分布式光伏发电在供水泵站的应用

分布式光伏发电在供水泵站的应用

张凤涛贾柏樱

天津水务集团有限公司引江市区分公司天津市300122

摘要：太阳能是当前世界上最丰富、最清洁、最具大规模开发利用前景的可再生能源之一，光伏发电是一种重要的分布式发电技术，可将太阳能直接转换成电能并入电网提供给用户使用，对于强调局域性清洁能源的利益，分布式光伏发电与箭镞结合更有重要的意义。天津具有丰富的太阳能资源，在原水泵站中充分利用院区空间和草地开发分布式光伏发电是落实科学发展观、改善能源结构、促进我国新能源开发利用的形式，符合国家的产业政策和优化能源结构、保护环境、减少温室气体排放、节约能源的要求，光伏发电站的节能、环保效果明显，其建设是必要的，其投资效益是可行的。

关键词：分布式光伏发电；并网；原水泵站；节能；能源

传统的煤炭、石油等化石能源是不可再生的，终归要走向枯竭，我国正大力推进资源节约型和环境友好型社会建设，积极倡导和着力推行低碳经济发展模式。光伏发电技术作为最具可持续发展的特征，近年来在国家的大力支持下得到了迅速发展。原水泵站作为我国能源消耗较高的公共服务机构，在未来的节能减排和降耗工作中将面临着更大的压力，积极探索绿色原水泵站建设及发展模式，促进绿色建筑理念及节能降耗技术的应用显得尤为重要。

1.分布式光伏发电系统的方案

1.1分布式光伏发电系统分布

本项目坐落于天津市某原水泵站院内，拟将光伏组件安装于院区空间和草地上，安装面积约为5000平方米，采用多晶硅光伏发电面板560块，单板容量为275Wp，总计发电量为154KWp。

根据现场及变电室的实际情况，本光伏发电项目拟采用并网方式（自发自用，并网不上网），发电设备安装容量154KWp，一个并网点并网，所发电力全部就地消纳，主要用于原水泵站内的生产生活用电需求。

1.2分布式光伏发电系统组成

项目太阳能光伏组件采用多晶硅电池组件作为发电单元，采用多晶硅组件光伏发电系统主要工程量有：太阳能电池组件及太阳能支架、组串式并网逆变器、接地装置、各种电缆及监控系统等。并网部分主要工程量有：交流并网柜、交流汇流柜、保护装置、计量装置、电量采集装置、无线通道、并网用电力电缆、保护及计量用二次电缆等的安装与调试。

本项目25年总发电量为471.3754万kWh，年平均发电量为18.855万kWh。

本工程建设光伏电站，为自发自用用户，发电设备安装容量154KWp。采用0.4kV电压等级并网，发电设备所发电力全部就地消纳，余电不上网。所建154KWp光伏发电设备，为本地低压负载供电。

总体方案如下图所示：

2光伏组件及逆变器整体规划

本分布式光伏发电系统共计560块275Wp太阳能电池组件，50kW逆变器2台（NB1、NB2）、60kW逆变器1台（NB3），总装机容量为154KWp。

2.1光伏方阵设计

光伏方阵的设计主要包括了结合原水泵站建设场地面积进行布置，考虑朝向、间距和布局三个方面。光伏方阵的朝向通常指光伏方阵的方位角和光伏组件的倾角。通常情况下，在北半球组件方位角为正南时，光伏组件能够接受的太阳辐射量最大。

最佳倾角的计算需要考虑连续性、均匀性和极大性三个方面，其中连续性是由气象资料得出的各月水平辐射总量较大的位置，当方位角偏离正南方向时，组件最佳倾角随方位角的增加而减小。均匀性是指选择倾角时，最好能使方阵面上全年接收到的平均日辐射量比较均匀，笔记接近，以免造成夏天较大的浪费，极大性是指选择倾角时，还应尽量使方阵面上在冬季的平均日辐射量达到最大值，同时兼顾到全年平均日辐射不能太小。

