論佛山寶捷光伏電站布局及接入系統(tǒng)規(guī)范化

1項目背景簡述

佛山市寶捷精密機械有限公司3.5MW屋頂分布式光伏發(fā)電項目位于廣東省佛山市三水區(qū)創(chuàng)新西路寶捷精密機械有限公司屋頂,地理位置:東經(jīng)112.998°,北緯23.239°,運行環(huán)境年平均氣溫21.9℃,年降水量1682.8mm,年平均日照1721.7h,項目安裝光伏組件最大標稱容量為3306.6kMp,采用275Wp多晶硅電池組件(1650mm×991mm×35mm)12024塊,安裝于廠區(qū)的廠房彩鋼瓦屋面上,彩鋼瓦屋面光伏組件沿屋面平鋪。10KV光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能光伏組件、逆變器(共配置41臺70kM并網(wǎng)逆變器及2臺50kM并網(wǎng)逆變器)、匯流箱(10臺)、升壓變壓器(2臺1250kVA及1臺800kVA)、10KV并網(wǎng)柜、監(jiān)控系統(tǒng)等主要設(shè)備組成。光伏系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 光伏電站布局

佛山市寶捷精密機械有限公司屋頂一共被分成5個車間區(qū)域,光伏系統(tǒng)采取自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式,在用戶側(cè)并網(wǎng),用戶側(cè)優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)電能,光伏系統(tǒng)多余電量輸送到公共電網(wǎng)。在原有并網(wǎng)點,10kV冶創(chuàng)金屬配電站將原有一套10kV單向關(guān)口計量表改為雙向計量表,用以計量上網(wǎng)電量:在新建戶外箱式高壓室內(nèi)新增一套10kV雙向計量表,用以計量光伏發(fā)電電量:由供電部門安裝計量裝置。在5個車間屋頂?shù)囊淮卧O(shè)備的布局設(shè)計中,主要考慮光伏陣列的傾角和間距問題,優(yōu)化光伏陣列的排布,在有限的空間內(nèi)獲得年最優(yōu)輻照量即目標函數(shù)為最大的平均發(fā)電率,再根據(jù)陣列的排布優(yōu)化設(shè)計合理的直流匯流箱和逆變器排布,節(jié)省電纜用量并降低工程造價。

針對佛山寶捷屋頂分布式光伏發(fā)電效率的問題,根據(jù)光伏陣列的空間位置,對屋頂分布式光伏多晶硅電池組件位置、朝向、傾角進行優(yōu)化設(shè)計,提高屋頂分布式光伏組串所接受的年輻照度,增加屋頂分布式光伏電站年發(fā)電量。如圖2所示,假設(shè)屋頂所有的多晶硅電池組件具有同一物理屬性,其多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm保持不變,且組件與屋頂平行水平放置。

顯然,多晶硅電池組件的傾角y和朝向角9決定了其單位法向量所在的位置,其數(shù)學(xué)表達式為:

太陽光照射在光伏發(fā)電板的方向角,s由其所在的太陽方位角α和太陽高度角8決定,其數(shù)學(xué)表達式為:

太陽方位角a和太陽高度角8可以由太陽赤緯角e和時間角s計算得出,其數(shù)學(xué)表達式為:

式中:μ為佛山寶捷光伏電站所在的緯度。

故不考慮光伏發(fā)電板互相遮擋時,假定單塊光伏組件在2022年第N天(N的最大值為365)的1時刻的輻照度為EN.t,則其數(shù)學(xué)表達式為:

式中:CN.t為第N天的1時刻太陽光照強度:s為單塊光伏組件受光照的面積:7為方向角,s與多晶硅電池組件所在平面的單位法向量vm的夾角。

但在實際的工程項目中,不得不考慮光伏發(fā)電板的間距帶來遮擋問題的影響,假如光伏發(fā)電板的間距較大,使得前后光伏發(fā)電板互不遮擋,即太陽光過前排光伏陣列的頂點時投射在后排光伏陣列的最低點邊緣,此時雖然單塊的輻照度具備最大值,但在屋頂有限的面積內(nèi)光伏發(fā)電板前后的間距過大會導(dǎo)致屋頂排布的光伏發(fā)電板數(shù)量減少,其年平均發(fā)電量并不一定具有極大值:而前后間距過窄則會導(dǎo)致遮擋的部分陰影面積過大,單塊光伏組件發(fā)電效率低。因此要進一步考慮前后光伏發(fā)電板的遮擋問題,如圖3所示,第i塊光伏發(fā)電板下邊緣的中點坐標為p(xi,yi,:i),與第i+1塊光伏發(fā)電板遮擋部分的陰影的4個角坐標為:

式中:l、o分別為光伏發(fā)電板的底邊長與等斜高:n為光伏發(fā)電板數(shù)量。

其陰影部分的面積為s',其數(shù)學(xué)表達式為:

所以第i塊光伏組件實際的輻照度為:

本文暫不考慮環(huán)境因素、并網(wǎng)條件、逆變器最大功率追蹤算法、線路載流量等因素帶來的影響,優(yōu)化目標為寶捷光伏發(fā)電項目全年最大平均發(fā)電率,以此為目標函數(shù),其數(shù)學(xué)表達式為:

對上述表達式采用粒子群搜索收斂法進行迭代求解,可以得出最優(yōu)的傾角和朝向組合,朝向為南偏東659,傾角為329,間距的平均值為(4±0.6)m。

3接入系統(tǒng)規(guī)范設(shè)計

光伏電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)分為站控層和間隔層,監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)對時網(wǎng),站控層采用單以太網(wǎng),連接主機/操作員站、遠動工作站等。在站控層設(shè)置遠動工作站,并配置調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備:間隔層采用單以太網(wǎng),按間隔配置,實現(xiàn)就地監(jiān)控功能,連接本間隔單元的智能I/O設(shè)備等。

3.1調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計

光伏電站從計算機網(wǎng)絡(luò)上直接獲得站內(nèi)全部運行數(shù)據(jù),包括但不限于并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點電壓、電流、有功功率、無功功率、發(fā)電量、事故總信號等。與調(diào)度端的主站進行通信,將其所需的各個遙測、遙信和電能信息傳給調(diào)度端,同時也可接收調(diào)度端發(fā)來的各種信息,并具有通道監(jiān)視功能。尤其是并網(wǎng)點開關(guān),具備三遙功能,并將所測結(jié)果移交至當?shù)毓╇姽菊{(diào)度控制中心。

3.2繼電保護裝置設(shè)計

光伏電站在10kV線路保護方面,配置10kV微機型保護測控一體化裝置一套,具有時限電流速斷、過流、零序保護功能:另外,10kV并網(wǎng)柜設(shè)低頻、低壓解列裝置一套,具有低頻、低壓解列功能,低頻≤49.5Hz動作,動作時間0.3s,低壓解列≤0.8Ue動作,動作出口時間1.8s。

在10kV箱式變壓器保護方面,配置10kV箱變高壓柜,采用微機保護測控一體化裝置,保護具有帶方向的電流速斷、過流及零序保護,同時需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能:10kV箱變低壓柜采用微機保護測控一體化裝置,保護具有帶方向的電流速斷、過流、零序保護及非電量保護,同時需具備失壓跳閘及檢有壓閉鎖合閘功能。

在逆變器保護配置方面,逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要電力電子設(shè)備,由其自控裝置實時調(diào)整逆變器的輸出,保證并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的同步運行。逆變器具備極性反接保護、短路保護、孤島效應(yīng)保護、過熱保護、過載保護、接地保護、低頻低壓保護等功能,一旦發(fā)生并網(wǎng)電網(wǎng)交流電壓或頻率異常,逆變器的自控裝置將按整定時間動作,將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開,自控裝置將關(guān)閉(停)逆變器,主動防止孤島效應(yīng),能夠保障設(shè)備和人身安全,防止事故范圍擴大。

3.3電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

光伏電站配置電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置一臺,在線監(jiān)測可實現(xiàn)對供用電雙方電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)督,能反映各種電能質(zhì)量指標特征及其隨時間變化的規(guī)律,精確描述實際的電能質(zhì)量問題,從而提供對電能質(zhì)量進行綜合治理的依據(jù)。電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置安裝在二次艙的公用屏內(nèi)。

3.4計量系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)口點電能表:采用帶雙Rs485口的多功能雙向電子式電能表,有功0.5s級,無功2.0級,雙表配置:CT:精度為0.2s級,變比為300/5:PT:精度為0.2級,變比為10/0+1。關(guān)口計量點設(shè)置在電力設(shè)施產(chǎn)權(quán)分界點,本項目設(shè)在計量柜(即G02柜),包括兩個電能表和一個負荷管理終端,所有電能表均以Rs48.通信接口接入負荷管理終端。全站計量儀表安裝在相應(yīng)的10kV開關(guān)柜上,可通過負荷管理終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,接入計量自動化系統(tǒng)。

4結(jié)語

本文以佛山寶捷3.5.MW屋頂分布式光伏發(fā)電項目為基礎(chǔ),探討了屋頂有限面積內(nèi)多晶硅電池組件在位置、朝向、傾角等因素影響下的空間布局最優(yōu)組合,所提數(shù)學(xué)方法在工程實際應(yīng)用上具有一定的參考意義。接入系統(tǒng)設(shè)計方面,從調(diào)度自動化、繼電保護、電能質(zhì)量、計量四個方面提出解決方案,大大地縮短了屋頂分布式光伏電站并網(wǎng)的整體流程,在使光伏并網(wǎng)工作更加規(guī)范化的同時,對今后新能源并網(wǎng)工程的有序快速發(fā)展能夠起到一定的引導(dǎo)作用。