5MW屋顶光伏系统设计方案

目录
1、总体方案概述 (3)
1.1项目总体布局 (3)
1.2设计依据 (4)
1.3总体技术方案框图 (4)
1.4系统组成 (5)
1.5太阳能电池阵列设计 (6)
1.5.1、太阳能光伏组件选型 (6)
1.5.2、光伏阵列表面倾斜度设计 (7)
1.5.3、太阳能光伏组件串并联方案 (8)
1.5.4、太阳能光伏阵列的布置 (9)
1.6防雷汇流箱配置 (9)
1.7直流配电柜设计 (10)
1.8并网逆变器的选择 (12)
1.8.1逆变器设计特点： (12)
1.8.2逆变器参数 (13)
1.9交流并网配电设计 (14)
1.10环境监测仪 (14)
1.11数据采集、系统远程监控 (14)
1.12系统防雷接地设置 (14)
2、初步工程设计 (15)
2.1 土建设计 (15)
2.1.1、方阵支架基础设计 (15)
2.1.2、光伏电站配电室设计 (16)
3、年发电量估算 (16)
3.1 光伏发电系统效率 (16)
3.2年发电量计算 (17)
4、环境影响评价 (19)
5、电气主接线 (20)
5.1、电气一次 (20)
5.1.1、接入电力系统方式 (20)
5.1.2、5MW并网光伏发电系统原理示意图 (21)
5.1.2电气主接线 (21)
5.1.3主要电气设备选择 (22)
5.1.4 方案分析 (25)
1、总体方案概述
1.1项目总体布局
本项目将在江苏省常州市高新区的出口加工区1~25号楼既有建筑物屋顶安装多晶硅太阳能电池组件，建设BAPV方式的低压侧并网光伏发电系统，系统总装机容量约为5.64MWp。

有阳光时，太阳能电池将阳光转换成直流电，通过逆变器变成220/380V 交流电，通过系统升压T接入10kV中压电网线路。

各建筑物屋顶安装的组件数及容量列于下表1.1
出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑，采用固定式太阳能电池方阵（方阵倾角 27º），暂不考虑采用跟踪系统。

5.64MWp 光伏电站共安装24000 块 235Wp太阳能电池组件，150台防雷汇流箱，台直流配电柜，50台 100kW并网逆变器，5 台交流配电柜，5 台S9-1250/35 变压器和 1 套综合监控系统。

项目建
设工期 1 年， 25 年内该系统年平均上网电量约为564万kWh，每年减排温室气体CO2约5410.29吨。

1.2设计依据
GB50797-2012《光伏发电站设计规范》
DGJ32 J 87-2009 《太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程》
1.3总体技术方案框图
本项目由25个子系统组成，均采用用户侧低压并网；共使用235Wp多晶硅组件24000块，总容量5.64MWp。

每个子系统均包括防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器，所有子系统将在分成25个200KW的单元分别在交流低压侧汇流后通过升压变压器升压至10kV，光伏电站按国标要求安装防雷保护系统。

在项目总控制室设置监控设备一套，监测气象数据及格子系统的直流参数、交流参数及发电量数据以及提供电网远动调度接口。

并网光伏发电系统子系统原理框图如下：
1.4系统组成
5MW 太阳能光伏并网发电系统主要组成如下：太阳能电池组件及其支架；
光伏阵列防雷汇流箱；
直流防雷配电柜；
光伏并网逆变器（带工频隔离变压器）；
10KV 升压站；
系统的通讯监控装置；
系统的防雷及接地装置；
土建、配电房等基础设施；
系统的连接电缆及防护材料；
1.5太阳能电池阵列设计
1.5.1、太阳能光伏组件选型
（1）单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较
单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高。

多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%-15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低。

两种组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15％。

（2）根据性价比本方案推荐采用235W P太阳能光伏组件，全部为国内封装组件，其主要技术参数见下表：
1.5.2、光伏阵列表面倾斜度设计
从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：
Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D
式中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量
S ——水平面上太阳直接辐射量
D ——散射辐射量
α——中午时分的太阳高度角
β——光伏阵列倾角
根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计
算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。

