案例丨用户侧1MW离网光伏储能电站设计

本篇内容介绍了

一、光伏储能项目设计

1.项目负载：

2.项目实施内容

1MW光伏供电系统

1MWp独立光伏电站系统集成，包括设计、制造、采购、运输及储存、建筑、施工安装、调试试验及检查、竣工、试运行、整套系统的性能保证的考核验收、技术和售后服务、人员培训等一揽子工作，同时也包括所有材料、备品备件以及相关技术资料等。

二.本项目设计内容

1.深入了解当地用电需求；预测电力负荷，确定太阳能电站的装机容量；勘测电压配电线路走向、电站的具体站址的选择；

2.确定本项目建设所需的各项主要技术、安装、费用，做初步设计。

3.太阳能电站的装机容量的确定、主要用电负荷、以及室外低压配电系统等部分初步设计。

三.无电区用电负荷测算

1.负荷测算

太阳能项目主要用电负载包括面粉加工系统、玉米加工系统、家畜养殖系统、海盐制造系统、孵化系统、食用油制造系统、办公室系统相关电气设备的电力负载等，共计886.78kw。

2.供电方案的选择

太阳能与柴油发电、火电等相比较它有洁净、环保、日常维护费用小等优点。柴油和火力发电需每日消耗大量的柴油和煤炭；既消耗能源又污染环境。

因此该项目初拟定采用太阳能发电，主要是因为太阳能是一种清洁、可再生的新能源，有利于保护当地的生态环境。太阳能具有数量巨大、时间长久、普照大地、清洁干净等优点，建设周期短，装机规模灵活、可靠性高、运行维护简单等特点。

太阳能是解决目前无电地区的最有效、最清洁的新能源，不但有利于提高人民的生活质量，更主要的是获得脱贫所需要的观念和农牧业生产技术，通过项目的实施，优化当地农鱼业生产系统的电源结构，为农鱼业可持续发展做出贡献。

四.系统的工作原理

太阳能光伏供电系统是利用太阳能电池将太阳的光能转化为电能后，通过控制器的控制，一方面直接提供给转换电路及负载用电，另一方面将多余的电能存储在蓄电池中，到了夜晚或是太阳能电池产生的电力不足时，蓄电池就会将所存储的电能供给转换电路及负载用电。

光电池组件是由多个单晶硅（或多晶硅、非晶硅等）电池单体串并联，并经严格封装而成的。而其中的电池单体太阳的照射下可发生光电效应而产生一定的电压和电流，通过串并联组合后经电缆送至充电控制器。

充放电控制器，是对蓄电池进行自动充电、放电的监控装置，当蓄电池充满电时，它将自动切断充电回路，使蓄电池不致过充电；当蓄电池过放电时，它会报警提示并自动切断用电回路，从而保证蓄电池能够长期可靠运行。当太阳能电池组件对蓄电池充满电后，系统自动恢复充电。控制器具有反向放电保护功能和极性反接的电路保护功能。

