h ，年辐射量在4190～5020MJ/m2。

相当于142～171kgce 燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广

东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以，属于太阳能资源可利

用地区。

五类地区：全年日照时数约1000～1400h ，年辐射量在3350～4190MJ/m2。

相当于114～142kgce 燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我

国太阳能资源最少的地区。

一、二、三类地区，年日照时数大于2000h ，年辐射总量高于 5860MJ/m2，

是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，

具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一

定的利用价值。

2.2新疆地区太阳能资源

新疆太阳能资源主要分布在天山南麓、天山北麓、东疆东部、北疆中部、北

疆北部五大区域。

由于新疆具有西高东低、南高北低的地理特性，水平表面年总辐照度的区域

分布大致是由东南向西北不均匀递减。新疆水平表面太阳辐射总量为5000～

6500MJ/2m ，年总辐射量比同纬度地区高10%～15%，比长江中下游高15%～25%.

新疆的直射辐射年总量变化规律为北疆、东疆地区高于南疆，这是由于南疆

尘暴较多，大气透明度低的缘故。直射辐射峰值点一般分布在哈密一带。新疆的

直射辐射年总量在2400～44002/m MJ 。

2.3、哈密地区太阳能资源

哈密地处亚欧大陆腹地，属典型的温带大陆性气候，干燥少雨，晴天多，

年平均降水量不足40毫米，光照丰富，年、日温差大。春季多风、冷暖多变，

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夏季酷热、蒸发强，秋季晴朗、降温迅速，冬季寒冷、低空气层稳定。极端最高气温43℃，极端最低气温-32℃，无霜期平均182天。这里空气干燥，大气透明度好，云量遮蔽少，光能资源丰富，为全国光能资源优越地区之一，日照充足，年平均太阳总辐射量为6273.71兆焦/平方米,全年日照时数为3300至3500小时，为全国日照时数最多的地区之一。

哈密市东南部、星星峡等区域全年日照时数达3500小时，比俗称“日光城”的拉萨还多350小时。根据我国太阳能资源区划标准，该区属“较丰富带”，比较适合建设大型光伏电站。

哈密基本气候情况（据1971-2011年资料统计）

哈密地区

1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 平均温度（℃）

-10.4 -4.1 4.6 13.5 20.2 24.6 26.5 24.7 18.2 9.4 0.0 -8.0

平均最高温度（℃）

-3.1 3.7 12.3 21.5 28.0 32.2 34.2 33.2 27.6 18.7 7.5 -1.5

极端最高温度（℃）

7.8 14.2 25.9 34.0 38.8 39.6 43.2 42.6 37.5 31.7 20.

2

10.0

平均最低温度（℃）

-15.9 -10.6 -2.7 5.5 11.9 16.5 18.6 16.8 10.5 2.6 -5.

3 -12.7

极端最低温度（℃）

-27.7 -25.8 -15.2 -11.7 -1.5 7.0 9.4 5.4 0.8 -9.4 -21.6 -28.

6

平均降水量（毫米）

1.3 1.5 1.2

2.0

3.9 6.6 7.3 5.3 3.3 3.3 2.0 1.3

降水 1.7 1.1 1.0 1.5 2.0 3.6 4.4 3.4 2.0

1.4 1.0 1.8

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天数（日）

平均风速（米/秒）

1.4 1.6

2.2 2.5 2.2 1.9 1.7 1.6 1.4 1.4 1.4 1.3

表2.3.1

本光伏电站代表年各标准月太阳辐射数据统计表

月份 标准月辐射量/（2-?m MJ ）

标准月日照时数/h

1 262.1

2 210.4 2 344.79 219.9

3 523.23 267.9

4 646.22 288.3

5 777.28 338.8

6 765.18 329.6

7 760.14 333.4

8 692.60 323.3

9 571.62 296.9 10 431.49 270.6 11 280.27 216.5 12

218.77

189.5

表2.3.2

从气象部门获得的太阳能总辐射量是水平面上的，实际光伏电池组件在安装时通常会有一定的倾角以尽可能多的捕捉太阳能。通过以上数据分析，水平面平

均年辐照量为1742.702/m KWh （6273.712

-?m MJ ），属于太阳能资源比较丰富地区，比较适合建设大型光伏电站。

2.4、项目任务及规模

太阳能光伏发电站的建设有利于促进当地电网的电源结构调整，优化资源的合理配置，可以对地区局部气候环境的改善起到一定的促进作用，同时还可以

新疆哈密东南山口50M W 光伏电站设计 - 8 - 与周边旅游景点结合起来，成为新的旅游景点。 开发利用可再生能源是国家能源发展战略的重要组成部分。哈密市年平均日

