一、总体设计方案

1、50KW光伏电站

50KW光伏屋顶由南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。计划在教学楼屋顶装设太阳能光伏电池组件板建设太阳能光伏发电示范系统。　　　

2、设计要求

1）该项目有一定的公众影响力，作为太阳能光伏发电示范系统，美观非常重要，要求光伏系统的安装应保持屋顶的风格和美观，并与整个学校整体环境相协调。

2）该光伏系统主要提供教室办公楼的照明用电。包括：照明等其他用电器。要求在阴雨天气时，应能使用城市电网为负荷供电。　　　

3、光伏发电系统运行方式

太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类，即独立运行和并网运行。

运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。但这种太阳能光伏发电系统发出的电能独立供给负载，不与公共电网连接，也就不会对公共电网发生任何干扰。

在有公共电网的地区，光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，蓄电池的使用寿命通常仅为5-8年。报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。

通过逆变器变换产生的交流电，或者向公共电网输送电能，或者与公共电网同时端接输出到低压负载。这两种方式都是当时发电当时使用，太阳能发出的电量直接与公共电网并接。只是根据并网光伏系统是否允许通过供电区的变压器向主电网馈电，分为可逆流和不可逆流的并网光伏发电系统。目前，大多采取可逆流的并网供电方式。

综合考虑，该光伏发电系统拟采用不可逆流的并网运行方式，在厂房内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网。采取局部并网运行方式提高了上级城市电网的安全性。预留可逆流并网运行功能。

4 设计依据
   该系统的设计依据有：
   GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求
   GB/T 20046-2006 光伏（PV）系统电网接口特性（IEC 61727:2004,MOD）
   GB/Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定
   GB/T 2423.1-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验A：低温试验方法
   GB/T 2423.2-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验B：高温试验方法
   GB/T 2423.9-2001 电工电子产品基本环境试验规程 试验C：设备用恒定湿热试验方法
   GB 4208 外壳防护等级（IP代码）（equ IEC 60529:1998）
   GB 3859.2-1993 半导体变流器 应用导则
   GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波
   GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度
   GB/T 21086-2007 建筑幕墙
   GB 50057-94 建筑物防雷设计规范
   JGJ102-2003 玻璃幕墙工程技术规范
   JGJT139-2001 玻璃幕墙工程质量检验标准当地气象资料。光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

5、设计原则

太阳能光伏发电系统的安装不能破坏建筑造型，不能破坏装饰性艺术风格，不能造成结构的重新返工。

太阳能工程必须保证建筑物的安全。太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。必须考虑安装条件、安装方式和安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题，特别是太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。其中，太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是工程风险。特别是需要屋面承受空气层流所产生的巨大风力。

光伏发电系统应当在可靠地满足负载需要的前提下，进行合理的配置，尽量减少系统规模，降低投资费用。

光伏发电系统设计必须要求其高可靠性能，保证在较恶劣条件下的正常使用；同时要求系统的易操作和易维护性，便于用户的操作和日常维护。

整套光伏发电系统设计、制造和施工的低成本，设备的标准化、模块化设计，提高备件的通用互换性，要求系统预留扩展接口便于以后规模容量的扩大。

具体实施时，太阳光伏发电组件板要用适当的方位角和倾斜角安装，确保太阳电池组件得到最优化的性能；安装地点的选择应能够满足组件在当地一年中光照时间最少天内，太阳光从上午9：00到下午3：00能够照射到组件。

组件安装结构要经得住风雪等环境应力，安装孔位要能保证容易安装和机械的受力，推荐使用正确的安装结构材料可以使得组件框架、安装结构和材料的腐蚀减至最小。

6、光伏发电系统组成

针对太阳能光伏并网发电系统，建议采用分块发电、集中并网方案，将系统分成几个发电单元，最终实现整个并网发电系统并入负载系统。

经过计算，整个并网发电系统需配置220块235Wp多晶硅组件，实际功率约为51.7KWp。

考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，建议在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接安装在电池支架上，每个汇流箱可接入16路光伏阵列，整个并网系统需配置台光伏阵列防雷汇流箱。

为了将光伏阵列防雷汇流箱的直流输出汇流后再接入逆变器，系统需要配置1个直流防雷配电柜

并网逆变器采用三相五线制的输出方式。整个并网发电系统按照11个并网发电单元进行设计，配置了1台50KW逆变器。

太阳能并网发电系统，将光伏系统的并网点选择在并网点的低压配电柜上。逆变器的交流电输出，通过电缆分别接至交流配电柜的交流输入端，同时来自市电网低压配电柜的输入也接入交流配电柜，从交流配电柜向负载供电。从而实现整个并网系统并入负载交流电网。