利用软件RETScreen，得出计太阳能光伏阵列安装倾角为 27°时，全年接受到的太阳能辐射能量最大。

考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，因此本项目设计采用固定的光伏方阵。

1.5.3、太阳能光伏组件串并联方案
组件的串并联需根据选用逆变器的输入直流电压要求配置。

根据概述中各建筑光伏组件配置，所有建筑屋顶光伏系统均选用SG100K3型逆变器。

该型逆变器的直流电压范围（即MPPT 范围为）：450Vdc~850Vdc。

利用组串电压核算公式，得出组件块数20~22，这里考虑温度变化系数,取太阳能电池组件20块串联,单列串联功率P= 20×235Wp=4700Wp；
单台100KW逆变器需要配置太阳能电池组件串联的数量
Np=110000÷4700≈23列，100KW太阳能光伏电伏阵列单元设计为24列支路并联，共计480块太阳能电池组件，实际功率达到112.8KWp。

整个5MW系统所需235Wp电池组件的数量M1=25×960=24000（块），实际功率达到5.64MW。

该工程光伏并网发电系统需要235Wp的多晶硅太阳能电池
组件24000块,20块串联，1200列支路并联的阵列。

1.5.4、太阳能光伏阵列的布置
光伏电池组件阵列间距设计
为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于D: D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)〕
式中Φ为当地地理纬度(在北半球为正，南半球为负)，H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差）。

根据上式计算，求得：D=2939㎜。

取光伏电池组件前后排阵列间距2.939米。

1.6防雷汇流箱配置
为了减少光伏组件与逆变器之间连接线，方便维护，提高
可靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置。

使用光伏汇流箱，可以根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联组成一个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏阵列防雷汇流箱进行汇流，方便了后级逆变器的接入，保证了系统的安全，大大缩短了系统安装时间。

根据实际情况，每个楼顶配置6台防雷汇流箱，所有楼顶共计150台汇流箱。

本项目采用8进一出的光伏防雷汇流箱，将3路组件串支线的光伏电流汇总在一起，送至直流配电柜或逆变器，每个汇流箱均配有高压保险丝和防雷模块，对光伏组件进行保护。

经综合比较，本方案设计采用合肥阳光8进1出汇流箱。

其
参数如下表。

汇流箱参数
1.7直流配电柜设计
光伏防雷直流柜的作用是二级汇流, 即将汇流箱输出的光伏组件电源再次进行汇流后接入并网逆变器, 主要用于中、大型光伏系统中。

每台直流配电柜按照 100KWp 的直流配电单元进行设计，200KWp 光伏并网单元需要 2台直流配电柜。

每个直流配电单元
可接入3路光伏方阵防雷汇流箱，5MWp 并网光伏电站共需配置50台直流配电柜。

直流配电柜参数
1.8并网逆变器的选择
本屋顶光伏发电系统设计为25个200KW的光伏并网发电单元，每个并网发电单元包含2台100KW的逆变器，整个系统配置50台此种型号的光伏并网逆变器。

逆变器的选用要求性能可靠、效率高、可进行多机并联。

经综合比较，本次设计采用合肥阳光电源SG100K3光伏并网逆变器。

此电站型光伏并网逆变器具有有功功率调节能力，能够接收电网调度部门远程发送的有功功率控制信号，并根据收到的调度指令控制其有功功率输出，确保逆变器最大输出功率及功率变化率不超过电网调度部门的给定值，以便在电网故障和特殊运行方式时保证电力系统稳定性。

在其无功输出范围内，逆变器可根据并网点电压水平调节无功输出，参与电网电压的调节。

电网调度机构可远程设定其调节方式、参考电压、电压调差率等参数。

合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力。

1.8.1逆变器设计特点：
（1）采用新型高转换效率IGBT模块
（2）先进的MPPT跟踪算法，最大功率点跟踪精度大于99%
（2）宽直流电压输入范围，输出有功功率连续可调
（3）无功功率可调，功率因素范围为—0.9（超前）至+0.9（滞后）
（4）自带工频隔离变压器，完善的保护系统，让逆变器跟可靠
（5）纯正弦波输出，电流谐波小，对电网无污染，无冲击
（6）精确的输出电能计量
（7）设计合理，安装方便
1.8.2逆变器参数
SG 100K3技术参数
1.9交流并网配电设计
1.10环境监测仪
1.11数据采集、系统远程监控
1.12系统防雷接地设置
1、女儿墙上避雷网做法都差不多，镀锌圆钢或扁钢沿避雷卡子明敷，避雷卡子每个1米设置一个，转弯处0.5米设一个，避雷网和避雷卡子也分很多档次，低档的用圆钢或扁钢，高档的用不锈钢管，卡子也分自加工的和成品的。