考虑本项目建设场地面积有限，根据天津市当地的日照情况，本项目选用多晶硅太阳能电池组件，光伏组件功率为275Wp，共计560块。单块组件尺寸为长*宽*高=1640*990*40mm。

2.2光伏并网逆变器

逆变器是太阳能光伏并网发电系统中的一个重要元件，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成交流电，并送入电网，同时实现对中间电压的稳定，便于前级升压斩波器对最大功率点的跟踪，并且具有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。

逆变器的设计需要在光伏系统生命周期内寻找总发电量和总成本的平衡点，还要考虑电网接入，如故障穿越能力、电能质量、电网适应性等方面的需求。依据各种逆变器的特点，结合所应用的光伏电站实际情况，从电网友好、高投资汇报、方便建设维护等方面进行科学合理的选用。逆变器采用被动与主动相结合的孤岛效应保护措施，当检测到公共电网失压后，将立刻切断与电网的联结，避免电能输送，当逆变器检测到公共电网恢复后，不会马上输送电能，而是对电网进行一定时间的监测，确保系统线路稳定后才入网。

本项目所采用的逆变器应具备：交流过压、欠压保护、超频、欠频保护、高温保护、防孤岛保护、交流及直流的过流保护、直流过电压保护等保护要求，且具备检同期功能。

本项目所采用的逆变器分为50kW、60kW两种类型，就地布置于光伏组件支架上。

2.3光伏组件选型

太阳能电池组件也就是光伏组件，是指工厂生产的可以直接应用的最小单元。太阳能电池组件应具有非常好的耐候性，能在室外严酷的条件长期稳定可靠运行，同时具有高的转换效率和经济性。光伏阵列是由若干个光伏组件串、并联而成。各个厂家光伏组件的参数在同种规格下略有不同，再设计光伏阵列时，不同特性的组件所需数量也不同。光伏组件的选型直接关系到光伏阵列的设计，光伏组件的价格在整个光伏电站中的比例最大，因此选择优质高效的光伏组件是大型并网光伏电站可靠运行且提高发电量的关键之一。

本项目光伏组件选用275Wp多晶硅光伏组件，154KWp共需要560块布置于院区及草地上。275Wp组件的开路电压为38.1V，工作电压为31.1V。

2.4光伏组串并联设计

光伏组件串联的数量由逆变器的最高输入电压和最低工作电压、以及光伏组件允许的最大系统电压所确定。光伏组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。

经计算电池组件的串联数为19~25（块），考虑在满足逆变器最大输入功率的情况下尽可能充分利用逆变器，同时考虑到现场最大化布置光伏组件，区域每一路组件串联数选择为20，每串额定容量为5.5kW。对应于所选50kW并网逆变器的额定功率计算，并联路数9。对应于所选60kW并网逆变器的额定功率计算，并联路数10。

2.5光伏组件支架

本项目所有支架均采用热镀锌钢材料制成，可满足25年抗腐蚀要求，并按天津地区基本风压，考虑风压高度变化系数、体型系数、阵风系数等参数进行支架抗风设计。组件采用铝合金压块固定在支架上。

根据光伏电站的地理位置和冬至日9：00~15：00太阳光不遮挡各电池组件，结合项目装机容量规模、发电效率，本项目光伏组件安装倾角选为40度。

3光伏组件阵列设计

1）调节池顶光伏板组件阵列

院区方位角为正南偏东7度，考虑美观和支架基础统一性，组件阵列方位角也为正南偏东7度（正南为0度）。

院区铺设49.5kWp光伏发电系统，采用275Wp多晶硅组件，因此需要180块光伏板，采用20块串联组成一串，共计9路20块串。接入1台50kW逆变器（NB1）。

2）草地1光伏板组件阵列

草地1铺设49.5kWp光伏发电系统，采用275Wp多晶硅组件，因此需要180块光伏板，采用20块串联组成一串，共计9路20块串接入1台50kW逆变器（NB2）。