综上所述，本系统主要由太阳能组件、光伏阵列防雷汇流箱、直流防雷配电柜、光伏并网逆变器和交流配电柜所组成。

二、光伏发电系统设计

1、光伏发电系统容量设计

1.1 并网光伏系统的最佳倾角、方位角。

当地的纬度的影响。并网光伏供电系统有着与独立光伏系统不同的特点，在有太阳光照射时，光伏供电系统向电网发电，而在阴雨天或夜晚光伏供电系统不能满足负载需要时又从电网买电。这样就不存在因倾角的选择不当而造成夏季发电量浪费、冬季对负载供电不足的问题。在并网光伏系统中需要关心的问题就是如何选择最佳的倾角使太阳电池组件全年的发电量最大。通常该倾角值为当地的纬度值。
      风压的影响。根据气象资料，通过中国海平面的三十年一遇的１０分钟平均风速统计值，可以得到若干城市的风压系数，再结合陆上建筑不同高度的风压值与海平面风压之间的风压高度系数，就可以计算出单位面积建筑屋面的风压值。盐池县陆上风压系数1.54，风速60kg/m2。当然，不同的建筑屋面形态和结构所产生的空气层流作用是各不相同的。斜顶式建筑物屋顶的风压与屋顶的倾斜角度有关，角度大时，受压面与迎风面墙相同，压力为正压力；角度小时，压力为负压力，屋顶或其他安装于屋顶的部件可能会被掀。根据以上情况，及实际安装地点情况，采取以下设计：支架倾角33°。

2 电气设计

2.1 直流防雷汇流箱

为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线，方便日后维护，本系统在室外配置光伏阵列防雷汇流箱，该汇流箱可直接安装在支架上。
    光伏阵列直流防雷汇流箱(型号SPVCB-16)的性能特点如下：
     1）户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，满足室外安装使用要求；
     2）可同时接入16路光伏阵列，每路光伏阵列的最大允许电流为10A；
     3）光伏阵列的最大开路电压值为DC900V；
     4）每路光伏阵列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为DC1000V；
     5）直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用高压防雷器，防雷器采用菲尼克斯品牌；
     6）直流输出母线端配有可分断的直流断路器，断路器采用ABB品牌。

直流防雷汇流 箱                直流防雷配电柜

直流防雷汇流箱技术参数：

2.2 直流防雷配电柜

光伏组件阵列通过直流防雷汇流箱在室外进行汇流后，通过电缆接至配电房的直流防雷配电柜再进行一次总汇流。

50KWp并网系统配置的1台光伏阵列防雷汇流箱。

2.3 并网逆变器

此次光伏并网发电系统设计，配置1台型号为GSG50K3并网逆变器，

2.3.1 并网逆变器性能特点

该GSG50K3并网逆变器的主要性能特点如下：

采用美国TI公司DSP芯片进行控制；

1）采用日本三菱公司第五代智能功率模块（IPM）；

2）太阳电池组件最大功率点跟踪技术(MPPT)；

3）50Hz工频隔离变压器，实现光伏阵列和电网之间的相互隔离；

4）具有直流输入手动分断开关，交流电网手动分断开关，紧急停机操作开关；

5）具有先进的孤岛效应检测方案及具有完善的监控功能；

6）具有过载、短路、电网异常等故障保护及告警功能；

7）宽直流输入电压范围(450V～880V)，整机效率高达95%；

8）人性化的LCD液晶界面，中英文菜单，通过按键操作，液晶显示屏可显示实时各项运行数据、实时故障数据、历史故障数据、总发电量数据和历史发电量数据。

9）可提供包括RS485或Ethernet（以太网）远程通讯接口。其中RS485遵循Modbus通讯协议；Ethernet（以太网）接口支持TCP/IP协议 ，支持动态(DHCP)或静态获取IP 地址；

10）逆变器具有CE认证资质部门出具的CE安全证书。

2.3.2 GSG50K3并网逆变器主电路

GSG50K3并网逆变器主电路的拓扑结构如图所示。

并网逆变电源通过三相半桥变换器，将光伏阵列的直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧加入了先进的MPPT算法。