如果女儿墙低，而且设置了金属栏杆，那么一般都是利用金属栏杆做接闪器，将接地引下线引出端与金属栏杆可靠焊接。

2、屋面的避雷带，一般根据避雷等级的不同，要保证不同大小的避雷网格，比如20m*20m，这样有的设计成避雷网沿水泥支墩敷设，支墩做法施工图集上都有要求。

有的设计成镀锌扁钢避雷网，直接埋在屋面的保温层中暗敷，这样可以使屋面更加干净、美观，可上人屋面的避雷网格也不容易破坏，不足之处可能防雷效果没有沿支墩明敷的好，但也能达到使用功能。

2、初步工程设计
2.1 土建设计
2.1.1、方阵支架基础设计
平面屋顶安装系统类别：屋面彩钢板架
平面屋顶安装系统适合户外或荷载量较大的平面屋顶，底部框架使用优质铝导轨，预埋螺栓固定，支撑件材料为不锈钢，牢固美观，独创的铝合金导轨与单元连接设计，无需现场二次加工。

特点：适用于任意规格晶硅组件及部分薄膜组件；安装面预埋地脚螺栓，或类似水泥基础；根据实际需要设计安装角度。

组件尺寸为：1650mm×992mm×40mm，方阵倾角为 27°。

方阵基础采用C25混凝土现浇，预埋安装地角螺栓，单个基础
0.04m³。

每20块组件为一排，每排分前后对应按照2m间隔各浇筑10个水泥基础，合20个水泥基础，其中前后排水泥基础中心间距0.5m。

每横排之间间距为0.5m，便于组件后期的安装和维护。

单排水泥基础浇筑示意图：
2.1.2、光伏电站配电室设计
光伏电站配电室采用轻钢及彩钢夹芯板围护结构，建筑面积约100m²。

3、年发电量估算
3.1 光伏发电系统效率
影响发电量的关键因素是系统效率，系统效率的主要考虑因素有：灰尘、雨水遮挡引起的效率降低、温度引起的效率降低、组件串联不匹配产生的效率降低、、逆变器设备的功率损耗、配电系统及电缆的功率损耗等。

光伏系统发电量的初步测算：
（1）组件表面尘埃尘遮挡折算系数
考虑经常清洗方阵组件的情况下，取97%的折算系数。

（2）温度折算系数
电池组件会因温度变化而导致组件实际输出功率降低，发电量减少。

按晶硅组件功率温度系数考虑，取90%的折算系数。

（3）组件串联匹配折算系数
每块组件的电性能输出总会存在一定的差异，因此串联的组件和并联的组件串会因输出不一致而影响实际输出功率，取97%
的折算系数。

（4）逆变器效率
本项目采用100kW大功率逆变器，转换效率高达97.8%，欧洲效率为97.4%。

综合考虑，取96%。

（5）配电系统及线缆损耗
配电系统及线缆损耗折算系数取97%。

（6）系统综合效率系数K
0.97×0.90×0.97×0.96×0.97＝0.788
考虑到负荷低于发电功率时的损失及设备故障检修等其他损耗，本项目中取K=0.75.
3.2年发电量计算
光伏发电站上网电量可按下式计算：
E p=H A×P AZ/E s×K (6.6.2)
式中：
H A——为水平面太阳能总辐照量（kW·h/m2）；
E p——为上网发电量（kW·h）；
E s ——标准条件下的辐照度（常数=1kW/m2）；
P AZ ——组件安装容量（kW）；
K ——综合效率系数。

综合效率系数K包括：光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损
耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。

本项目光伏组件安装总功率为5640kWp，当安装倾角为27°时，运用RETScreen软件计算，得到倾斜面的日平均太阳辐射量为4.06kWh/m²。

因此可以测算本项目建成后光伏发电系统第一年的总发电量为：
E p=4.06×365×5640×0.75=6268437kWh
也即是第一年的上网电量约为626万度。

考虑到光伏组件效率25年衰减20%，本项目25年运行期总发电量14103.98万千瓦时，平均每年发电量约为564万千瓦时，即每年发电564万度。

表2.2各年平均发电量及首年发电量
4、环境影响评价
5MWp 大型并网光伏电站采用支架基础，土建工程量小，整
个施工对该区域的环境质量及生态环境影响基本可以忽略。

由于没有运动部件没有噪声，对周围环境没有不利影响。

随着工程的建设，该区域将出现新的人文景观，改善区域的面貌，美化环境。

本项目具有十分突出的环境效益。

光伏发电不消耗化石燃料，无二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，节约水资源，同时减少相应的废水和温排水等对水环境的污染，清洁干净，环境效益良好，取代任何化石能源发电的环境效益都是巨大的。