3）草地2光伏板组件阵列

草地2铺设55kWp光伏发电系统，采用275Wp多晶硅组件，因此需要200块光伏板，采用20块串联组成一串，共计10串20块串接入1台60kW逆变器（NB3）。

4交流汇流箱设计

交流汇流箱选用交汇流箱，IP65，户外使用。

光伏交流防雷汇流箱的作用是对逆变器的输出进行汇流，汇流箱应具有以下功能：

1.满足室外安装的使用要求，防水、防锈、防晒，防护等级为IP65。

2.输入路数可定制，每路输入电流最大可达80A。

3.最高输入、输出电压最高达660VAC。

4.配有防雷器。

5.输出回路采用高品质断路器，容量根据输入路数确定。

6.挂壁式安装，体积小、重量轻，降低工程施工成本。

光伏防雷汇流箱的电气原理框图如图所示：

交流汇流箱的安装可以参考逆变器壁挂架的安装方式，可以利用膨胀螺栓固定在墙面上，也可以固定在金属支架上。

5并网接入柜设计

并网接入柜安装在光伏发电的并网点，主要由主断路器、分断路器、电流互感器、关口计量等设备组成。

◆故障隔离功能，短路瞬时、长延时保护功能和欠压脱扣功能

◆光伏发电量计量功能

◆关口计量设备铅封功能

◆具备防雷功能

◆通讯接入、规约转换功能

◆带电显示功能

◆柜体防护等级：IP20

◆关口计量需铅封

◆根据用户原柜体型式设计，400A

一进一出交流配电柜电气原理图

6总图布置及高程

总体布置共分三个区域，即，草地1，草地2，调节池池顶。根据原水泵站的设计标准，这三个区域的现有高程均能满足本次光伏工程的防洪及防内涝标准，依据为GB50797-2012光伏发电站设计规范。

7基本设计参数

本工程结构的设计使用年限为25年；结构的安全等级为二级；结构重要性系数取1.0；基本风压0.50kN/m2；地面粗糙度：B类；正风体型系数1，负风体型系数1.4，高度变化系数1，风振系数1.3；基本雪压0.40kN/m2；基本地震加速度0.15g；7度设计地震分组第2组；场地类别三类，地基承载力特征值80kPa/m2；温度作用，最高35度最低-12度，钢结构安装合拢温度按12度计算。

8光伏发电接入

正常方式下厂区负荷由市电和光伏发电设备共同提供，本项目所建的光伏发电设备只允许通过厂区一条线路并网发电，不允许通过低压母线联络等方式通过其它变压器并网发电，不允许通过高压母线联络等方式通过另一路线路并网发电。

当并网变压器或对应电源线路失电时，应可靠切除该变压器所带的光伏发电设备，不允许并网变压器所带低压母线通过联络开关或高压侧联络开关恢复送电后，相应光伏设备恢复并网发电情况的发生。

本项目所建光伏发电设备功能由逆变器实现。

9监控

本工程设置一套光伏发电综合自动化监控系统，实现光伏发电系统的电力监控、、故障报警等功能，集中监控的对象包括逆变器及其附助设备等。监控计算机系统放在原水泵站35kV变电室的值班室内。

10结束语

a）随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧。太阳能光伏发电系统对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要意义。

b）目前国内雾霾等大气污染严重，国家倡导大力开发光伏发电这种取之不尽用之不竭的绿色环保能源，分布式光伏发电系统给每个人提供了加入环境保护的机会

c）并网发电系统则是很直观的大范围使用绿色能源并节省大部分电费。我们可以携起手来，共同减少二氧化碳排放及污染对环境的影响

d）光伏方阵需要考虑朝向、间距和布局三个方面，设计时需要同时兼顾分布式光伏发电系统的产能效率和检修维护的便利性。

e）发电站投产后，年发电量可节约相当量的标准煤，每年可减排相应的温室气体CO2。

f）光伏发电站的节能、环保效果明显。