照时间在3285.1小时左右，开发利用太阳能资源具有较好的条件和前景，符合

国家产业政策。

根据当地的光能资源以及初步开发规划，本项目建设规模为50MW ，初步推

荐安装50套单机容量为1MW 太阳能光伏方阵（电池组件及并网逆变器）。总投资

约为5.675亿元，占地面积1800亩，年发电量7300万千瓦时。

3、光伏发电系统总体方案设计及发电量计算

3.1、光伏发电系统构成

根据当地电力分布的情况，本工程选择为不可调度式并网光伏发电系统。太

阳光通过太阳能电池组件转换成直流电，经过三相逆变器（DC-AC ）转换成三相

交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网要求的交流电，直接接入公共电

网。

本工程光伏发电系统主要由太阳能电池（光伏组件）、逆变器及升压系统三

大部分组成。

本项目50MWp 光伏并网发电系统根据分成若干个1MWp 光伏并网发电单元。

每个1MWp 发电单元由1MWp 光伏方阵、2台500kW 光伏并网逆变器、1台1000kVA

升压变压器以及相应的配电监控单元等相关设备组成，除光伏方阵外，其他设备

均安装在一个就地配电室内。每个就地配电室1MWp 太阳能产生的直流电经光伏

并网逆变器逆变成交流电后就地升压成35kV ，通过高压电缆送到主控室35kV 母

线，经升压站主变压器升压后接入并网点。

3.2、光伏组件选型

3.2.1光伏组件种类的确定

商用的太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能

电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟镓硒电池等。上述各类型电池主要性能参数。具体参数如下表:

电池

原料

转换 效率 制造 能耗 成本 资源 可靠性 公害 技术 壁垒

新疆哈密东南山口50M W光伏电站设计单晶硅13-20% 高高中高小中

多晶硅10-18% 中中中中小高

非晶硅8-12% 低低丰富中低小高

表3.2.1

而目前国内已经实现工业化生产的且工艺比较成熟的太阳能电池有：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。

（1)单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是最早发展起来的，技术也最为成熟，主要用单晶硅片来制造。单晶硅材料的晶体完整，光学、电学和力学性能均匀一致，纯度较高，载流子迁移率高，串联电阻小，与其它太阳能电池相比，性能稳定，光电转换效率高，其商业化的电池效率为16%～18%。单晶硅太阳能电池曾长期占领最大的市场份额，只是在1998年后才退居多晶硅电池之后，位于第二位，但其现在仍在大规模应用和工业生产中占据主导地位。今后，单晶太阳能电池将继续向超薄、高效发展。受到材料价格及相应复杂的电池工艺影响，单晶硅成本居高不下，与此同时在加工过程中还伴随着高耗能、高污染的不利影响。

（2)多晶硅太阳能电池

随着铸造多晶硅技术的发展和成本优势，多晶硅太阳能电池逐渐抢占了市场份额。从多晶硅电池表面很容易辨认，多晶硅片是由大量不同大小、不同取向的晶粒构成，在这些结晶区域（晶粒）里的光电转换机制完全等同于单晶硅电池。由于硅片由多个不同大小、不同取向的晶粒组成，而在晶粒界面（晶界）光电转换容易受到干扰，因而多晶硅电池的转换效率相对单晶硅略低，其商业化的电池效率为 14%～17%。同时多晶硅的光学、电学和力学性能的一致性也不如单晶硅。随着技术的发展，多晶硅电池的转换效率也逐渐提高，尤其做成组件后，和单晶硅组件的效率已相差无几。

（3)非晶硅薄膜太阳能电池

自1976年第一个非晶硅薄膜太阳能电池被研制出，1980 年非晶硅太阳能电池实现商品化，直到今天，非晶硅太阳能电池以其工艺简单，成本低廉，便于大规模生产的优势，取得了长足的进展，被称为第二代太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池具有弱光性好，受温度影响小等优点，但非晶硅太阳能电池转换效率相对较低，商业化的电池效率也只有 6%左右，而且非晶硅薄膜太阳能电池在长时间的光照下会出现衰减现象（S-W 效应），组件的稳定性和可靠性相对晶体硅组件较差。

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图3.2.1各种太阳能电池市场份额

（资料来源《2007年中国光伏发展报告》 ）年中国光伏发展报告》

图中显示了各类光伏组件的市场占有份额，市场占有率情况反映了产品的成

熟度和其性能的稳定性，可见单晶硅和多晶硅太阳能电池仍占据光伏发电市场的

主流，而同等的稳定性和发电量情况下，多晶硅组件价格更有优势。

综上所述，各种太阳能组件都有其优势和弊端，但随着技术的发展及同类产

品的竞争，单晶硅、多晶硅组件的价格也在逐渐降低，目前光伏发电还是晶体硅

组件占主导地位，所以本项目采用CSI 阿特斯生产多晶硅电池组件CS6P-245P 。

该组件系列产品既经济又可靠，保质期可达20-25年。可以被广泛应用于各

种环保工程领域，从大型长期太阳能项目到中小型独立及并网系统太阳能电站。

它已经获得IEC 61215第二版的证书，TUV 二级安全认证和北美UL 1703安全认

证，同时也是严格按照CE ，ISO9001及ISO16949等质量认证体系加工生产。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9g4e.html