建设光伏电站可以减少燃煤火电装机，假设基准值为燃煤机组，得知：
燃煤机组：360g/kWh（0.36tce/MWh）;
不同类型温室气体换算成二氧化碳：
1 吨CH4等于 21 吨二氧化碳（根据IPCC1996）
1 吨N2O等于 21 吨二氧化碳（根据IPCC1996）
按照上面的计算原则，本项目建成后，将完成安装 5MWp并网光伏电站，25 年内该系统年平均发电量约为 564万kWh，每
年减排温室气体CO2约 5410.29吨，其具体节能、环保和减排
的效果如下表所示：
表 3.1 温室气体的减排统计表
5、电气主接线
5.1、电气一次
5.1.1、接入电力系统方式
本项目发电量大部分自用，余量上网。

拟选站址江苏省常州市高新区的出口加工区并选择并入园区变电站的用户侧并网方案。

在××××建设35kV升压站一座，本期5.0MW光伏发电系统以10kV电压等级接入光伏发电站升压站，光伏发电站升压站出单回35kV线路至站址附近110kV变的35kV侧。

5.1.2、5MW并网光伏发电系统原理示意图
图1电气主接线图(方案一)
通过1 回线路接入用户开关站、配电室或箱变10kV 母线。

一次系统接线示意图如图1
5.1.2电气主接线
l、光伏电站集电线路方案
本期工程共装5.0MW光伏组件，每100kW为一个子系统，经过100kVA逆变器逆变成电压为0.40kV的三相交流电，每十个子系统接入一台1250KVA/10kV非晶合金箱变。

本工程安装的5.0MW 光伏电池组件采用每1MW一变，共5台1250KVA/10kV箱变，以1回10kV线路通过地埋电缆接入光伏电站35kV开关站的10kV
母线上。

2、升压变电站主接线方式
升压变电站装设一台6.3MVA双绕组有载调压变压器。

35kV规划出线1回，10kV规划出线l回，电气接线采用单母线接线。

在10kV侧安装1Mvar动态电容补偿装置。

升压变压器电压比为35±3×2.5％/10.5kV；在10kV母线侧安装中性点电阻接地装置。

站用点电源分别通过0.4/10.5kV、0.4/10.5kV两台变压器来实现；所用电压为380/220V，为中性点直接接地系统，变电所设2台容量为400kVA、互为备用的站用变压器，一台电源由站内10kV 母线引接，电压10±2×2.5％/0.4kV，接线组别D,yn11；另一台由10kV线路引接，电压10.5±2×2.5%/0.4kV，接线组别
D,yn11。

站用电采用单母线分段接线，两段之间设联络断路器。

站用变压器拟采用干式变压器，380/220V配电装置选用GCS型抽屉式开关柜。

5.1.3主要电气设备选择
5.1.4 方案分析
太阳能光伏发电系统由光伏组件、并网逆变器、计量装置及配电系统组成，由于太阳能光伏发电系统的一些特点，发电装置接入电网时对系统电网有一定的不利影响。

本工程中发电装置的总装机容量在系统中所占比例较小，并网过程中对系统电网的影响主要考虑以下几个方面：①由于太阳能光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，输出功率不稳定，并网时对系统电压有影响，造成一定的电压波动。

②太阳能光伏发电装置输出的直流电能需经逆变转换为交流电能，将产生大量的谐波，并网时应满足系统对谐波方面的要求。

③太阳能光伏发电装置基本上为纯有功输出，并网时需考虑无功平衡问题。

（1）电压波动
太阳能光伏发电场的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照以后，输出功率基本为零。

因此，除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。

计算考虑最严重情况下，发电场最大输出功率时突然切机对系统接入点电压造成的影响。

根据相关规定，光伏系统和电网接口处的电压允许偏差应符合规范《GBT 12325-2008 电能质量供电电压偏差》的规定，光伏发电场接入系统时，应采取必要措施，使投切时系统电压波动满足国家有关标准，并以+5%～-5%进行校核。

（2）高次谐波
太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，并入电网，在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中，会产生高次谐波。

本工程中光伏发电系统采用集中并网型逆变器将直流逆变
为380V交流，再升压至35kV并网。

光伏发电场的每台并网型逆变器逆变后谐波总畸变率应满足国家标准《电能质量-公用电网谐波（GB/T14549-93）》的规定。

因此建议选择性能优良的逆变器，以降低本工程对公共电网谐波的影响。

（3）无功平衡
太阳能光伏发电场逆变后的功率因数一般在0.99以上，基本上为纯有功输出，并网时需考虑无功平衡问题。

并应满足《GB/T19964 光伏发电站接入电力系统技术规定》的规定。

5.2、电气二次。