2.3.3 并网逆变器技术参数

产品外观参考图片
光伏输入	额定容量（KW）			50
	允许最大电池阵列功率（KW）			55
	最大开路电压（VDC）			850
	可接入阵列串联数（推荐）			18串（推荐35V左右/块）
	串联范围			16串~18串
	MPPT范围（VDC）			440～800
交 流 输 出	额定交流输出功率（KW）			50
	电网电压范围（VAC）			330～460
	电网频率范围（Hz）			50±4.5
	隔离变压器			有
	最大效率			95.0%
	欧洲效率			94.5 %
	显示方式			触摸屏显示
	电网监控			数据通过带电气隔离的RS485进行传输
	总电流波形畸变率 (THD)			THD(Iac)<4 %(满功率时)
	过载能力			120% ， ≥1分钟；120%~150% ，≥10秒钟；短路电流≤150%
	功率因数(PF)			0.99（半功率以上）
	MPPT效率			99％
	设备夜间自耗电能（W）			＜20
	通讯协议			IEC-60870-5-101、IEC-60870-5-104
	电磁兼容			EN50081,part1/EN50082,part1
	总谐波电流分量（均方根）			GB/T 14549-1993
	电压偏差			GB/T 12325-2008
	电压波动和闪变			GB/T 12326-2008
	电压不平衡			GB/T15543-2008
	电网干扰			EN61000-3-2
	电网检测			DIN VDE 126
	直流电压分量			VPP＜0.5％
	冷却方式			强制风冷
参考外观尺寸（深宽高mm）				600×800×1800
参考包装尺寸（深宽高mm）				690*890*1890
参考重量（Kg）				530
防护等级				IP20(室内)
保护功能		孤岛效应保护			主动式孤岛运行检出
					被动式孤岛运行检出
		并网电源保护功能	系统过电压OV		自动复位
			系统欠电压UV
			系统过频率OF
			系统欠频率UF
			直流过电压 OVDC		自动复位
			温度异常 OH
			直流欠电压 UVDC
			交流过电流 OCAC		人工复位
			直流过电流 OCDC
环境		噪音(dB、1米)		≤50
		使用环境温度(℃)		－20～＋50
		储存环境温度(℃)		-25～+55
		使用环境湿度		0~95%（不结露）
		使用海拔（m）		≤5000

2.3.4 液晶显示

GSG50K3光伏并网逆变电源智能化程度高，每天自动启停工作，无需人为控制。在逆变电源的最上端有状态显示LED灯，LCD面板上有5个LED灯和6个按键，通过这些指示灯和按键可知道逆变电源的工作状态并对逆变器进行控制。

2.4 交流配电柜
交流配电柜主要满足以下功能需求：
1）满足50KWp光伏发电系统的输入输出功率要求。
2）能够在光伏发电系统与市电网之间切换，在出现光伏发电系统输出功率不足、输出电压过低等条件时自动切换到市电网线路。
3）交流配电柜应适应于三相低压交流电网（AC380V/50Hz），应配置相应电气保护装置；同时配置防雷装置，以防市电网雷击串入。

（1）光伏并网系统的监测软件可连续记录运行数据和故障数据如下：
实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图。
可查看每台逆变器的运行参数，主要包括：
A、直流电压
B、直流电流
C、直流功率
D、交流电压
E、交流电流
F、逆变器机内温度
G、时钟
H、频率
J、当前发电功率
K、日发电量
L、累计发电量
M、累计CO2减排量
N、每天发电功率曲线图
监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息至少包括以下内容：
A、电网电压过高；
B、电网电压过低；
C、电网频率过高；
D、电网频率过低；
E、直流电压过高；
F、逆变器过载；
G、逆变器过热；
H、逆变器短路；
I、散热器过热；
J、逆变器孤岛；
K、DSP故障；
L、通讯失败；
（3）监控软件具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外和室内环境温度和电池板温度等参量。
（4）监控装置可每隔5分钟存储一次电站所有运行数据，可连续存储20年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。
（5）可提供中文和英文两种语言版本。
（6）可长期24小时不间断运行在中文WINDOWS 2000，XP 操作系统。
（7）监控主机同时提供对外的数据接口，即用户可以通过网络方式，异地实时查看整个电源系统的实时运行数据以及历史数据和故障数据。
（8）显示单元可采用大液晶电视，具有非常好的展示效果，下图是本公司的并网逆变器的监控界面：