蓄电池为系统的储能部件，主要是将太阳能电池产生的电能存储起来供夜晚或光照不足的时间用电。

五.系统特点：

1.长期工作运行费、维修和维护费用低，几乎接近零；

2.设计合理，运行稳定不会产生停电、断电事故；

3.电源清洁、无污染、无二次能耗，是真正的“绿色能源”；

4.系统的应用领域广泛，可靠性高，使用寿命长；

5.安装、使用简单，操作安全、简便；

6.系统的扩建工程实施方便，并且与其他能源互补性能好；

7.高新技术含量高，开发、应用前景十分广阔；

8.结构简单，体积小且轻；

9.容易安装、易运输，建设周期短；

10.容易启动，维护简单，随时使用，保证供应；

11.可靠性高，寿命长；

12.太阳能无处不在，只要有太阳，就会有电；

六.发电量的预算

系统的发电量根据软件、考虑当地的气象资料预测为：

电站功率为1MWp。通过测算平均每年可发电：171.8万度/年。

七.社会效益

太阳能技术和产品的出现，符合社会发展的需要，符合环保的要求，其所带来的社会效益是普通产品无法比拟的，其生命力必将是旺盛而持久的。

经测算，本项目每年可以达到社会效益如下表：

1）燃煤发电场发电1千瓦时会排放1千克温室气体,其中CO2 0.814KG,SO2 及CH4等温室气体 0.186KG,灰渣0.029KG,1棵树成长周期约吸收0.96吨的CO2；2）工业煤的发热量20900KJ/KG；电发热量3600KJ/KG；燃油发热量41310KJ/KG； 3）2008年，全国6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗为349克/千瓦时 4)CO2减排，按04年减排指数，或者按照04年供电标准煤耗370g/KWh计算，均为0.814Kg/KWh

八.太阳能项目供电设计方案

1.系统说明：

根据提供的环境资料和负载功率及使用的条件，1MW的太阳能电站每天的平均发电量约为4700度，而886.78kw的负载每天24小时用电约是21283度，远远不够的。因此选择设计1MW瓦的光伏系统，只能满足一部分的负载使用，蓄电池选择保证连续3个阴雨天的配置。

2.1MW光伏离网供电系统设计方案

太阳能光伏离网供电系统是利用太阳能电池将太阳的光能转化为电能后，通过充电、放电、逆变等控制系统的控制，一方面直接提供给转换电路及负载用电，另一方面将多余的电能存储在蓄电池中，到了夜晚或是太阳能电池产生的电力不足时，蓄电池就会将所存储的电能供给转换电路及负载用电。充分利用当地的太阳能资源，系统采用独立电站技术，需要安装蓄电池组，独立发电虽然投资较并网系统较大，但也有多种优点，比如使用蓄电池组，可以与大电网分开，晚上或阴雨天阳光不足时，该系统能单独供电，较适合远离大电网由于距离较长而无法覆盖的地区。

2.1光伏离网系统原理图

2.2光伏离网供电系统设备：

除增加了充电、逆变等控制装置外，还需要考虑蓄电装置（蓄电池）。

2.3离网系统的效率

在负载用电量较小时，蓄电池一直保持充满的状态，即使外界的阳光再好，也不会进行充电，太阳能的使用效率有所降低。

2.4蓄电池的配置

由于负载较大，无法按全负载配比蓄电池，且塞内加尔雨季较长，因此蓄电池配置负载按约150KW左右的计算：

2.4.1负载日用电量为：（150000W×24小时）÷230V≈15652Ah

2.4.2满足3个连续阴雨天气系统正常用电的蓄电池容量：

系统安装地点的最低气温在-10℃以下，选取蓄电池的温度系数为1.2，蓄电池的保险系数为1.1，由于采用铅酸蓄电池，其放电深度最大应为80%，蓄电池的总容量应为：(15652Ah×3(天)×1.1)×1.2÷0.80≈77478Ah

2.4.3电压等级DC 220V→AC 400V蓄电池组采用全密封免维护蓄电池，按电站负载计算蓄电池用量：选择蓄电池为：2V /2000AH 4400只，蓄电池寿命5～6年。

3.系统配置表

九.光伏支架系统的设计

1.电池方阵结构设计及主要技术要求

方阵支撑结构设计包括安装方式设计、底部支撑结构设计、方位角设计、支架倾角设计、阵列间距设计以及支承结构的基础、结构、零件的设计等内容。需根据总体技术要求、地理位置、气候条件、太阳能辐射资源、场地条件等具体情况来进行。

2.安装方式设计：

该项目采用固定方式安装，安装在楼顶地面上，基础采用混凝土预埋的方式，支架结构采用国标型钢，表面进行热镀锌处理，增强支架结构稳固性能，同时增强其支架表面的抗腐蚀能力，可有效的提高结构及系统的寿命，电池板支架结构采用三角形结构形式增强其稳定性，该支架结构具有良好的抗风性能，可抵御40米/秒的风力。

3.支架倾角的设计

支架结构采用固定倾角的设计思想，倾角的选择以项目所在的各月平均水平面辐照量作为依据，通过专业设计软件对倾角的变化而引起的其相应倾斜面上辐照量的变化情况，选择其倾角平面上辐照量最大的作为倾斜面，其倾角作为该项目太阳能电池板的最佳倾角约为15度，该倾角即为该太阳能光伏发电量最大的倾角。

4.混凝土基础

太阳能组件支架基础的布置和选型是根据建造场地的地形和基础持力层情况确定的。根据场地情况和太阳能电池组件支架情况，采用钢筋混凝土独立基础，

混凝土：根据设计需要, 预制混凝土构件混凝土强度等级为C30～C40，现浇混凝土结构为C25～C30，素混凝土垫层为C10。

十一.设备主要性能

1.太阳能电池板

太阳电池组件（电池板）特有的电特性是借助于在晶体硅中掺入某些元素（例如：磷或硼等），从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊电性能的半导体材料，在阳光照射下，具有特殊电性能的半导体内产生自由电荷，这些电荷定向移动并积累，从而在其两端形成电动势，当用导体将两端闭合时形成回路便产生电流，这种现象被称为“光伏效应”。在大型光伏发电站将太阳电池组件装在一起形成“太阳电池方阵”。太阳电池方阵的输出电压和电流同样依据光伏系统的实际需要来确定。太阳电池片、太阳电池组件和太阳电池方阵示意图如下。

2.储能电池

储能电池是一种化学电源，它能将直流电能转化为化学能储存起来，需要时再把化学能转变为电能。储能电池在系统中为解决电能贮存问题，调节功率和能量的作用，并向负载提供瞬间大电流。在系统中，储能电池的储能单元是设计与维护的重要组成部分，对整个系统的运行起到十分重要的作用。在电能贮存方面，目前主要是采用电池储能、抽水蓄能和飞轮储能。其中只有储能电池适合小规模发电系统和移动使用。在目前的独立型光伏发电系统中，几乎都采用储能电池作为电能贮存手段。

储能电池是太阳能发电系统的心脏。储能电池为电灯、电视等负载提供电能。太阳电池组件为蓄电池充电，补充电力负载（电灯、电视等）从储能电池中消耗掉的能量。设计储能电池容量时，很重要的一点就是要安装足以满足最大电能消耗的储能电池。

储能电池可以满足许多不同的应用需求。人们把电池用于电话、收音机以及便携式工具。有种通常称为“汽车蓄电池”的电池，它是用来启动汽车的，不适合用于太阳能系统。在太阳能系统中，储能电池必须能够经受深度放电，大概达到总容量的50%到70%。

尽管在独立型光伏发电系统中通常使用的储能电池看上去跟汽车储能电池差不多，但一般都是为深充放电设计的。储能电池壳体内部是不同的，电极板（铅板）比汽车蓄电池的要厚，酸的浓度或密度也不同。

类似于太阳电池组件，储能电池也可以有不同的大小。独立型光伏发电系统使用的通常是单电池。比如12V的储能电池由6个2V的单电池构成。在大系统中，这种2V的单电池可以多个串联起来，提供系统所需要的电压。

3.接地与防雷

3.1保护装置

为保证安全用电、防止发生触电事故，光伏发电系统采用接地装置。接地分为工作接地、保护接地和防雷接地。

A、工作接地：为系统运行需要将低压电网中性点直接接地。

B、保护接地：当设备漏电时，为防止危及人身安全和设备的安全，将所有电气设备外露可导电部分通过接地线接地。

C、防雷接地：为防止电气设备和建筑物遭受雷击，将避雷装置（避雷针、避雷线、避雷器等）进行接地。

D、接零：将电气设备的金属外壳，金属构架等与零线（接地中性线）连接；

E、接地线应能承受接地故障电流和对地泄露电流，并具有足够的机械强度或附加的机械保护，

3.2接地装置

A、为了防止电气设备因安装不当和绝缘不良而使外壳带电，发生触电事故，通常采用接地装置。电气设备在使用时，须将电气外壳与大地进行连接。

B、接地装置包括接地体和接地线两部分，与土壤直接接触的金属叫接地体，接地体与电气设备的金属连接叫接地线。接地体又分为自然接地体和人工接地体。自然接地体是利用与大地有可靠连接的技术管道和就建筑物的金属结构等作为接地体。人工接地体是利用钢材制成不同形状，打入地下而形成的接地体，接地装置应保证其接地电阻不大于10欧姆。

C、接地体应用两根以上的钢管或角钢组成，以提高可靠性。常见几根钢管或角钢埋设成一排或一圈，距离不小于5米。然后用扁钢或用接地线连接起来。在埋设之前，应先挖深约1米的地沟，然后再将接地体打入地下，上端露出沟底约0.2米，供连接接地线之用。接地体打入地下的深度不小于2米。

D、接地体应尽量埋在大地冰冻层以下潮湿的土壤中。若土壤电阻系数较大，不能满足接地电阻值要求的，可在接地体埋设之前先放置降阻剂，以降低其电阻系数或在土壤电阻率较低的地方做外引接地。

4.控制逆变器

4.1控制器分类

控制器可分为独立型光伏电源和并网光伏电源用两种。由于大型独立光伏发电系统必定使用蓄电池，该系统的控制器主要用于控制充放电。而并网系统绝大多数不用蓄电池，因此不需要控制充放电，该系统的控制器主要用于控制相位、电压和电流等。由于控制器往往同逆变器一起使用，因此往往把二者做成一体。这里仅介绍独立电源系统用控制器。

4.2控制器的作用

控制器主要用于防止蓄电池被太阳能方阵和负载过放电。通过充放电控制器保护蓄电池免于过度充电（会引起极板腐蚀、放气和失水）和过度放电。

过度放电会使蓄电池电压低于其截止电压而引起蓄电池的永久损坏，丧失能力。而过度充电会造成水分损失、过度的电极腐蚀以及活性成分的损失。活性成分在蓄电池底部淤积，最后会导致电极在底部短路。

控制器是任何使用蓄电池的电气系统的关键部件，它防止蓄电池过度充放电。一般控制器被设置于太阳电池方阵和蓄电池组之间。蓄电池通过控制器向直流负载（包括逆变器）供电。

蓄电池厂家会给出最大充电电压和最小放电电压。在实践中，可根据蓄电池厂家的给定值设计蓄电池组的最大充电电压控制和最小放电电压控制。

4.3控制充电控制功能

控制蓄电池不被过度充电，这是由控制器通过调整来自太阳电池组件的电流来实现的。当蓄电池电压接近允许的最大电压，控制器会控制来自太阳电池组件的电流。依据控制器牌子和型号不同，可以是这样实现的：或者减小充电电流，使电池维持在一个特定的电压，或者简单地断开开关，使太阳电池组件开路，切断充电电流。后一种情况下，当电压下降到规定值的时候，太阳电池组件被重新连通，充电电流随之再次和蓄电池连上。

4.4控制器的保护功能

控制蓄电池不被过度放电到某个有损蓄电池的水平，控制器会在到达规定电压的时候切断负载，直到蓄电池电压恢复到设定值以上才会再次连通负载。

控制器按照充电电流的大小（来自太阳电池组件）和它能控制的负载电流的大小来额定。控制器可获得的充电电流范围从几安到几百安。在大型交流系统中，负载通常是由逆变器提供电流。当蓄电池电压降到一定值的时候，逆变器担当切断负载的任务。

5.逆变器

5.1逆变器的分类

逆变器又称电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。

如上所述，逆变器有多种类型，因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中，逆变器效率的高低是决定太阳电池容量和蓄电池容量大小的重要因素。

5.2逆变器的构成及功能

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复ON-OFF，使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由ON-OFF回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频PWM（脉宽调制），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。